艦船電磁兼容技術(shù)工藝要素與試驗(yàn)＊

朱承邦 華 陽(yáng)

（駐大連426廠軍事代表室 大連 116011）

1 引言

科學(xué)實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到：要使一些電子、電氣設(shè)備共存于一個(gè)有限空間，并能正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各自的功能，必須事先對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行某種約定，即確定電磁兼容（Electro magnetic Compatibility，EMC）指標(biāo)和相應(yīng)的檢測(cè)辦法。于是，人們?cè)趯?shí)踐中花費(fèi)大量精力研究、制定了各種EMC 標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電磁干擾的極限值，也規(guī)定了測(cè)量方法。

電磁兼容（EMC）技術(shù)是以電磁場(chǎng)理論為依據(jù)，以近代統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)為手段，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，涉及到眾多技術(shù)領(lǐng)域的一門(mén)綜合性系統(tǒng)工程。EMC 技術(shù)是在認(rèn)識(shí)電磁干擾、研究電磁干擾和控制電磁干擾的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。第一篇題為“論無(wú)線電干擾”的文章發(fā)表于1881年，距今已有100多年。1887年德國(guó)的電氣工程師協(xié)會(huì)成立了干擾問(wèn)題研究委員會(huì)。1904年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）成立。1934年國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）成立。IEC 和CISPR是典型的有代表性的國(guó)際組織，其目的是促進(jìn)在電氣、電子及有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的所有標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題及其它有關(guān)問(wèn)題上的技術(shù)合作。從那時(shí)起，就開(kāi)始了對(duì)電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行世界性有組織的研究。但是，EMC 作為電子學(xué)中獨(dú)立的一個(gè)分支，還是第二次世界大戰(zhàn)以后的事情。

EMC試驗(yàn)技術(shù)是EMC技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題。1965年，美國(guó)國(guó)防部組織三軍的工程技術(shù)人員和標(biāo)準(zhǔn)化研究人員制定了一個(gè)研究電磁干擾專用術(shù)語(yǔ)、測(cè)試范圍、測(cè)試方法及設(shè)備要求的計(jì)劃。這就是美國(guó)電磁兼容性軍標(biāo)產(chǎn)生的歷史背景。美國(guó)軍標(biāo)從第一次發(fā)布至今已經(jīng)歷了30多年的歷程，先后公布了五個(gè)版本。每個(gè)版本對(duì)測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備的要求都有一定的改進(jìn)。與此同時(shí)，測(cè)試儀器設(shè)備的研制也取得了重大突破，測(cè)試軟件也隨計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展逐步升級(jí)。目前軍品EMC測(cè)試已成為非常規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

近些年來(lái)，一些技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已向EMC技術(shù)發(fā)展的新階段—系統(tǒng)設(shè)計(jì)法階段—發(fā)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)法是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在進(jìn)行電設(shè)計(jì)以前，運(yùn)用電磁場(chǎng)理論分析和計(jì)算方法以及相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境，在電性能和EMC同步設(shè)計(jì)中對(duì)EMC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁，根據(jù)預(yù)估的電磁環(huán)境，下達(dá)設(shè)備、分系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)指標(biāo)，使設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）承擔(dān)EMC 測(cè)試設(shè)備的計(jì)量及場(chǎng)強(qiáng)量值校準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證，并開(kāi)展對(duì)噪聲射頻干擾的仲裁工作。美國(guó)國(guó)防部馬里蘭州的“EMC 分析中心”負(fù)責(zé)向各軍種提供所需的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)和快速分析。應(yīng)該說(shuō)EMC試驗(yàn)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了將測(cè)試數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)的飛躍［2～4］。

水面艦船集雷達(dá)探測(cè)、通信、導(dǎo)航、電子武器、穩(wěn)定平臺(tái)和推進(jìn)等系統(tǒng)于一體，對(duì)艦船總體和系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝能力提出了更高要求，艦船電磁兼容性水平?jīng)Q定了艦船武器的綜合作戰(zhàn)能力。我國(guó)電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝能力及試驗(yàn)?zāi)芰桶l(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大的差距，要提高艦船武器的作戰(zhàn)能力，需要提高總體電磁兼容性設(shè)計(jì)能力，尤其需要改進(jìn)和提高艦船電磁兼容技術(shù)工藝與試驗(yàn)?zāi)芰?，研究和探討艦船電磁兼容技術(shù)工藝要素與試驗(yàn)技術(shù)對(duì)改進(jìn)艦船武器系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性，提高艦船的綜合作戰(zhàn)能力有十分重要的作用。

2 總體方案的電磁兼容性設(shè)計(jì)

在艦船的總體方案設(shè)計(jì)階段，需要向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)，運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)法，即：電子系統(tǒng)或設(shè)備在進(jìn)行電設(shè)計(jì)以前，運(yùn)用電磁場(chǎng)理論分析和計(jì)算方法以及相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境，在電性能和EMC 同步設(shè)計(jì)中對(duì)EMC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁，根據(jù)預(yù)估的電磁環(huán)境，下達(dá)設(shè)備、分系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)指標(biāo)，使設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)［5～6］。

美國(guó)波音飛機(jī)公司聲稱按EMC 預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有90%以上可以直接達(dá)到電磁兼容。提高總體階段的電磁兼容性設(shè)計(jì)，盡可能規(guī)避了不兼容的系統(tǒng)設(shè)備布置在一起，消除了同一艦船平臺(tái)的系統(tǒng)（設(shè)備）之間的干擾，如美國(guó)海軍的宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)，其雷達(dá)、通信、導(dǎo)航及數(shù)據(jù)鏈等使用電磁頻譜的頻譜資源彼此錯(cuò)開(kāi)，基本互不影響，從設(shè)計(jì)源頭解決系統(tǒng)（設(shè)備）的電磁兼容性問(wèn)題，將電磁干擾和危害減至最輕，使全部系統(tǒng)、設(shè)備均能發(fā)揮出效能，達(dá)到了電磁兼容性設(shè)計(jì)目標(biāo)。

方案設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)備的電磁兼容性控制要求，在艦用條件和設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)中進(jìn)行了規(guī)定，要求滿足GJB151A和艦總體的艦用條件及相關(guān)要求，設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，要求設(shè)備滿足艦總體制定的電磁兼容管理控制要求和相關(guān)國(guó)軍標(biāo)要求，設(shè)備出廠（所）前需要完成專門(mén)檢測(cè)，并出具相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告，以保證船廠接收的設(shè)備滿足最基本的電磁兼容性控制要求，同時(shí)，總體電磁兼容性設(shè)計(jì)師可以獲得有關(guān)設(shè)備電磁輻射以及敏感性的狀態(tài)信息。經(jīng)過(guò)電磁兼容性檢測(cè)達(dá)標(biāo)的設(shè)備，才可以向船廠交付。如果經(jīng)檢測(cè)電磁兼容性不達(dá)標(biāo)，則需根據(jù)超標(biāo)項(xiàng)目的具體情況，對(duì)設(shè)備采取相應(yīng)措施進(jìn)行整改，直至滿足要求。之所以嚴(yán)格控制設(shè)備電磁兼容狀態(tài)，是為了避免后期在復(fù)雜使用環(huán)境中相互間產(chǎn)生電磁干擾。

存在的風(fēng)險(xiǎn)是設(shè)備在出廠（所）等進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試時(shí)，其供電和接地等是在一個(gè)相對(duì)較好的環(huán)境中，設(shè)備所需要的電力電源和接地等基本沒(méi)有其它電力設(shè)備或電子設(shè)備的污染，在陸上進(jìn)行的電磁兼容性指標(biāo)測(cè)試合格的設(shè)備，裝船后，全艦所有電子設(shè)備工作時(shí)，有可能存在由于供電電源受到較大污染出現(xiàn)工作不正常的情況。

3 施工設(shè)計(jì)階段電磁兼容技術(shù)工藝要素和要求

艦船建造階段電磁兼容性技術(shù)工藝工作主要側(cè)重于工藝設(shè)計(jì)和工藝施工實(shí)現(xiàn)，其中電磁屏蔽和接地等工藝及施工，對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容性有較大影響，工藝質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，工程試驗(yàn)階段可能導(dǎo)致原先合格的系統(tǒng)設(shè)備裝船后測(cè)試指標(biāo)不合格，武器系統(tǒng)可能存在引信被誤觸發(fā)等安全隱患，電子武器設(shè)備可能不能兼容工作，不能滿足設(shè)計(jì)要求［6～8］。

以下重點(diǎn)從艦船施工建造各環(huán)節(jié)進(jìn)行電磁兼容技術(shù)工藝要素等方面控制，確保相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

3.1 電纜分類與敷設(shè)工藝及控制

主船體成型以后，船廠將進(jìn)行電纜敷設(shè)施工工藝設(shè)計(jì)。需要布設(shè)的電纜一般包括全船布局的供電電纜；局部敷設(shè)的專用電纜；各系統(tǒng)和設(shè)備之間傳遞信號(hào)的控制、數(shù)據(jù)電纜、射頻電纜等。按照功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般將電纜分為：

1）射頻電纜、天線饋線等；

2）設(shè)備模擬信號(hào)線、控制信號(hào)線；

3）數(shù)字信號(hào)線、網(wǎng)線、光纜；

4）交、直流電源線、二次電源線、配電電源線；

5）專用電纜，如消磁電纜。

編制施工工藝時(shí)，必須按照電纜的功能和型譜特性對(duì)其分類，通過(guò)按類別進(jìn)行分束敷設(shè)捆扎，避免相互間產(chǎn)生耦合干擾。對(duì)電纜工藝敷設(shè)應(yīng)做到：

1）同類電纜進(jìn)行同束捆扎敷設(shè)；

2）非同類電纜相互間的間距應(yīng)愈大愈好，一般控制在相距不小于100mm；大功率射頻電纜和敏感電纜之間相距要不小于300mm；

3）電纜交互時(shí)盡可能成直角敷設(shè)；

4）必要時(shí)外加鋼管等電磁屏蔽措施［9～10］。

3.2 設(shè)備、艦面設(shè)施接地工藝要素

水面艦船許多電磁兼容性問(wèn)題，與設(shè)備接地工藝不滿足要求有關(guān)。接地工藝是船廠安裝施工的重點(diǎn)內(nèi)容，工藝過(guò)程需要嚴(yán)格控制。接地可分為電源地、信號(hào)地、機(jī)殼地、屏蔽地、保護(hù)地以及專用的接地系統(tǒng)等。

設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)中對(duì)設(shè)備接地設(shè)計(jì)有專門(mén)要求，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)柜的機(jī)殼地、數(shù)字地和電源地都是分開(kāi)的，并有接地標(biāo)識(shí)和接地柱。在進(jìn)行接地工藝施工時(shí)需要重點(diǎn)查看，接地施工完成后需要檢查接地電阻值是否小于規(guī)定的阻值，接地工藝安裝施工滿足接地電阻值要求十分必要。

工廠在設(shè)備上船安裝時(shí)，根據(jù)總體設(shè)計(jì)提出的電磁兼容性施工設(shè)計(jì)要求，完成各類接地連接。

電子機(jī)柜接地工藝基本要素如下：首先清潔打磨接地平銅片表面直至裸露金屬光澤，清潔的范圍應(yīng)大于墊圈面積的1.5倍，緊接著進(jìn)行鍍錫處理防止氧化，再進(jìn)行螺栓接地或焊接接地，并保證接觸面的直接接觸。甲板或艙壁上焊接的接地螺柱要求為帶突肩的接地螺柱，直徑M8 或M10，材質(zhì)為鋼制或不銹鋼制。

近幾年工廠施工中對(duì)接地平銅片等進(jìn)行接地連接時(shí)，利用外沿雙向帶刺的梅花形墊片，墊在接地平銅片和甲板以及機(jī)殼地之間后再以螺栓緊固，使得兩個(gè)連接面之間可多點(diǎn)良好接觸，簡(jiǎn)化了以前需打磨并防止氧化的工藝方法，接地電阻通常不大于10mΩ，可滿足使用要求。

桅桿、上層建筑、甲板以及露天區(qū)域安裝的天線基座、武器和設(shè)備基座等均應(yīng)可靠接地；金屬構(gòu)件、門(mén)、窗和艙口蓋等活動(dòng)部件須良好接地，應(yīng)有兩處以上接地點(diǎn)；甲板上適當(dāng)位置預(yù)留部分接地柱，供移動(dòng)設(shè)施接地用。

接地和跨接平銅片規(guī)格：長(zhǎng)度一般為100、150、200、250、300mm，厚度不小于0.5mm，寬度不小于25mm，長(zhǎng)寬比不大于5［9～10］。

3.3 電纜、穿艙管路的接地和搭接工藝要素

連接設(shè)備的電纜兩端應(yīng)將電纜外屏蔽套接地，當(dāng)電纜插頭帶有尾部附件時(shí)，則用金屬卡環(huán)箍緊電纜的金屬屏蔽護(hù)套；對(duì)于不帶尾部附件的電纜插頭，可將端頭金屬屏蔽護(hù)套拆開(kāi)編辮，連接固定在插頭的接地螺栓上。

采用法蘭連接的管路，在螺栓連接處搭接接地銅帶。管路穿過(guò)敏感艙室和甲板處，就近用接地平銅片與艙壁和甲板螺柱連接。法蘭端面應(yīng)采用導(dǎo)電密封墊片，穿艙壁和甲板處采用電磁屏蔽填料函。

3.4 電磁敏感艙室的屏蔽工藝要素

艙室門(mén)、穿艙管路、穿艙電纜、通風(fēng)管道等會(huì)破壞艙室的電磁屏蔽性能，其它艙室設(shè)備的射頻輻射沿著這些部位傳播，對(duì)于艙內(nèi)安裝有敏感電子設(shè)備的，有可能產(chǎn)生電磁干擾，造成設(shè)備工作出現(xiàn)異常，所以，應(yīng)采取電磁屏蔽措施。這類艙室可采用電磁屏蔽門(mén)、窗；管路和電纜穿艙處采用電磁屏蔽填料函。

電纜屏蔽材料通常用編織套或金屬管。對(duì)金屬編織套而言，屏蔽效能隨編織密度的增加而提高，當(dāng)頻率高到波長(zhǎng)接近編織間隙時(shí)，屏蔽效能迅速下降。對(duì)低頻的電纜常用金屬電纜管屏蔽，材質(zhì)為鋼、鋁、銅或履銅鋼管等。鋼管用于低頻磁場(chǎng)的屏蔽，銅管用于中頻或高頻電纜的屏蔽，履銅鋼管對(duì)所有頻率都有較好的屏蔽效果。

通風(fēng)管道內(nèi)可加裝電磁屏蔽網(wǎng)，在滿足通風(fēng)要求的情況下屏蔽網(wǎng)眼尺寸越小，屏蔽效果越好，至少應(yīng)滿足可屏蔽最小波長(zhǎng)的要求［1～2，10～11］。

3.5 電磁兼容技術(shù)工藝要素實(shí)施情況

船廠完成設(shè)備安裝施工后，必須對(duì)電磁兼容技術(shù)工藝要素實(shí)施情況進(jìn)行檢查，對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)量，檢查接地效果。在接地點(diǎn)兩端附近裸露金屬的地方，分別用毫歐計(jì)的測(cè)量鉗壓緊，直接測(cè)量接地電阻值，軍標(biāo)要求控制在10mΩ以內(nèi)。

射頻電纜、饋線、波導(dǎo)等傳輸大功率信號(hào)的電纜和部件的安裝連接情況檢查，一般需要采用專用儀表，如測(cè)量線、功率計(jì)等，測(cè)量其駐波系數(shù)，驗(yàn)證安裝連接是否良好，測(cè)試駐波是否滿足要求，是存在打火和能量泄漏等。

4 電磁兼容安全性試驗(yàn)

完成工藝施工后，對(duì)于上層建筑和甲板人員活動(dòng)場(chǎng)所以及武器和燃油加注口等區(qū)域的電磁環(huán)境需要進(jìn)行檢測(cè)，檢查場(chǎng)強(qiáng)和功率密度分布情況，超過(guò)安全限值時(shí)，必須采取相應(yīng)的措施，保護(hù)人員和武器裝備的安全。按照GJB 5313電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法，人員暴露限值應(yīng)滿足表1要求：

表1 作業(yè)區(qū)短波、超短波、微波脈沖波暴露限值

電引爆武器處的場(chǎng)強(qiáng)值，美軍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值為200V／m，實(shí)際應(yīng)用上也取決于電引爆武器自身敏感程度。經(jīng)試驗(yàn)，射頻輻射對(duì)燃油的危害性非常嚴(yán)重，在頻率為2MHz～13MHz時(shí)，與發(fā)射功率100W 的通信天線相距半波長(zhǎng)，燃油和空氣混合氣體可自然起爆。

電磁環(huán)境檢測(cè)需要開(kāi)闊空曠的場(chǎng)地，避免周圍的電磁干擾以及附近障礙物反射回波等帶來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。相關(guān)人員做好自身防護(hù)的情況下，利用近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)儀、微波漏能儀等儀器，測(cè)量人員活動(dòng)區(qū)、電引爆武器處、燃油加注口等部位電場(chǎng)強(qiáng)度和電磁場(chǎng)功率密度，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行電磁安全性評(píng)價(jià)。

5 電磁兼容性試驗(yàn)測(cè)試要求

水面艦船在戰(zhàn)斗工況下，所有系統(tǒng)設(shè)備全部開(kāi)機(jī)工作，觀察設(shè)備工作是否正常，評(píng)估各設(shè)備的功能、性能是否完好，是否受到電磁干擾。在存在干擾的情況下，通常利用矩陣法逐一排查，確定干擾源在哪里，干擾原因是什么，然后采取必要的措施，保證系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)揮正常的工作效能。

6 結(jié)語(yǔ)

艦船的電磁兼容性，關(guān)系到艦船的安全、人員的健康和設(shè)備性能是否可以得到保障，關(guān)系到艦船電子武器是否有戰(zhàn)斗力，發(fā)揮較好作戰(zhàn)能力，本文從艦船電子武器設(shè)計(jì)的各階段提出了電磁兼容性技術(shù)要求，提出了艦船施工有關(guān)電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)工藝要素及試驗(yàn)測(cè)試要求，經(jīng)某型艦船建造階段的工藝實(shí)踐和試驗(yàn)測(cè)試，取得了很好的效果。

［1］王守三.設(shè)備和系統(tǒng)安裝的電磁兼容技術(shù)技巧和工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，10.

［2］張厚，唐宏，尹應(yīng)增.電磁兼容測(cè)試技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008，9.

［3］楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2011，6.

［4］何宏，張寶峰，王紅君，等.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008，5.

［5］郝曉冬，喬恩明，吳保芳，等.電源系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007，7.

［6］鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010，1.

［7］朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策及案例分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012，4.

［8］陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶，等.電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社有限公司，2012，5.

［9］吳冬燕，陳曉磊，杭海梅，等.電磁兼容檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012，2.

［10］張瑋，唐文斌，錢(qián)平，等.船舶電磁干擾抑制和電氣接地［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2012（2）：54-59.

［11］朱志宇，張冰，劉維亭.船舶電磁兼容測(cè)試技術(shù)［J］.船舶工程，2005，27（4）：58-63.