综合试验船电磁兼容性设计与应用

欧盛春，屈骎宇，朱新平

(1. 中电科海洋信息技术研究院有限公司，北京 100041；2. 中国电子科技集团有限公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

综合试验船搭载的无线电设备及天线较多，除船舶航行需要及海事部门规定的航行所需器材外，通常还需配置包括搜索雷达、光电监视设备、卫星通信、短波及LTE通信设备等在内的多类电子设备，以及试验设备，电磁覆盖波段较宽，因此对综合试验船的电磁兼容性提出了较高要求。

作为国内首艘民用综合试验船，“电科1号”在设计建造阶段将全船电磁兼容性设计作为重点进行关注。本文以该船为例对综合试验船电磁兼容性设计进行分析说明。

1 电磁兼容性设计分析

在设计阶段，项目组参照《GJB 1389-92系统电磁兼容性要求》，对“电科1号”设备电缆选型、系统供电设计、线缆布放设计及甲板天线布局等方面分别进行了电磁兼容性需求分析，核心要求可概括为：在不显著增加建造成本的情况下，通过合理设计使得综合试验船全船设备及临时加装的待验设备彼此间干扰及外部电磁波干扰最小化且可控，保障各设备使用寿命及功能性能不受影响。

为达到上述需求，“电科1号”电磁兼容性设计主要分为4个方面：设备单机电磁兼容性设计、设备安装布置设计、系统布线与供电设计及系统设备频率功率使用管理设计。

2 设备单机电磁兼容性设计

“电科1号”电子任务系统各主要组成设备电路板、机箱及机柜全采用数字地、模拟地及机壳地分开设计。电路的数字信号地线、模拟信号地线和电源地线均分别走线，然后按支流、干流汇集到一点，降低地线回流干扰。各组成设备机箱的上、下盖板及前面板接触面做导电氧化处理，保证机箱接地电连续性，并在接触面上嵌入导电橡胶条，前面板上安装的连接器加装导电橡胶垫。各设备机柜壳体设计有防电磁泄露金属网，防止电磁辐射对其它设备造成影响。

对于计算机、交换机、ADS-B设备、AIS设备、气象设备及北斗设备等通用设备，需根据各型号的技术规格书及使用维护说明书选择符合系统电磁兼容相关要求的型号进行采购，保障设备工作时不会对其他电子设备产生干扰。

3 设备安装布置设计

3.1 天线的安装布置

“电科1号”的电磁环境可划分为露天区和舱室内两部分。露天区电磁环境是由多个辐射源的电磁场合成，其主要发射源包括船上的各种通信、导航及探测设备的发射天线。在有限的罗经甲板和雷达桅杆上布置天线是无法按理论布置达到完美，只能进行折中妥协，减少盲区，减少干扰[1]。为避免高功率发射源在船体表面形成高场强区，危害船载电子设备，干扰正常的导航、通信和指挥，“电科1号”经过等效电路[2]、人工神经网络[3]等建模方法分析及仿真[4]，最终采用如下天线布局形式，如图1所示。

对于导航雷达、卫星通信天线及搜索雷达天线等4个高功率发射源优先进行布局：S波段和X波段导航雷达天线高低错开布置于通导桅杆顶部；卫星通信天线布置于中间高度层，其与X波段导航雷达天线的水平夹角33°大于导航雷达发射波束的最大俯角26°；搜索雷达天线布置于底层，保障搜索雷达发射波束避开卫星通信天线。在此基础上，其余设备天线根据设备天线形式、波束范围、功率频率等因素分别布置[5]。

在“电科1号”天线布设方案制定过程中，充分考虑了各天线频率的影响，对频率存在交叠的天线采用高度错层布置、波束方向错开布置及使用场景分析等手段，保障了在海上试验过程中各自电磁波影响降到最低。

3.2 设备机柜的布置

在“电科1号”设备机柜布置设计中，把小功率、低电压的设备和大功率、高电压的设备分开布置，尽量减少干扰。如在高频室中，搜索雷达的收发机柜就是大功率、高电压设备。设计布置位置时，将该雷达的收发机柜布置在高频室最内侧位置，使设备机柜距离外部雷达天线最近，减少设备之间的波导和线缆损耗，同时保障了尽量远离其他设备的要求。

4 系统布线与供电设计

“电科1号”系统选用电磁屏蔽电缆。高中频信号采用屏蔽效果好的高质量同轴电缆传输，低频及数据线传输采用屏蔽导线、双绞屏蔽导线及双绞线，使得两线之间存在的干扰电流几乎大小相等,方向相反,其干扰场地空间可以相互抵消,因而减少了干扰[6]，可解决大部分干扰和辐射问题。

图1 “电科1号”罗经甲板天线布置图Fig. 1 Dian ke 1 compass deck antenna layout

图2 “电科1号”全船设备及天线电磁频谱图Fig. 2 Dian ke 1 system electromagnetic spectrum

系统中除部分设备使用的是随机电缆外，其它电缆多用低烟无卤低毒船用铠装电缆。供电电源输入端设置电源滤波电路，隔离外部电源输入的干扰以及向外部辐射干扰[7]：在每个机柜内部对于交流电源的输入都通过交流滤波器滤波后给机柜内部的设备供电。

“电科1号”舱室设备间连接线缆：功率（电源）缆、信号缆、视频线缆分开布放，减小或消除大功率信号对高频、小电平信号的影响。

5 系统设备频率功率使用管理设计

在“电科1号”系统的设计中考虑了频谱管理。在实际使用中需根据频谱表管理船上各个设备的使用并安排设备的开关机。特别是在进行电子设备海上试验时，需对新增待测设备的收发频率和收发功率进行预先调研并统一管理[8]。从图2可以看出，除部分通信导航设备频率有重叠外，其他设备收发频率基本不存在交叠或干扰，对于部分交叠的设备，系统采用分层布局等形式尽量降低了对使用层面的影响[9]，不仅有利于保证船舶正常通信及航行安全，也能防止和减少天线电磁辐射对人的影响和危害[10]。

作为国内首艘民用综合试验船，“电科1号”运营以来已完成大量海上及水下试验任务，在电磁兼容性方面获得了高校、企事业单位及军方用户的一致好评。在“电科1号”运营过程中，搜索雷达等大功率信号源工作正常，各目标探测设备及通信导航设备等主要设备均未发现电磁兼容性方面的问题。针对地波雷达等临时加装的大功率待测设备，通过灵活运用本文涉及的设计要素合理安排布局，将设备间影响降到最低，保障了各类待验设备海上试验任务的圆满完成，本船的电磁兼容性设计效果得到了良好检验。

6 结 语

通过各类实际应用的检验，充分验证了“电科1号”通过前期完善的设备单机电磁兼容性设计、设备安装布置设计、系统布线与供电设计及系统设备频率功率使用管理设计，在复杂电磁环境下实现了良好的全船电磁兼容性。在未显著增加建造难度及成本的情况下，通过合理设计及优化布局，保障了综合试验船上固定及临时安装的各类电子设备相互影响最小化，为后续民用综合试验船电磁兼容性设计提供了优秀范例。