舰船总体电磁兼容方法研究∗

刘孟孟

（91404部队 秦皇岛 066000）

1 引言

随着科学技术的进步，舰船上所装备的用频设备愈加密集，使用频带越来越宽，频率也是不断增大，加上舰船上安装布置空间有限，造成舰船上电磁环境不断恶化，特别是有的设备既是辐射源又是受干扰源，加之不同装备之间用频冲突，使得实际电磁干扰现象十分普遍，严重影响了舰上武器装备的正常使用，制约着舰船整体作战效能的发挥，亟需从总体层面对舰船电磁兼容方法开展研究，提高整体电磁兼容能力，保障舰船的实际作战效能。

2 电磁干扰成因及危害

电磁干扰主要包括干扰源、耦合路径、敏感物三要素，是设备及系统产生电磁兼容问题的必要条件。干扰源是指产生电磁干扰的电子设备、无源金属或自然现象，可分为人为干扰和自然干扰；耦合路径是指电磁干扰的传输媒介，分为传导耦合和辐射耦合，顾名思义，传导耦合通过导线传播，辐射耦合是电磁能量以电磁场的方式向外辐射；敏感物，在舰船总体中不只包含易受电磁干扰的电子设备，还包括处于电磁场中可能会受到影响的人员、弹药、燃油或飞机等。

图1 电磁兼容系统三要素

干扰产生的条件为

式中，t表示时间，f表示频率，r表示距离，θ表示方位，S表示电磁干扰源，C表示电磁能量，R表示敏感物的敏感性，只有S、C、R三要素同时存在且满足上式才能产生电磁干扰。

电磁干扰会造成多种危害［1］，主要是造成用频装备性能指标降低甚至无法工作，如大功率射频会危害雷达系统伺服机构等敏感设备的正常运行；电子战系统过宽的频谱范围，可干扰雷达、通信等设备；频率相近的用频设备之间会产生耦合干扰，使设备性能下降。同时，当军械、燃油处场强过高时，有爆炸或自然危险；人员受到超剂量的电磁辐射危害，危及人员安全。

3 电磁兼容解决方法

由式（1）可知，消除各系统设备之间的电磁干扰，应从干扰源、耦合路径、敏感物三个方面进行设计，即降低设备向外界发射或释放的干扰，切断耦合路径，提高敏感物抗电磁干扰能力，使S·C＜R。

3.1 电磁兼容设计

开展电磁兼容设计［2］，一方面对舰船外形特别是甲板进行优化设计，降低舰船上层建筑反射折射电磁波引发的二次辐射，且合理利用空间分隔降低各装设备之间的干扰。另一方面需要加强装备作战需求和作战使用研究，按照相关标准规范，从顶层角度统筹规划设备选型和各系统装备的频谱使用，确定工作频率以及频谱特性要求；充分论证各装设备的频率使用和抗电磁干扰指标，减少不同电磁收发设备之间的频谱冲突；将总体要求逐层分解到装设备，对装设备的辐射特性和抗干扰特性提出具体要求，如对可能暴露在电磁环境中的弹药等提出明确抗干扰要求，从而解决各装设备之间的干扰问题，尽可能地消除或降低电磁兼容问题。

同时利用电磁兼容和电磁干扰预测分析技术，如有限元法、矩量法、时域有限差分法和传输线矩阵法等，在设计的各个阶段均开展电磁环境分析预测，对干扰源的辐射特性、电磁干扰耦合途径、敏感物反应特性等量化计算，掌握电磁场分布情况，分析和确定干扰源、干扰途径和敏感物，预测可能存在的电磁干扰，可以有效解决传统设计手段无法处理的问题，使各系统设备之间既能满足战技术指标要求，又能相互兼容互不影响，还可以有效降低电磁兼容设计成本。

图2 总体电磁兼容设计流程图［3］

3.2 电磁兼容具体措施

1）综合布置

主要在设计阶段完成，在空间布置上采取措施，降低各装设备之间的直接干扰，优点是只涉及舰船总体布置，对装设备本身的技术状态不用做出修改。

对于雷达、通信等天线设备，通过空间布置可以增大天线相互之间的隔离度［4］，隔离度受天线方向图、天线之间的距离以及信号波长等因素影响，具体可用下式表示：

其中Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，R为天线之间的距离，λ为信号波长。

因此，可以通过错层布置防止相互之间主波束直接照射造成干扰；对不同装备分区布置，可以利用距离或障碍物遮挡增加相互之间的距离；对于全方位辐射信号源，可以布置多部装备分区布置且对作用区间进行合理划分，使其仅对舰外辐射，可以降低或消除其向舰内的辐射，减弱电磁波直射或反射对舰载设备的影响，这些方法都可以有效增加天线之间的隔离度。

对于燃油加油口、甲板弹药转运贮存区等对电磁辐射较敏感部位，要尽量远离各种发射天线，并避免被雷达主波束直接照射。

2）屏蔽

采用具有电磁波阻断作用的材质将干扰源或敏感物隔离起来，通过反射、吸收等物理作用，一方面可以有效降低干扰源向外所辐射的电磁能量，另一方面可以降低电磁场对敏感物的干扰，其效果受屏蔽材料材质、结构等影响较大。可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种，不同屏蔽样式所选用材料材质不同［7］。

屏蔽的效果可用下面公式表示：

其中 SE表示屏蔽效能，ED（HD）、E1（H1）分别表示采用屏蔽措施前后的磁场能量。屏蔽效能值越大，表明屏蔽效果越好。屏蔽效果还可从材料的角度评定：

式中，R表示材料表面反射损耗，为电磁波穿过屏蔽体两个界面时两个界面上的反射损耗的和；A表示吸收损耗，为电磁波在屏蔽材料中传播时转化为热量的损失；B表示多次反射修正因子，指电磁波在屏蔽材料内部多次反射时辐射回入射方向的能量。

选用合适的屏蔽材料，对驾驶室、指挥所、弹药贮存舱等部位采取屏蔽措施，可以有效降低和消除外部电磁辐射对人员、装备和弹药等的影响。

3）滤波

在输入输出端采用滤波器限制接收发送的信号频带，可以滤除设备中非必要信号频率，将对有用信号存在扰乱作用的电磁波滤除，在输出端减少对其余设备的干扰，在输入端提高接收器的信噪比［8］。

滤波器的衰减效果可用下式表示：

其中，EdB表示滤波器的插入损耗，V1表示干扰信号通过滤波器后在负载上的电压，V2表示无滤波器时干扰信号在负载上的电压。在要求的频段内，EdB越大，表示滤波效果越好。

对电源线、通过干扰环境的导线、对干扰敏感的电路以及射频收发装置中都应设置滤波手段，如在发射机输出端设置输出滤波器，可以降低带外干扰；对关键电源设置隔离滤波器，可以消除共模干扰。

4）接地

将电气设备与零电位参考点相连，一方面将设备运行过程中产生的静电、漏电倒入大地，保护设备和人员安全；另一方面为设备内部信号提供一个共同参考和低阻抗回流路径，消除或降低电流，抑制电磁干扰［9］。主要有单点接地，多点接地和混合接地等方式。

因此，对大电压电气设备的金属外壳、电线的金属保护套、屏蔽措施、露天部位的金属构件等做接地处理，可以有效抑制电磁干扰，但也应严格控制接地工艺质量。

5）采用新技术（采用天线集成技术）

传统舰船天线布置方法主要是依据1）中所述，将各种天线分散布置，但受制于舰船的大小及形状，这种方法并不能彻底解决天线之间的互扰问题，为此提出了天线集成概念，一是将多部用频设备通过多路耦合器等设备集成，共用一套天线，即复合天线［5］（图3）；另一种是对不同天线进行物理集成，采用物理手段增加相互之间的隔离度，即射频综合系统［6］，两种方法都可以有效降低电磁干扰问题，是对1）的有效补充。

图3 复合天线示意图

4 电磁兼容管理

通过电磁兼容设计以及采用相应措施，对舰船上的电子设备等布置进行了调整优化，并对关键部位采取屏蔽、绝缘等隔离措施，可以有效地降低各系统设备之间的电磁干扰，但由于空间及用频的局限性，部分干扰是无法避免的，为保障全舰的综合作战效能，需要在使用过程中对各系统设备的使用进行限制，即电磁兼容管理［10］，管理主要针对用频设备，根据各系统设备使用要求及基本情况，可以建立电磁干扰情况对照表，明确各系统设备之间的相互干扰关系，也可详细记录工作方式、干扰程度、干扰样式等细节。

表1 电磁干扰情况对照表

根据各系统设备的功能特性，考虑其使用要求、工作状态、运用目的、重要程度及相互之间的干扰关系等情况，合理调配其使用实际及使用方法，按照危急程度高低、使用效能大小、占用时间长短、对其他装设备影响大小等特定原则，制定合理的使用方案，通过频率分配、匿影、规避等手段，在频域、时域、空域、能域四个方面统一管理。

在频域，若发送设备的频点对某一接收设备的若干频点或频段存在干扰时，可以通过电磁兼容管理，对发送设备或接收设备发送管理命令，令其禁用对应频率或改用其他频率，从而解除各用频设备之间用频存在冲突；对于某些对燃油、弹药和人员有危害频段，对其使用时机也应进行控制。

在时域，主要针对同时工作时存在干扰的用频设备，根据设备重要程度或优先级，当一部设备使用时，由管理设备向另一方发送管理命令（如匿影信号），令该设备暂停工作，在时域上避免两者同时工作的可能；当甲板上有人员作业时，某些不必要或伤害较大辐射源也应暂停使用。

在空域，由于舰艇面积所限，空间布置并不能绝对避免设备之间绝对隔离，需要对各发射的工作状态及空间指向进行跟踪，若判断不同设备的方位角或仰角会产生干扰，则由管理设备对其一发送管理命令，令其进行规避，以消除干扰；为保护武器弹药、人员、重要舱室等的安全，还应对辐射源进行限制，避免直射。

在能域，一些大功率发射机对用频设备的干扰很消除，若可以对其发射功率进行控制，则可以在其业务或较少时适当降低发射功率，由式（2）可知，能够改善天线之间的隔离度，此时受干扰设备可以正常工作；同时对于燃油加油口和弹药转运作业区，当大功率天线直接照射时需对天线发射功率进行限制，避免出现自燃和爆炸危险或对人员造成伤害。

图4 电磁兼容管理示意图

电磁兼容管理过程如图4所示，需要注意的是，无论采用哪种电磁兼容管理手段，都意味着要对发射端或接收端进行限制，相应的其工作性能会有所下降，需统筹考虑对哪一端做出限制，必要时进行人工干预，以尽量小的功能牺牲实现尽量大的综合使用效果。若经电磁兼容管控后仍存在电磁兼容问题，则需在明显位置设置警示标志。

5 电磁兼容测试

实船交付后，可以根据设计阶段电磁干扰预测结果人工设置各种装设备的工作状态，利用测量仪器等手段对各种工作状态下的的装设备工作状态进行测量［11～13］，可以对电气及电子设备的接地质量、天线之间的隔离效果、重要部位的屏蔽效果、军械燃油处的电场强度、人员工作生活区的电磁辐射值以及电磁管控效果等进行直接测试，用实测数据验证电磁环境对电子设备、人员、武器弹药等的影响程度，优化电磁兼容管理的方法和阈值，从而有效判断电磁兼容设计的合理性，所用技术措施的正确性，电子设备与所处环境的兼容性，特别是找出前期未注意或未发现的潜在电磁干扰，掌握总体电磁兼容性能，在发现和解决电磁兼容问题中发挥不可忽视的作用。

6 结语

电磁兼容性能的好坏，制约着舰船总体作战效能的发挥，电磁兼容是一项涉及专业广且十分复杂的工程，电磁兼容问题不仅仅是从某一方面采用某一措施就可以解决的，往往需要多种方法共同作用，例如对燃油的保护，首先加油口自身要有防静电和屏蔽设置，布置上要远离辐射源，还要对辐射源的频率、功率以及空间指向进行管理等方法共同保护着燃油的安全。因此只有从船总体到各个分系统设备密切配合、通力合作，才能得到更好的电磁兼容性能。同时还要加大对电磁兼容试验内容及试验方法的研究，从实践角度衡量电磁兼容设计及管控的正确性和合理性，为后续舰船建造设计提供实践支持。