艦船通信系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)

劉滿堂,尋 遠(yuǎn),劉 悅

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036;2.成都天奧信息科技有限公司, 成都611731)

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是海陸空天多維立體戰(zhàn)爭(zhēng),海上力量不可忽視,艦船平臺(tái)是海軍作戰(zhàn)的核心,其作戰(zhàn)效能依賴于以通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),保障系統(tǒng)和作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)地位。電子信息技術(shù)的發(fā)展使艦載電子系統(tǒng)的功能增強(qiáng),系統(tǒng)架構(gòu)也變得復(fù)雜,各電子系統(tǒng)使用頻譜都趨于擁擠。另外,電子偵察手段多樣化和技術(shù)的提高使空中、海上作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)偵察能力顯著增強(qiáng),為了艦船隱身和作戰(zhàn)效能發(fā)揮,艦載電子系統(tǒng)電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文將對(duì)此進(jìn)行研究。

2 艦船通信系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)必要性

艦載環(huán)境下通信系統(tǒng)與其他艦載電子系統(tǒng)共同完成作戰(zhàn)使命,這體現(xiàn)了其系統(tǒng)性、綜合性、特殊性、復(fù)雜性和適裝性, EMC 設(shè)計(jì)的意義在于以下幾方面。

(1)海上環(huán)境惡劣

惡劣的海洋環(huán)境對(duì)艦船通信系統(tǒng)破壞嚴(yán)重影響屏蔽性能,導(dǎo)致系統(tǒng)兼容性差;鹽霧腐蝕導(dǎo)致無(wú)源非線性干擾同樣使系統(tǒng)兼容性下降。

(2)共址干擾

艦船電子設(shè)備量多,且功率大,構(gòu)成了相互寬頻段電磁干擾。當(dāng)共址發(fā)射機(jī)較少時(shí),主要地磁干擾(EMI)降級(jí)來(lái)源于發(fā)射機(jī)噪聲、接收機(jī)減敏和交叉調(diào)制。隨發(fā)射機(jī)數(shù)量增加,互調(diào)會(huì)變成主要的EM I問(wèn)題。

顯然,數(shù)十個(gè)發(fā)射機(jī)共址工作,互調(diào)導(dǎo)致的電磁干擾(EMI)問(wèn)題將非常嚴(yán)重。

(3)寬帶騷擾

通信系統(tǒng)是電磁敏感系統(tǒng),且其頻譜幾乎覆蓋從高頻至微波整個(gè)頻段,但是,艦船上各種放電、脈沖、尖峰、瞬變、諧波等所產(chǎn)生的電磁能量同樣覆蓋了很寬的頻段[1],它們不但干擾通信系統(tǒng)并產(chǎn)生交調(diào)。通過(guò)EMC 設(shè)計(jì)控制和抑制寬帶騷擾才能保證艦船通信系統(tǒng)正常工作。

(4)編隊(duì)艦船間相互干擾

編隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)對(duì)通信與信息交換能力提出了很高的要求,通信向?qū)拵?、高速率及多網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展,通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗設(shè)備之間易互相干擾。

高數(shù)據(jù)率和寬帶通信意味著多通道同時(shí)工作,頻帶占用寬;可靠的抗干擾數(shù)據(jù)通信和組網(wǎng),要求加大發(fā)射功率,提高接收靈敏度。當(dāng)聯(lián)合編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí),區(qū)域內(nèi)各型艦船輻射信號(hào)和帶外輻射所導(dǎo)致的艦船間干擾將會(huì)比較嚴(yán)重。

3 艦船通信系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)技術(shù)

通常可以采用軟件技術(shù)和硬件加固措施保障艦船通信系統(tǒng)電磁兼容性:軟件運(yùn)算優(yōu)化配置艦船電子設(shè)備位置,使相互電磁干擾降到最低程度,但不一定完全消除;利用硬件加固方式將所剩余的電磁干擾消除,以保證各通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行和不間斷的正常工作,及有效地消除可探明的外來(lái)電磁干擾。

3.1 軟件技術(shù)

EMC 仿真軟件集建模、仿真和優(yōu)化為一體,用仿真代替實(shí)驗(yàn),利用仿真結(jié)果,為解決艦船通信系統(tǒng)使用中EMI 問(wèn)題尋找技術(shù)途徑。當(dāng)前,商業(yè)的EMC 仿真軟件大多采用模塊化設(shè)計(jì),不同的模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能,用戶可以根據(jù)需要選擇模塊自己進(jìn)行軟件配置。以下簡(jiǎn)單介紹幾種典型的仿真軟件技術(shù)特征。

(1)FEKO(任意復(fù)雜電磁場(chǎng)計(jì)算)仿真軟件

FEKO 軟件是針對(duì)天線設(shè)計(jì)、布局與EMC 分析的專(zhuān)業(yè)電磁場(chǎng)分析軟件,以電磁場(chǎng)積分方程和經(jīng)典矩量法為基礎(chǔ),采用了多層快速多級(jí)子算法,既保持精度又具有較高計(jì)算效率,并將矩量法與經(jīng)典的高頻分析方法無(wú)縫結(jié)合,非常適合于分析天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)散射截面(RCS)、開(kāi)域輻射、電磁兼容中的各類(lèi)電磁場(chǎng)分析問(wèn)題。

(2)FLO/EMC Design Class Electromagnetic Analysis Software for Electronics

FLO/EMC 是專(zhuān)業(yè)針對(duì)系統(tǒng)級(jí)EMC 分析的分析軟件,主要用于系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容分析。由Flomerics Ltd.公司設(shè)計(jì),可進(jìn)行元件、模塊、系統(tǒng)、天線的EMC 分析設(shè)計(jì),采用時(shí)域傳輸線矩陣分析方法,電磁場(chǎng)和電流的2D 和3D 可視化模擬,機(jī)殼的屏蔽效能分析等,可快速進(jìn)行模型配置、電路和電線建模、狹縫建模、自動(dòng)生成網(wǎng)孔、電路建模以及屏蔽效能分析等。

(3)艦船頻率指配軟件

艦船通信系統(tǒng)頻譜擁擠主要表現(xiàn)在頻率資源短缺和缺乏科學(xué)有效管理兩方面,為有效進(jìn)行頻譜管理保障利用率,20 世紀(jì)80 年代國(guó)外開(kāi)始艦船頻點(diǎn)指配算法的研究,研究初期和中期僅限于指配給提出需求的用戶比較“干凈”的頻點(diǎn)(受潛在干擾最小的頻點(diǎn))[2]。這種方法可能會(huì)保障現(xiàn)有狀態(tài)下兼容工作,但不能保證對(duì)未來(lái)頻譜指配有利,也許會(huì)使將來(lái)頻譜指配變得非常困難,不利于頻譜有效利用。因此,國(guó)際上開(kāi)展基于EMC 分析算法的頻率指配新技術(shù)研究,這種頻率指配主要特點(diǎn)是:采用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)展全面詳細(xì)EMC 分析,既保證頻譜秩序,又兼顧頻譜利用率;不以“無(wú)干擾”為頻點(diǎn)指配依據(jù),以系統(tǒng)能夠承受的最小干擾-干擾概率為依據(jù);當(dāng)前頻點(diǎn)指配兼顧未來(lái)頻譜應(yīng)用及管理難度。

基于EMC 分析算法的頻率指配,依靠計(jì)算機(jī)分析和算法技術(shù)支持,為艦船通信指揮人員提供高層次、智能化的頻率管理方法,具有很好的應(yīng)用前景。

3.2 硬件加固技術(shù)

3.2.1 共址干擾對(duì)消技術(shù)

大型艦船由于使用需求配置了多頻段、多功能的各種通信系統(tǒng),當(dāng)獨(dú)立通信設(shè)備收發(fā)分時(shí)工作狀態(tài)下,其發(fā)射機(jī)帶外亂真信號(hào)可能進(jìn)入另一個(gè)系統(tǒng)接收機(jī)帶內(nèi),不同用途的通信設(shè)備同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)和交調(diào)信號(hào)進(jìn)入某處于接收狀態(tài)的接收機(jī)通帶內(nèi)形成干擾,造成系統(tǒng)不能正常工作。傳統(tǒng)的解決方法是減弱收發(fā)天線之間的耦合或者收發(fā)分時(shí)工作,但是增加天線之間隔離度受多種條件限制,特別是天線數(shù)量多,安裝空間有限,收發(fā)分時(shí)工作意味著減少接收機(jī)正常接收時(shí)間,影響通信效率。共址干擾對(duì)消技術(shù)(Cosite Interference Cancellation,CIC)采用相關(guān)對(duì)消原理,具有保留有用信號(hào)抵消干擾信號(hào)的能力,是解決艦船通信系統(tǒng)共址干擾問(wèn)題的有效途徑[3]。

對(duì)消基本原理是通過(guò)對(duì)發(fā)射端取樣,并對(duì)其進(jìn)行相位及幅度調(diào)整,并對(duì)消接收端的干擾信號(hào)。這種對(duì)消技術(shù)只能解決發(fā)射機(jī)的主發(fā)射對(duì)接收機(jī)的鄰道干擾問(wèn)題,無(wú)法改善發(fā)射機(jī)寬帶噪聲對(duì)接收機(jī)的影響。

當(dāng)多部設(shè)備共址工作,且發(fā)射、接收天線分開(kāi),多部設(shè)備共用接收天線,需要采用多通道對(duì)消技術(shù),如圖1 所示[4]。采用對(duì)消技術(shù)可以有效降低主發(fā)射信號(hào)對(duì)其他設(shè)備靈敏度接收的影響。

圖1 多通道對(duì)消原理框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel cancellation

雖然對(duì)消技術(shù)能夠減小主發(fā)射強(qiáng)信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響,但如果設(shè)備寬帶噪聲指標(biāo)較差, 艦船EMC設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮發(fā)射機(jī)的寬帶噪聲干擾問(wèn)題。梳狀限幅合路器/梳狀限幅放大合路器(CLIC/CLAC)射頻分配技術(shù)能夠消除發(fā)射機(jī)帶外噪聲對(duì)接收機(jī)的影響。

3.2.2 射頻分配技術(shù)

FH 通信系統(tǒng)獨(dú)立使用時(shí),具有抗干擾能力。但FH 通信系統(tǒng)工作頻率范圍寬,發(fā)射機(jī)末級(jí)功放和接收機(jī)前端都是寬帶的,當(dāng)多個(gè)FH 通信系統(tǒng)共址工作可能引起嚴(yán)重的EMI 問(wèn)題:

(1)發(fā)射機(jī)寬帶噪聲,可能影響接收機(jī)建立和保持同步的能力;

(2)大EMI 信號(hào)使接收機(jī)前端飽和減敏, 影響接收機(jī)建立保持同步的能力;

(3)強(qiáng)EMI 信號(hào)在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)射頻部分產(chǎn)生互調(diào)和交調(diào)產(chǎn)物。

為了解決艦載平臺(tái)多鏈路通信系統(tǒng)的射頻分配問(wèn)題,SENTEL 公司研制了解決共址EM I 問(wèn)題的“限幅合路器和梳狀線性放大合路器”(CLIC/CLAC)[5]。CLIC/CLAC 結(jié)構(gòu)允許多達(dá)16 部電臺(tái)連接到一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線,降低共址EMI 問(wèn)題發(fā)生概率,減少艦船頂部天線的數(shù)量,從而減小艦船的雷達(dá)截面。

在接收端,CLIC 用于將多部接收機(jī)連接到一副天線;在發(fā)射端,CLAC 用于將多部發(fā)射機(jī)連接到另一副天線。CLIC/CLAC 的連接框圖見(jiàn)圖2。

圖2 CLIC/CLAC 的原理框圖Fig.2 Block diagram of CLIC/CLAC

CLIC/CLAC 具有機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性好、性能優(yōu)越的特性。相比之下,以往RF 分配技術(shù)局限于工作在限制頻段的多路耦合器,連接單一類(lèi)型的電臺(tái)到指定的天線。

4 案例分析

美國(guó)海軍研制的多功能電磁輻射系統(tǒng)(MERS)封閉式射頻綜合桅桿是艦船電磁兼容性與隱身設(shè)計(jì)的標(biāo)志性成果。MERS 可將原傳統(tǒng)船桅頂和底部桅橫桿部分替換為2.54 m 高的集成結(jié)構(gòu),如圖3 所示。

圖3 傳統(tǒng)桅桿及MERS 綜合天線系統(tǒng)Fig.3 Traditional mast and MERS comprehensive system

MERS 六面體將UHF/VHF 視距通信、敵我識(shí)別(IFF)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)和作戰(zhàn)測(cè)向(DF)4 種功能的天線集成在一個(gè)隱身、重量輕的綜合天線系統(tǒng)中。MERS 在提供新的隱身等性能的同時(shí),重量比傳統(tǒng)桅桿降低了一半。為解決天線集成后收發(fā)設(shè)備之間的共址電磁干擾問(wèn)題,MERS 采用了以下先進(jìn)技術(shù)手段。MERS 系統(tǒng)組成如圖4 所示。

圖4 MERS 系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Block diagram of MERS system

(1)天線共用技術(shù)

射頻天線系統(tǒng)的一體化采用天線共用技術(shù)減小天線數(shù)量,以降低天線布局設(shè)計(jì)難度。艦載通信系統(tǒng)的同頻段鏈路多達(dá)十多條,應(yīng)綜合應(yīng)用功率合成與分離、寬帶多路耦合與隔離等技術(shù),實(shí)現(xiàn)射頻結(jié)構(gòu)和饋電系統(tǒng)的共用。

MERS 系統(tǒng)采用了UHF 多路耦合實(shí)現(xiàn)了UHF發(fā)射天線共用。通過(guò)UHF 與測(cè)向開(kāi)關(guān)矩陣設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了UHF 全向天線與測(cè)向功能天線的共用。

(2)天線布局設(shè)計(jì)

通信天線頻帶范圍寬,品種多,功能差異大,需要開(kāi)展天線集成和共形設(shè)計(jì)。超短波(VHF/UHF)全向天線采用平面化技術(shù),與MERS 側(cè)壁共形。更高頻段的JTIDS 和IFF 采用共形設(shè)計(jì)的環(huán)形相控陣天線。MERS 系統(tǒng)天線布局如表1。

(3)自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)

MERS 采用自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)(AICS),將多路UHF 發(fā)射信號(hào)采樣,對(duì)其幅度和相位進(jìn)行加權(quán)后與從發(fā)天線耦合至接收通道的信號(hào)疊加,以抵消發(fā)射天線耦合至接收通道的干擾信號(hào)。AICS 可實(shí)現(xiàn)30 dB的對(duì)消比, 加上天線隔離設(shè)計(jì)帶來(lái)的最小30 dB的隔離度,可減少共場(chǎng)地發(fā)射機(jī)對(duì)同頻段高靈敏度接收機(jī)的阻塞干擾,在較小信道保護(hù)間隔條件下可保障多路UHF 電臺(tái)同時(shí)工作[6]。

表1 MERS 系統(tǒng)天線布局Table 1 MERS antenna layout

(4)光電隔離

MERS 采用光纖替代傳統(tǒng)的同軸線纜, 用于UHF 電臺(tái)的上下行鏈路和JTIDS 系統(tǒng)。UHF 上行鏈路采用了多路光纖,但是由于AICS 的濾波和天線共用技術(shù),UHF 下行鏈路只需要1 條光纖鏈路。文獻(xiàn)[7]介紹MERS 的光纖系統(tǒng)帶寬大于3.5 GHz,RF 鏈路損耗小于10 dB, 780 MHz 外相位噪聲小于110 dBc/Hz。顯而易見(jiàn),采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)可降低大型艦船甲板設(shè)備至桅桿天線之間連接線纜損耗,同時(shí),可有效降低空間狹小的射頻綜合孔徑體中的線纜束的傳導(dǎo)干擾。

MERS 系統(tǒng)綜合采用天線共用技術(shù)、天線布局設(shè)計(jì)以及自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)和光電隔離等,實(shí)現(xiàn)從VHF 到L 頻段的四大功能系統(tǒng)的同時(shí)兼容工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

20 世紀(jì)30 年代開(kāi)始艦船EMC 技術(shù)研究至今,由于起步早、注重技術(shù)創(chuàng)新,美國(guó)始終處于領(lǐng)先地位,現(xiàn)已將研究范圍擴(kuò)展至包括電磁干擾、電磁易損性、雷電、電磁輻射危害、電磁脈沖、頻譜兼容性等方面。研究美國(guó)海軍EMC 設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展思路和取得的成就,對(duì)于我們開(kāi)展艦船通信系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

基于美軍的研究經(jīng)驗(yàn),為滿足現(xiàn)代艦船作戰(zhàn)需要,艦船EMC 設(shè)計(jì)必須貫穿于艦船設(shè)計(jì)、艦載電子設(shè)備研制、電子系統(tǒng)(包含通信系統(tǒng))集成、作戰(zhàn)系統(tǒng)集成及在艦船上安裝全過(guò)程。采用新體制、新技術(shù)廣泛開(kāi)展大型艦船通信系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì),是現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境下艦船發(fā)揮效能的基本和有效保障條件之一,也是未來(lái)艦船通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。

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