艦船電子系統(tǒng)電磁兼容性問題分析及對(duì)策

摘 要:艦船電子系統(tǒng)電磁兼容是艦船戰(zhàn)斗力的重要保障。本文從電磁干擾產(chǎn)生的原理出發(fā)，詳細(xì)闡述分析了艦船電子設(shè)備干擾產(chǎn)生機(jī)理及傳播途徑，討論了各系統(tǒng)的電磁兼容問題，從硬件軟件兩個(gè)方面為艦船電磁兼容設(shè)計(jì)給出了合理的建議與對(duì)策。

關(guān)鍵詞:艦船電磁兼容 電磁干擾 電磁兼容測試

中圖分類號(hào):TN03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0068-02

Abstract:The EMC(Electromagnetic Compatibility) of system on the shipboard is the important guarantee of battle capability.This paper elaborated the EMI(Electromagnetic interference) mechanism and propagation characteristics，which produced by electronic equipments on the warship，and analysed the system EMC issues.Furthermore，the author provided some reasonable suggestions and counter measure methods from the view of hardware and software.

Keywords:Shipboard Electromagnetic Compatibility，Electromagnetic interference，EMC measurement

隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)的飛速發(fā)展，艦船平臺(tái)電子設(shè)備鋪設(shè)密集，種類繁多，平臺(tái)上電磁信號(hào)強(qiáng)度高、功率大、頻譜展寬，系統(tǒng)間存在的有意、無意干擾急劇增多，電磁環(huán)境十分惡劣。艦船電子系統(tǒng)電磁兼容成為現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)改裝過程中必須考量的一個(gè)重要因素，它不僅影響整個(gè)艦船系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性，甚至可能破壞硬件電路。因此對(duì)艦船電磁環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析，認(rèn)清電磁干擾源及傳播途徑，從工程實(shí)施的角度進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1 艦船電子系統(tǒng)的電磁干擾產(chǎn)生

進(jìn)行電磁兼容性分析，首先必須認(rèn)清電磁干擾是怎樣產(chǎn)生的。從構(gòu)成電磁干擾的機(jī)理出發(fā)，任何系統(tǒng)設(shè)備電磁干擾離不開三個(gè)必要的因素:干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備(受擾體)圖1給出了其示意圖。在艦船上，要抑制電磁干擾實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備間的兼容工作相應(yīng)地從這三方面著手:抑制干擾源、隔斷傳播途徑以及提高設(shè)備抗干擾性能[1]。

1.1 干擾源

艦船上對(duì)應(yīng)的干擾源種類很多，包括功能性干擾和非功能性干擾源。功能性干擾源指系統(tǒng)中某一部分的正常工作所產(chǎn)生的有用能量對(duì)其它部分的干擾，而非功能性干擾指無用的電磁能量所產(chǎn)生的干擾[2]。

(1)各無線電設(shè)備之間信號(hào)互擾;艦船上包括通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、指控等電子設(shè)備，這些設(shè)備波長范圍從米波到毫米、亞毫米波段，各種信號(hào)形式都有，強(qiáng)度差別大，電子設(shè)備本身的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)對(duì)另一設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，各電子設(shè)備信號(hào)在空間產(chǎn)生的諧波互調(diào)，交叉調(diào)制也可以通過無線形式向四周輻射形成電磁干擾。

(2)脈沖數(shù)字電路、開關(guān)電路及頻率振蕩電路干擾，各種電子設(shè)備的頻率源、其他振蕩電路、數(shù)字電路中的基準(zhǔn)時(shí)鐘都屬于電磁輻射干擾源;此外，各設(shè)備變流穩(wěn)壓電路所采用的開關(guān)電源開關(guān)頻率包含豐富的高次諧波，它不僅可以通過公共電流通道進(jìn)入其主系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的電磁輻射能力。受安裝空間限制及艦船一體化設(shè)計(jì)約束，艦載電子系統(tǒng)中脈沖數(shù)字電路、頻率振蕩電路和開關(guān)電路等強(qiáng)干擾源和單片機(jī)、DSP處理器件及大規(guī)模數(shù)字器件等敏感設(shè)備安放在一起從而形成嚴(yán)重自相干擾，甚至使設(shè)備不能正常工作(不僅傳數(shù)據(jù)不可靠或破壞ROM中的數(shù)據(jù)而使系統(tǒng)死鎖，還可能導(dǎo)致硬件破壞)。

(3)設(shè)備線纜間串?dāng)_;由于艦船空間狹窄，線纜分布密集，高頻率、大信號(hào)傳輸時(shí)導(dǎo)致平行的線纜間產(chǎn)生干擾，非平行纜間也可以經(jīng)公共通道(電源、接地、船體)耦合強(qiáng)信號(hào)形成電磁干擾。這種干擾現(xiàn)象在一些小型艦船常見但很難消除。

1.2 電磁干擾的傳播途徑

艦船電磁耦合的基本途徑包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合途徑要求在干擾源與敏感設(shè)備之間有完整的電路連接，該電路可包括導(dǎo)線、供電電源、機(jī)架、接地平面、互感或電容等，只要一個(gè)返回通路將兩個(gè)電路直接連接起來，就會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)耦合，此返回通路可以是另一根導(dǎo)線，也可以是公共接地回路、互感或電容[3]。輻射耦合途徑是干擾源的能量以電磁場的形式傳播的，根據(jù)干擾源與敏感設(shè)備的距離可分為近場耦合模式和遠(yuǎn)場耦合模式，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，設(shè)備的機(jī)殼、機(jī)殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存在輻射耦合。

2 電磁兼容性的解決措施

2.1 硬件電磁兼容性的設(shè)計(jì)

(1)屏蔽

根據(jù)電磁干擾的產(chǎn)生原因，屏蔽設(shè)計(jì)措施包括電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽三種形式[4]。電場屏蔽是用密閉金屬屏蔽層把主干擾電路包起來，在艦載電子系統(tǒng)中，各種電源線都應(yīng)加上金屬層屏蔽套，各種弱信號(hào)電纜也應(yīng)進(jìn)行屏蔽處理，以增強(qiáng)其抗電磁干擾性能。

磁場屏蔽針對(duì)低頻電路而言，通常采用具有一定厚度的高導(dǎo)磁性材料制作的密封容器。通信系統(tǒng)中的電源變壓器，天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的磁場為低頻磁場，必須采用磁場屏蔽的辦法，用鐵磁材料把干擾器件包起來。

電磁屏蔽主要針對(duì)高頻電磁輻射而言，其原理是電磁波傳播的路徑上放置金屬環(huán)，使入射電磁波在傳輸線表面產(chǎn)生一個(gè)渦流，這些渦流產(chǎn)生的電磁場抵消入射電磁波的電磁場，從而屏蔽住位于屏蔽層內(nèi)的電路。

因此，在實(shí)際艦船電子環(huán)境中應(yīng)視不同情況采取不同的屏蔽措施，對(duì)開關(guān)電源采用1mm厚的鍍鋅鋼板進(jìn)行屏蔽;對(duì)CRT顯示器把陰極射線管屏蔽殼與機(jī)箱連成一體，能有效地實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，使顯示的圖像參數(shù)不受周圍雜散磁場的影響。同時(shí)必須采用覆蓋細(xì)金屬絲網(wǎng)或?qū)щ姴ＡУ姆椒ㄗ柚龟帢O射線管輻射的電磁能量穿透計(jì)算機(jī)顯示屏對(duì)其他系統(tǒng)造成干擾，各種電子設(shè)備金屬機(jī)殼應(yīng)結(jié)構(gòu)緊密形成良好屏蔽以減少設(shè)備電磁向外輻射。

(2)濾波

采用濾波器，防止本系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾通過公共電源通道傳到其它電子系統(tǒng)中，從而解決電源線、信號(hào)線的傳導(dǎo)干擾問題。

3)搭接

在兩金屬物體之間建立一條供電流流動(dòng)的低阻抗連續(xù)通路，主要目的是保護(hù)設(shè)備與人身安全，防止雷電的危害，降低機(jī)箱和機(jī)殼射頻電流。為便于設(shè)備的維修，拆卸方便，可以采用螺釘、鉚釘或其它輔助零件進(jìn)行半永久性搭接。變壓器搭接是接地屏蔽等措施有效發(fā)揮作用的基本要素，一般接地電阻應(yīng)達(dá)到級(jí)。

(4)接地

將設(shè)備和艦船上的公共金屬部件(零電位參考面)之間建立連接，使整個(gè)通信系統(tǒng)有一個(gè)公共的零電位基準(zhǔn)面，給高頻干擾電壓提供一個(gè)低阻抗通路，使系統(tǒng)免受干擾，防止雷電或高壓設(shè)備出故障危及設(shè)備安全。良好的接地還是保證屏蔽、搭接、濾波等電磁兼容設(shè)計(jì)有效地基本要素。

(5)設(shè)備合理布局和布線處理

除了考慮機(jī)柜結(jié)構(gòu)重心因素外，必須從電磁兼容角度對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理布局，使變頻器、時(shí)鐘源、電源變換器、DSP處理器等強(qiáng)干擾設(shè)備和監(jiān)控計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、接收機(jī)等敏感設(shè)備在空間上盡量遠(yuǎn)離。

另外，系統(tǒng)線纜種類多、密集、布線難度大，各種線纜間容易互相干擾，一般施工中為美觀常將走向方向相同的線捆在一起。但是，若將高低壓線、強(qiáng)弱信號(hào)線、交直流信號(hào)線捆扎在一起，必形成相互間干擾、影響系統(tǒng)正常工作，應(yīng)將同一功能及電壓、等級(jí)相近的信號(hào)線、強(qiáng)電控制線、高壓電源線有大電流負(fù)載線分別歸類，捆扎在一起。

2.2 軟件電磁兼容性設(shè)計(jì)

優(yōu)點(diǎn)在于不需硬件資源，不改變硬件環(huán)境，不需對(duì)干擾源精確定位，因此以簡化電路設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法不僅靈活、方便，而且在有些情況下可以解決硬件電路無法解決的電磁干擾問題。

缺點(diǎn)是耗費(fèi)時(shí)間，因軟件設(shè)計(jì)主要利用數(shù)字濾波代替硬件濾波，用重復(fù)讀取、比較來判斷輸入、輸出，因此多付出時(shí)間，在已引起硬件破壞而使ROM、RAM中數(shù)據(jù)缺失時(shí)軟件抗干擾將不起作用。

(1)軟件電磁兼容性的主要措施

①軟件陷井法。在程序的適應(yīng)地方加一些陷井語句和陷井出口語句，這些語句不影響程序的正常運(yùn)行，在計(jì)算機(jī)、單片機(jī)受到強(qiáng)電磁干擾時(shí)，程序會(huì)死鎖，當(dāng)程序運(yùn)行一旦落入預(yù)設(shè)的陷井中，因陷井出口是設(shè)計(jì)者都預(yù)先設(shè)定的，因此程序進(jìn)入可控階段，如果陷井出口即系統(tǒng)程序自恢復(fù)的入口，則系統(tǒng)程序就可重新自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

②時(shí)間計(jì)數(shù)法。當(dāng)計(jì)算機(jī)程序受到電磁干擾進(jìn)入死循環(huán)，時(shí)間計(jì)數(shù)法對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)非常有效，可以先設(shè)計(jì)一個(gè)超時(shí)處理程序，先對(duì)定時(shí)器初始化處理(設(shè)定定時(shí)常數(shù))然后啟動(dòng)定時(shí)并開始執(zhí)行正常的程序。當(dāng)程序死鎖時(shí)，將導(dǎo)致計(jì)時(shí)器溢出，輸出一個(gè)超時(shí)信號(hào)，然后CPU按設(shè)計(jì)者設(shè)立的處理方案進(jìn)行報(bào)警并使系統(tǒng)重新恢復(fù)。

③軟件數(shù)字濾波法。軟件濾波法只需利用計(jì)算技術(shù)，不僅可以省去硬件，而且可以消除頻率很低的干擾(如幾HZ以下的低頻干擾)具體做法是按一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，可通過對(duì)一個(gè)輸入數(shù)據(jù)分兩輪進(jìn)行采樣，每次采樣4次，將每一次采樣數(shù)據(jù)按大小排列，去除最大值和最小值？原數(shù)平均數(shù)，經(jīng)過一定時(shí)間進(jìn)行第二次采樣，按同樣方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將兩輪采樣的數(shù)據(jù)平均值作為實(shí)際采樣值輸出。

④軟件容錯(cuò)法。大部分干擾都是瞬時(shí)出現(xiàn)的，因此可利用軟件容錯(cuò)法來消除或抑制電磁干擾信號(hào)影響，當(dāng)系統(tǒng)因干擾原因運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)立即對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤的那些過程重新執(zhí)行一次，或在一定的時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)執(zhí)行幾次，一般可以對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，但在系統(tǒng)檢測到錯(cuò)誤時(shí)應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場，保留當(dāng)時(shí)的指令地址及初始數(shù)據(jù)，然后程序計(jì)數(shù)器指針比值回到出錯(cuò)前一步，重新執(zhí)行過程。

2.3 電磁兼容性的EMI測量和EMC試驗(yàn)

(1)電磁兼容設(shè)計(jì)測量。目的主要是檢驗(yàn)硬件電磁兼容設(shè)計(jì)是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，測量內(nèi)容一般有頻譜特性數(shù)量，電磁輻射場強(qiáng)測量，濾波器測量，接地和搭接測量，屏蔽性能測量，電線電纜耦合測量等項(xiàng)。

(2)單臺(tái)設(shè)備或敏感度測量。為了對(duì)電磁干擾心中有數(shù)，有必要對(duì)單臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行敏感度測量[5]。具體做法是將規(guī)定能量的連續(xù)波，調(diào)制到連續(xù)波，尖峰脈沖信號(hào)等電磁干擾信號(hào)注入不同地點(diǎn)。注入地點(diǎn)有電源線、互扎線、地線、機(jī)殼，鍵盤和無線輸入端等部位，測出不同部位對(duì)不同干擾信號(hào)的抗干擾敏感度。

(3)進(jìn)行系統(tǒng)EMC試驗(yàn)，為了檢測整個(gè)通信系統(tǒng)能否滿足電磁兼容性要求，應(yīng)將通信系統(tǒng)各分系統(tǒng)全部開機(jī)，然后檢驗(yàn)通信系統(tǒng)各分系統(tǒng)能否兼容工作，同時(shí)還要檢驗(yàn)?zāi)芊窈推渌到y(tǒng)及其他電子系統(tǒng)兼容工作。

3 結(jié)語

由于艦船電磁環(huán)境條件惡劣，對(duì)電子系統(tǒng)可靠性要求又高，因此電磁兼容性問題是系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，必須從系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，分清哪些是干擾源，電磁干擾是通過什么途徑傳播的，同時(shí)，采取相應(yīng)的屏蔽，搭接，濾波等電磁兼容性措施切斷干擾源的傳播途徑，使各通信系統(tǒng)能相互兼容工作，并不對(duì)其它任務(wù)系統(tǒng)和原有電子系統(tǒng)構(gòu)成干擾。

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①作者簡介:賀健(1978年-)，湖南衡陽人，92854部隊(duì)工程師，主要研究方向:無線擴(kuò)頻通信，艦船電磁兼容與防護(hù)等。