艦載平面陣天線布置中的電磁兼容性問題及控制措施

宋東安 張 崎 溫定娥 方重華

中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢430064

艦載平面陣天線布置中的電磁兼容性問題及控制措施

宋東安 張 崎 溫定娥 方重華

中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢430064

以平面陣天線為射頻集成系統(tǒng)的典型研究對象，從電磁兼容性層面分別研究平面陣天線裝艦的電磁特性、平面陣天線與傳統(tǒng)離散天線裝艦布置方式的區(qū)別，以及平面陣天線間主要的電磁干擾耦合方式。分析并提出陣面天線的應用將使得高場強分布由離散的艦面分布，改變?yōu)榧蟹植疾⑾蚋呖臻g發(fā)展，呈現(xiàn)出立體分布特性；改變原來天線的隔離度特性，將產(chǎn)生新的強近場環(huán)境的電磁干擾特征，對艦載天線和電子設備的優(yōu)化布置產(chǎn)生重大影響。為解決平面陣天線帶來的新問題，必須突破的關鍵技術將涉及輻射源、耦合途徑和敏感設備的電磁分析、建模和試驗驗證等方面，電磁分析需要計入艦船物理環(huán)境和天線布置狀態(tài)的影響。同時，在平面陣天線的優(yōu)化布置尚無相關標準可依的情況下，可以先通過試驗獲取不同條件下天線間隔離度數(shù)據(jù)作為參考，并通過抑制表面波傳輸?shù)仁侄芜M一步控制電磁兼容性。此外，還需加強對上層建筑的空間和頻譜的管理，防止各平面陣天線間的相互干擾。

電磁兼容性；陣列天線；艦載射頻集成；隔離度控制

0 引 言

未來海戰(zhàn)環(huán)境瞬息萬變，水面艦船將遭遇來自海、陸、空、電等多方面的威脅和攻擊。為了提升艦船自身的防護能力和戰(zhàn)斗力，各國海軍都將提升生存力、運行力和作戰(zhàn)力等“三力”作為新一代艦船發(fā)展的主要方向，促使雷達、電子戰(zhàn)、通信等各種先進的電磁系統(tǒng)在艦船上廣泛應用，使得艦船上布置的天線數(shù)量達百余副之多。數(shù)據(jù)表明，美國20世紀末的艦船上的天線數(shù)量平均比80年代增加了一倍，并且還有增加的趨勢。天線數(shù)量和密度的增加與盡量減小艦船總的特征信號通常是相互矛盾的，這種矛盾已顯著影響艦船總體的結構設計和天線布置，因此，需要尋求一些新的解決方案［1-5］。射頻集成或天線共用技術為解決該問題提供了一個有效的途徑［6-10］，美國研制出了多功能電磁輻射系統(tǒng)（MERS），將敵我識別（IFF）、測向（DF）、聯(lián)合戰(zhàn)術情報分配系統(tǒng)（JTID）和超高頻天線組合在一個集成的低雷達有效反射截面的組件內(nèi)，并布置于桅桿或上層建筑上。射頻集成技術的上艦在提升艦船隱身性和生存性的同時，充分發(fā)揮了大規(guī)模射頻集成技術最突出的優(yōu)點——強大的射頻功能和射頻資源的智能化調(diào)配，極大地增強了艦艇的作戰(zhàn)能力，是未來大型水面艦船的必然發(fā)展趨勢。

在艦船上采用射頻集成技術的主要特征是改變以往離散的天線布置方式，用平面陣天線集成實現(xiàn)傳統(tǒng)離散天線的功能，并且在微波（或較高）頻段已初步實現(xiàn)用相控陣天線替代部分傳統(tǒng)分散布置的雷達。但是，從電磁兼容性層面講，平面陣天線的電磁輻射特性和布置方式與離散天線有顯著的不同，并有可能會產(chǎn)生新的電磁兼容性問題［11］。

本文將對平面陣天線集成布置中的電磁干擾問題進行討論，分析潛在的干擾耦合途徑及可能產(chǎn)生的干擾類型和特征，最后提出一些控制干擾措施。

1 電磁表征

艦船是由大量的電子設備、天線、武備和復雜平臺構成的電磁系統(tǒng)，天線是該系統(tǒng)的激勵源，天線布置是否優(yōu)化直接左右著艦船總體的電磁兼容性。為了增強艦船的功能，艦載天線的數(shù)量和種類也在不斷增加。天線產(chǎn)生的強輻射通常會對艦載武備、燃油、電子設備和人員產(chǎn)生潛在的電磁危害和電磁干擾。目前采取的手段是在進行艦船總體設計時，通過對艦載天線、武備和設備的優(yōu)化布置來降低電磁兼容性風險。在沒有采用射頻集成技術的艦船上，主要是采用離散的天線布置方式并通過隔離度控制等原則進行優(yōu)化設計［12］，此時艦船上層建筑的總體結構設計與裝艦天線的布置相關性較小，上層建筑通常起隔離和屏障電磁波的作用。例如，艦首布置的天線與艦尾布置的天線通過空間和上層建筑（或桅桿）進行隔離，這種布置方式對消除某些干擾起到了一定的作用。但當艦船采用綜合射頻集成技術，用主流的有源相控陣技術或復合天線技術實現(xiàn)天線的陣面化，取代原來的機械旋轉天線并與艦的上層建筑（或桅桿）共形布置時，這種革命性的變化就使得艦船總體上層建筑的電磁兼容性設計不僅對結構，而且還要對平面陣天線進行共體或共形設計，使平面陣天線作為上層建筑的一部份。

顯然，用平面陣天線取代離散天線不僅改變了艦船總體設計時天線的布置方式，而且較之離散天線而言，平面陣天線更易受到上層建筑的電磁影響，使艦船的電磁特征產(chǎn)生新的變化。

[3]D. 41, 1, 13 (Nerat. 6 reg.); D. 3, 3, 1 pr. -1 (Ulp. 9 ad ed.); D. 3, 3, 63 (Mod. 6 diff.).

1）陣面天線的應用使得艦船島式上層建筑及其附近區(qū)域相對艦船其它部位呈現(xiàn)出復合高場強區(qū)，改變了傳統(tǒng)艦船高場強離散分布的特征。

其次，由離散布置向集中布置轉化改變了原來天線的隔離度。在艦船總體電磁兼容性設計中，天線優(yōu)化布置是盡量增加天線的空間隔離度。但對平面陣天線布置而言，很難通過空間隔離度控制措施來解決其電磁兼容性問題，因為數(shù)量眾多的平面陣天線集中布置于島式上層建筑的有限區(qū)域時，天線間的收發(fā)空間隔離距離由傳統(tǒng)艦船的十幾米（幾十米）急降至幾米左右，對減小天線的電磁耦合極為不利。雖然平面陣天線在共面布置時彼此之間一般不存在主波束的直射，僅存在端射的相互作用，但應認識到，平面陣天線是大功率輻射和高敏感共體，它們的能量比（最大輻射功率與最小接收電平之比）可達200 dB之多，雜波（或諧波）能量比（雜波輻射與最小接收電平之比）接近150 dB，這就意味著要保證兩個不同頻段的平面陣天線不存在雜波干擾，必須提供大于150 dB的隔離度，這種要求即使在端射情況下也很難滿足，必須要考慮附加的控制措施。另外，布置于島式上層建筑的平面陣天線與艦上其它的離散天線會產(chǎn)生新的相互作用。由于平面陣特性的輻射機理與反射面天線不同，因此在平面陣之間、平面陣與離散天線之間會通過新的耦合機理和途徑產(chǎn)生新的強近場環(huán)境的電磁干擾特征，對艦載天線和電子設備的優(yōu)化布置產(chǎn)生重大影響。

2 電磁分析

通過以上對采用射頻集成技術艦船的電磁特性進行的討論，認識到平面陣天線裝艦不僅使艦船存有傳統(tǒng)艦船的電磁特征，而且還表現(xiàn)出特有的電磁特征。對于傳統(tǒng)艦船的電磁特征，我們已具備了相應的技術和控制能力，但射頻集成技術的應用使艦船具備了很多新的特有電磁特征，其控制技術存在諸多難點，已超出了現(xiàn)有的技術能力，成為目前艦船電磁兼容性研究的新課題。為解決該問題，必須突破的關鍵技術將涉及輻射源、耦合途徑和敏感設備的電磁分析、建模與試驗驗證等方面。

此時，電磁分析需要計入艦船物理環(huán)境和天線布置狀態(tài)的影響。例如，平面陣間的電磁耦合發(fā)生在兩個陣邊緣，因此在分析平面陣天線的輻射特性時應側重于對其端射的分析，需要研究多陣元在布置環(huán)境中的綜合輻射效應。當電磁波在兩個共面布置的平面陣天線間傳播時，它的傳播模式不能用簡單的自由空間傳播理論分析，需要考慮平面陣間介質(zhì)（如吸波材料、金屬等）的影響。國外在這方面的研究認為陣面間的耦合是以表面波的方式傳輸，由于表面波在金屬表面?zhèn)鬏敃r會在金屬表面激勵感應電流并且場和電流互相激發(fā)，使傳播方向上場的能量衰減較小，因此波可以傳輸較遠的距離。以上僅僅是定性分析，相應的定量分析涉及較復雜的電磁、天線和傳輸理論。

5）對于平面陣天線的優(yōu)化布置，在沒有相關標準可以依從的情況下，通過試驗方法獲取一些典型的數(shù)據(jù)，在試驗中通過改變平面陣天線的相對方位和距離，測量在不同方位或距離時的天線間隔離度，也可作為平面陣天線布置的基礎數(shù)據(jù)。

作品在設計和開發(fā)過程中，各個組員要保留好每一步相關的文檔資料。在提交階段，需要從整個作品的角度對文檔進行組織，此時可以將之前的文檔利用起來，要完成作品的測試文檔。大賽一般還要提供作品的演示視頻，在錄制視頻時，要邊演示邊講解，盡可能讓評委全方位地了解作品的真正技術和方法。完成這些后，根據(jù)要求將作品源碼和文檔資料一并上傳到指定的服務器。

3 電磁控制

以上分析主要是基于采用平面陣天線的射頻集成技術，這種技術主要是將傳感器與艦船上層建筑進行集成，將天線和艦船總體的隱身設計融為一體。不同頻段和數(shù)量較多的平面陣天線構成了艦船平臺最大的電磁系統(tǒng)，是艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，因此，提升平面陣天線裝艦的綜合電磁兼容性非常重要。針對平面陣天線裝艦的電磁兼容性問題，主要從設備和艦船總體兩方面進行控制和管理，并且兩者具有密切的相關性：總體向設備提出電磁兼容性要求或布置環(huán)境，設備需按要求進行電磁兼容性設計。艦船總體對干擾的控制主要通過在多種約束（有些可能是相互矛盾的約束）條件下對天線進行優(yōu)化布置來實現(xiàn)，其中最重要的指標是空間隔離度。在傳統(tǒng)艦船中，是依據(jù)相關的標準設計天線間的空間隔離度，但在采用平面陣天線布置的艦船平臺上，目前還沒有可依據(jù)的設計標準，因而平面陣天線在艦船平臺布置的合理性還無法評估。目前，比較可行的做法是通過試驗方法獲取一些典型的數(shù)據(jù)，在試驗中通過改變平面陣天線的相對方位和距離，測量在不同方位或距離時的天線間隔離度并作為平面陣天線布置的基礎數(shù)據(jù)。

除上述理論研究外，美國于上世紀90年代已開始開展先進多功能射頻集成系統(tǒng)電磁兼容性驗證試驗研究，建立了1∶1模擬演示試驗床，試驗或驗證的項目包括：寬帶陣面天線輻射特性、敏感特性、電磁干擾效應和系統(tǒng)鏈路等。為進一步提升模擬試驗驗證的準確性，開發(fā)了半物理電磁分析工具，將電磁環(huán)境效應數(shù)據(jù)引入作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬試驗中，以評估對探測設備性能的影響。射頻集成技術已成為世界海軍未來發(fā)展的方向，相關的電磁兼容性研究還處于“進行時”階段。美海軍在《21世紀上半葉美國海軍水面戰(zhàn)設計方略的頂層研究》報告中，針對集成化甲板面設計，指出在甲板面集成電磁設計中，用于計算天線互耦、探測設備由于電磁干擾而性能下降以及其它電磁環(huán)境效應（E3）問題的物理模型都基于和利用大量的中央處理器資源。為了參與合作設計演練和模擬試驗，電磁設計需要開發(fā)相關的電磁分析工具，將電磁環(huán)境效應數(shù)據(jù)引入作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬試驗中，以評估對探測設備性能的影響。

4）為解決平面陣天線帶來的新問題，必須突破的關鍵技術將涉及輻射源、耦合途徑和敏感設備的電磁分析、建模與試驗驗證等方面，電磁分析需要計入艦船物理環(huán)境和天線布置狀態(tài)的影響。

我和李詠雖說不是青梅竹馬，也算得上一塊兒長大。當年我十八，他十九，我屬雞，他屬猴，進大學沒倆月就談上了戀愛。我爸一提起這事兒就憂心忡忡：“老話說，雞猴不到頭兒。你們啊，哎……”

實際上，解決控制射頻集成技術電磁兼容性問題最有效的方法是研制射頻集成多功能綜合射頻系統(tǒng)，美國在這方面已有階段性成果。多功能綜合射頻系統(tǒng)是將多個不同頻段的傳感器共用一個孔徑，其中電磁兼容性設計是該系統(tǒng)研制中的重要一環(huán)，并與系統(tǒng)的功能同步設計，或者說在系統(tǒng)的功能、結構、布置等設計中綜合采用電磁兼容性設計和控制技術，對發(fā)現(xiàn)的電磁兼容性問題采用統(tǒng)一的方法及早解決。系統(tǒng)由許多設備和傳感器組成，可能采用的控制措施多種多樣，某些設備的控制措施可能會對其它設備產(chǎn)生影響。因此，要對系統(tǒng)中采用的控制措施進行統(tǒng)一的規(guī)劃和實施。多功能綜合射頻系統(tǒng)和平面陣天線應用于艦船之后所帶來的電磁兼容性問題是不同的，前者主要是“前門干擾”問題，后者則主要是“后門干擾”問題。解決這類問題的主要措施是將屏蔽、濾波、接地等技術進行綜合應用，目前，這類控制措施在技術、材料和工藝上都已有創(chuàng)新和發(fā)展，這些新技術對控制多功能綜合射頻系統(tǒng)中的內(nèi)部電磁干擾非常有效，但我國在這方面的研究還有一定的差距。為了滿足該系統(tǒng)的電磁兼容性設計需要，應盡早開展這方面的前期研究。

研究區(qū)由于受多期造山事件影響，巖漿活動頻繁，總出露面積65%左右。基性、超基性、中—酸性巖漿侵入活動和火山噴發(fā)活動都有，成因類型復雜。近年來的研究進一步表明，東昆侖造山帶印支晚期是一個重要的成礦期，也是最具找礦潛力的成礦期，與區(qū)內(nèi)已知礦床點成礦期大致相當[3]。

4 結 語

本文以平面陣天線為射頻集成系統(tǒng)的典型研究對象，從電磁兼容性層面分別研究分析了平面陣天線裝艦的電磁特性，平面陣天線與傳統(tǒng)離散天線裝艦布置方式的區(qū)別，以及平面陣天線間主要的電磁干擾耦合方式。通過分析提出：

首先，電磁環(huán)境分布表征出新的特征，即由原來的離散分布趨于相對集中分布。艦船上的電磁環(huán)境分布通常依從于天線的布置方式，采用射頻集成技術的艦船通常將島式上層建筑作為天線的主要布置區(qū)域，大量的平面陣天線按頻段由低向高布置于上，此時，可以將整個島式上層建筑視為一個大功率的、寬帶的輻射源。這使得島式上層建筑區(qū)域及其附近區(qū)域相對艦船其它部位呈現(xiàn)出復合高場強區(qū)，改變了傳統(tǒng)艦船高場強離散分布的特征。這對一些必須布置于島式上層建筑的其它設備而言，可能需要進行電磁兼容性加固設計。另外，由于天線的集中布置，使得電磁環(huán)境由原來的艦面分布向高空間分布發(fā)展，呈現(xiàn)出立體的分布特性，這可能會對艦載導彈發(fā)射和艦載機的起降初期產(chǎn)生潛在的電磁危害。因此，艦船在進行總體電磁環(huán)境設計時，不僅需要考慮艦面關鍵設備處的電磁環(huán)境，而且還需考慮艦載機起降和導彈飛行空間的電磁環(huán)境。

對照組使用常規(guī)護理措施，所涵蓋的護理項目和措施有健康告知、基礎護理操作、反應各項生命體征和身體指標的實時監(jiān)測[1]。觀察組的在實施上述護理操作的同時，輔之必要的心理護理操作，主要涵蓋的護理項目有：（1）滿足患者合理需求，消除負面情緒和負面影響，促進患者適應能力的提升[2]；（2）借助于交流、溝通、啟迪的方式完成對患者的針對性心理護理，促進患者自我護理能力的提升。（3）依據(jù)評估-計劃-實施-評價等步驟，對患者開展個性化的心理護理。

2）天線的集中布置使電磁環(huán)境由原來的艦面分布向高空間分布發(fā)展，呈現(xiàn)出立體分布特性，可能會對艦載導彈的發(fā)射和艦載機的起降初期產(chǎn)生潛在的電磁危害。

3）島式上層建筑的平面陣天線與艦上其它的離散天線會產(chǎn)生新的相互作用，產(chǎn)生新的強近場環(huán)境的電磁干擾特征，對艦載天線和電子設備的優(yōu)化布置產(chǎn)生重大影響。

在空間或區(qū)域極為有限的情況下，可供增大的空間隔離度極為有限，必須采取其它措施來減小天線間的空間耦合，或者阻斷和減小平面陣天線間表面波的傳輸。在由空氣和金屬構成的邊界條件中，表面波的主要能量集中在導體附近。利用該特性，可以對表面波進行抑制。目前，抑制表面波傳輸?shù)姆椒ㄓ袃煞N：涂覆吸波材料和改變波的傳輸方式。前者根據(jù)兩平面陣天線可能產(chǎn)生干擾的頻段，在波的傳輸路徑上涂覆相應頻段的吸波材料，通過吸波材料的作用減小電磁波的傳輸和耦合能量。涂覆吸波材料法在一定程度上改變了由金屬和空氣組成的表面波傳輸環(huán)境，但其對抑制平面陣陣元間的射線耦合所起的作用有限。后者根據(jù)表面波在傳輸過程中遇到不連續(xù)的邊界條件時會產(chǎn)生輻射效應而減小傳輸能量，因此將兩平面陣天線間的連接平面用波紋結構替代，使表面波在傳輸過程中不斷地將傳輸能量轉換為輻射能量而減小。在實際中，平面陣天線上艦后的電磁兼容性問題極為復雜，國外除了強化各裝艦設備的電磁兼容性設計、總體的優(yōu)化布置和采取相應的控制措施之外，還提出了對上層建筑的空間和頻譜的管理。通過管理，可以防止各天線陣之間的相互干擾和更好地控制上層建筑的輻射場特征。

在艦船射頻集成的電磁研究方面，國外已取得了一些成果。例如，日本在實驗室環(huán)境下采用高頻技術和試驗對處于復雜結構體上的多陣元耦合進行了研究，證明在一些典型情況下可以采用UTD技術計算陣元的耦合。為了支援甲板上信號特征控制、電磁效率和電磁工程設計，作為艦載集成系統(tǒng)組成研制（Ship Integrated System Compo?nent Development）計劃的一部分，美國海軍從上世紀末就開始投資研制建模和仿真工具VIPER。VIPER是集成的、基于物理學的電磁輻射軟件，具有先進的電磁工程分析能力，能精確預測艦船集成甲板上平面陣天線的最佳排列并使電磁干擾最小，基本滿足DD（X）和其它未來水面戰(zhàn)艦進行射頻集成甲板電磁兼容性設計的要求。另外，為將艦船甲板面上的系統(tǒng)集成進綜合桅桿，泰利斯公司提供了一份可行性研究與設計方案，使艦上傳感器、天線和武器設備能夠進行配置優(yōu)化。

6）在空間或區(qū)域極為有限的情況下，可供增大的空間隔離度極為有限，必須采取涂覆吸波材料和改變波的傳輸?shù)确绞揭种票砻娌ǖ膫鬏敚虿扇∑渌拇胧﹣頊p小天線間的空間耦合。

老鄧嚯嚯地笑：你會查清楚？難道說你們請我們來是分臘肉的，還是分白糖的？甲洛洛怔怔地看著老鄧，半天說不出話來。丁主任趕緊圓場：這個肯定會照顧你們，你們工作那么辛苦，我們怎么可能不體諒你們呢！老鄧哈哈大笑：我開個玩笑，開個玩笑，你們可千萬別當真。氣氛一下緩和多了，后面依次問到嘎絨和西西的時候，老鄧一直溫和地笑，溫和地點頭，有時還溫和地接上一句：這樣好！這是應該的！

7）除了強化各裝艦設備的電磁兼容性設計、總體的優(yōu)化布置和采取相應的控制措施之外，還需要加強對上層建筑的空間和頻譜的管理，防止各天線陣之間的相互干擾，更好地控制上層建筑的輻射場特征。

8）除此之外，研制射頻集成多功能綜合射頻系統(tǒng)也是解決控制射頻集成技術電磁兼容性問題的有效方法之一。

本次試驗中采用PE為皮層材料，在復合纖維中主要起熱熔黏合作用，同時賦予PE/PA6復合纖維爽滑的手感，采用PA6為芯層材料，主導纖維的力學性能。本試驗改變纖維的復合比例，其他紡絲條件保持不變，紡絲效果如表2所示。

與射頻集成技術相關的電磁兼容性問題是復雜和全新的，本文僅對平面陣天線上艦可能存在的潛在電磁兼容性問題進行了分析討論，提出了初步的解決和控制措施，更多的努力是要針對這些問題開展具體的研究和試驗工作，為解決高度集中布置的陣列化天線之間電磁兼容性，發(fā)揮陣列化天線與艦船上層建筑共形一體化設計后的射頻效能提供技術支撐。

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Electromagnetic Compatibility Issues and Control Measures Related to Arrangement of Shipboard Plane Array Antennas

SONG Dong-an ZHANG QiWEN Ding-e FANG Chong-hua

Science and Technology on Electromagnetic Compatibility Laboratory，China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper discusses a number of issues related to EMC design of surface ship by presenting a study on the integration of plane array antennas from an EMC perspective that includes electromagnetic characteristics of plane array antennas，difference of configurations adopted by ship-based plane array an?tenna and traditional discrete antenna，as well as main coupling patterns of electromagnetic interference（EMI）produced by plane array antennas.The analysis of plane array antenna in ship applications show that it will make high intense E field distribution altering from discrete distribution to concentrative and tri?dimensional，and also change the isolation characteristic of the antennas and produce a new intense near-field environment as well as significantly influence the arrangement of antennas and electric devices on ship.In order to meet these new requirements，it is necessary to have some critical approaches avail?able for analysis，including modeling and test validation of EM characteristics，radiant sources，coupling patterns and sensitivity equipment.The following considerations are also taken into account in EM analy?sis，i.e.the ship physical environment and antenna arrangement.The isolation performance of antennas could be obtained by testing in different conditions and treated as reference when plane array antennas are placed for lack of relative standards，and the EMC could also be controlled through suppressing surface waves.Additionally，managing the superstructure space and frequency spectrum are also needed to prohib?it mutual interference between plane array antennas.

EMC；antenna array；shipboard RF integration system；isolation control

U665.2

A

1673－3185（2012）03－15－04

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.003

2011－05－05

國家部委基金資助項目（×××20110002）

宋東安（1958－），男，博士，研究員。研究方向：艦船總體電磁兼容性預測分析與設計。E?mail：emceditor@126.com

張 崎（1981－），女，碩士，工程師。研究方向：艦船電磁兼容試驗研究。E?mail：zhangqi0225＠yahoo.com.cn

宋東安。

［責任編輯：喻 菁］