艦載電子對抗系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)分析

楊躍輪

（海裝上海局，上海 200083）

1 概 述

隨著艦載電子設(shè)備數(shù)量及種類的不斷增加，艦載電子對抗系統(tǒng)面臨本艦的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何減少系統(tǒng)與系統(tǒng)、設(shè)備與設(shè)備之間及設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，使艦載電子對抗系統(tǒng)能夠發(fā)揮出最大的作用，是一個(gè)亟待解決的問題。

所謂電磁兼容，通常指在某一規(guī)定的工作環(huán)境中，電子設(shè)備或系統(tǒng)以給定的安全余量，按設(shè)計(jì)的能力運(yùn)行，且不因干擾而降低其性能，同時(shí)又不向該環(huán)境排放超過允許范圍的擾動(dòng)［1］。

艦載電子對抗系統(tǒng)裝艦后即面臨兩大電磁兼容問題：一是艦載電子對抗系統(tǒng)與艦上其它電子設(shè)備（如通訊系統(tǒng)、導(dǎo)彈系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等電子設(shè)備）之間的電磁兼容問題；二是電子對抗系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備與設(shè)備之間（如偵察設(shè)備與干擾設(shè)備之間），以及各設(shè)備內(nèi)部的電磁兼容問題。

對于第1類問題，一般由艦總體設(shè)計(jì)單位采用頻域、時(shí)域分配及通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少艦面反射等方法統(tǒng)一進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，并通過電磁兼容管理實(shí)現(xiàn)全艦電子設(shè)備（系統(tǒng)）間的電磁兼容。本文的重點(diǎn)在第2類問題。

2 艦載電子對抗系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部電磁兼容性設(shè)計(jì)

艦載電子對抗系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備一般由電路和機(jī)柜機(jī)箱組成，每個(gè)電路既是干擾源，本身也是敏感設(shè)備。對艦載電子對抗系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從電磁干擾形成的三要素入手，即抑制干擾源、切斷耦合途徑和提高敏感設(shè)備抗擾度。

抑制電磁干擾源的方法一般有：

（1）盡量去掉對設(shè)備工作用處不大的潛在干擾源，以減少干擾源數(shù)量；

（2）恰當(dāng)選擇元器件和線路的工作模式，盡量使設(shè)備工作在特性曲線的線性區(qū)域，以使諧波成分降低；

（3）對電磁發(fā)射信號進(jìn)行功率控制和頻帶控制；

（4）合理選擇脈沖波形，不盲目追求上升沿；

（5）控制產(chǎn)生電弧放電和電火花，宜選用工作電平低或有觸點(diǎn)保護(hù)的繼電器以及加工精密的直流電機(jī)；

（6）應(yīng)用良好的線路設(shè)計(jì)技術(shù)（包括接地技術(shù)）來抑制地線干擾。

抑制干擾耦合的方法一般有：

（1）把攜帶電磁噪聲大的元器件和導(dǎo)線與敏感元器件隔離；

（2）縮短干擾耦合路徑的長度，使相應(yīng)導(dǎo)線盡量短，必要時(shí)使用屏蔽線；

（3）應(yīng)用屏蔽技術(shù)隔離或減少輻射途徑的電磁干擾；

（4）應(yīng)用濾波器、脈沖吸收器、隔離變壓器和光電耦合器等濾除或減少傳導(dǎo)途徑的電磁干擾。

提高敏感設(shè)備抗擾能力的方法一般有：對于抑制干擾源的措施一般也同樣適用于敏感設(shè)備的保護(hù)；此外，在設(shè)計(jì)中盡量少用低電平器件，不盲目追求高速器件，去掉那些不十分需要的敏感器件，適當(dāng)控制輸入靈敏度等。

2.1 電路電磁兼容設(shè)計(jì)

在電路電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用相互干擾小的元器件，并在結(jié)構(gòu)上合理布局，大量采用接地、屏蔽、濾波等技術(shù)，降低所產(chǎn)生的干擾電平，增加干擾在傳播途徑上的衰減，一般應(yīng)在如下幾個(gè)方面需要重點(diǎn)注意：

2.1.1 元器件的選擇

電路選擇的元器件滿足電磁特性的程度決定著功能單元和設(shè)備整體滿足電磁兼容性的程度，有時(shí)使用的元器件本身就是一個(gè)干擾源，因此，正確選擇元器件對設(shè)備的電磁兼容性非常重要。

2.1.2 電路電磁兼容設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮電路的技術(shù)性能指標(biāo)滿足要求外，還要考慮電路的電磁兼容性，如：電子元器件的引腳要盡量短，引腳越短，電磁干擾越小，表貼器件有更小的安裝面積和更低的安裝位置，所以有更好的電磁兼容性能。

邏輯電路在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮由于高頻數(shù)字信號正負(fù)電平轉(zhuǎn)換時(shí)間短、轉(zhuǎn)換電流大、往往會產(chǎn)生尖脈沖，并通過電源線給系統(tǒng)帶來致命的干擾，一般可以通過在器件的單元輸入端就近并聯(lián)一個(gè)小電容來旁路尖峰干擾，將多余的端口接地或通過電阻接電源，防止端口感應(yīng)造成干擾。

在邏輯電路中，數(shù)字信號傳輸線的處理也相當(dāng)重要，當(dāng)電路在高速運(yùn)行時(shí)，在源和目的地間的阻抗匹配非常重要，匹配不好將會引起信號反饋和阻尼震蕩。

本振和中頻電路一般都有較大的泄漏，所以在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮屏蔽和濾波的方法。

2.1.3 印制電路板電磁兼容設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，印制電路板的集成度越來越高，印制板電路設(shè)計(jì)的好壞對電路的電磁兼容性能影響越來越大，因此在印制板電路電磁兼容設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)合理布局和布線問題。合理布局包括合理的板層設(shè)置、正確的元器件布局及有效的功能模塊電路劃分，這樣可減少各單元間的互相干擾。

在印制板布局時(shí)一般要注意將低頻的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合；時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近使用該時(shí)鐘的器件，石英晶體振蕩器外殼要接地，并用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，時(shí)鐘線盡量短。

在印制板布線時(shí)一般要注意從減少輻射干擾的角度出發(fā)，盡量選擇多層板，內(nèi)層分別做電源層、地線層，用于降低供電線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲，電源線、地線及印制導(dǎo)線在印制板上的排列要恰當(dāng)，盡量做到短而直，以減少信號線與回線之間形成的環(huán)路面積。

2.2 機(jī)柜電磁兼容設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，除了做好電路本身的電磁兼容設(shè)計(jì)外，機(jī)柜或機(jī)箱的電磁兼容性能對整個(gè)設(shè)備的電磁兼容性能影響更大，在進(jìn)行機(jī)柜或機(jī)箱的電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)一般要采取屏蔽、濾波及良好的接地技術(shù)，下面分別進(jìn)行分析：

2.2.1 機(jī)柜的屏蔽設(shè)計(jì)

實(shí)際上機(jī)柜的屏蔽效能是抑制干擾耦合的有效方法，機(jī)柜的屏蔽性能依賴于機(jī)柜良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)柜的材料一般選用鋁、銅等，主要的屏蔽機(jī)理是反射信號而不是吸收信號，因此機(jī)柜的導(dǎo)電連續(xù)性決定了機(jī)柜的電磁兼容性，機(jī)柜上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。

解決機(jī)柜縫隙電磁泄露的方式是在縫隙處加電磁密封襯墊，電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持隙縫處的導(dǎo)電連續(xù)性。常見的電磁密封襯墊有導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套等。

機(jī)柜上開口的電磁泄露與開口的形狀、輻射源的特性和輻射源到開口的距離有關(guān)，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)開口的尺寸和輻射源到開口的距離改善屏蔽效果。

2.2.2 機(jī)柜濾波技術(shù)

濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施，無論是抑制干擾源、消除耦合或提高敏感電路的抗干擾能力，都可以采用濾波技術(shù)。

濾波器可以顯著減小傳導(dǎo)干擾的電平，當(dāng)干擾譜成分不同于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成分有良好的抑制能力，從而起到其他干擾抑制難以起到的作用。濾波器有很多種類，對于不同設(shè)備、不同功能、不同信號、不同傳輸方式，其濾波器的設(shè)計(jì)均各不相同，因此應(yīng)根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗參數(shù)及負(fù)載特性的要求，適當(dāng)選擇濾波器。

2.2.3 機(jī)柜接地技術(shù)

由于任何電路的電流都要經(jīng)過地線形成回路，因此接地是電路或系統(tǒng)正常工作的基本要求之一，同時(shí)接地存在接地電阻而引起接地干擾，而接地又是抑制干擾的一種技術(shù)措施，因此設(shè)備需要良好的接地措施來改善其電磁兼容性能。

機(jī)柜內(nèi)一般設(shè)置3種接地樁，分別是模擬地、數(shù)字地和機(jī)殼地，這3種地要分別走線，以免在地線上互相引起串?dāng)_；接地方法有浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地3種基本形式。為了保證電路正常工作，同時(shí)又盡量減少接地干擾，必須恰當(dāng)選擇接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)及接地點(diǎn)的位置。

考慮到趨膚效應(yīng)，接地線需要選用帶狀編織線。如果對接地要求很高，還可在其表面鍍銀，這主要為了是減小導(dǎo)線的表面電阻率，達(dá)到減小接地電阻的目的。

2.2.4 機(jī)柜內(nèi)部布局與布線

機(jī)柜內(nèi)部合理布局也是改善機(jī)柜電磁兼容性能的有效措施之一，合理的布局應(yīng)該按不同的功能分別安裝（如高頻電路、低頻電路），對在功能上相近部件靠近安裝，以便使部件與部件之間的連線最短，對于電源模塊能夠提供有效的電場、磁場屏蔽，并且最好遠(yuǎn)離對電磁場比較敏感的部件。

機(jī)柜內(nèi)合理布線也能夠改善設(shè)備的電磁兼容性能，因此在進(jìn)行機(jī)柜布線時(shí)，要做到：

（1）機(jī)柜中各種裸露布線要盡量短；

（2）傳輸不同信號的導(dǎo)線分組捆扎，并保持適當(dāng)距離，以減小導(dǎo)線間相互影響；

（3）傳輸數(shù)字信號的扁平帶狀線，應(yīng)采用地-信號-地-信號的排列方式，這樣不僅可以有效抑制干擾，也可明顯提高其抗擾度；

（4）將低頻進(jìn)線和回線絞合在一起，形成雙絞線，這樣兩線之間存在的騷擾電流幾乎大小相等，方向相反，其騷擾場在空間可以相互抵消；

（5）導(dǎo)線的種類要根據(jù)傳輸信號的頻率來選擇，并盡可能選擇屏蔽線。

3 艦載電子對抗系統(tǒng)設(shè)備之間電磁兼容設(shè)計(jì)

艦載電子對抗系統(tǒng)主要由雷達(dá)偵察設(shè)備、雷達(dá)有源干擾設(shè)備、無源光電干擾設(shè)備、通信干擾設(shè)備等組成，艦載電子對抗系統(tǒng)設(shè)備之間最棘手的電磁兼容問題是雷達(dá)偵察設(shè)備與雷達(dá)干擾設(shè)備之間的收發(fā)隔離問題，雷達(dá)偵察設(shè)備的特點(diǎn)是工作頻帶寬，一般可達(dá)到0.2～ 40GHz，靈敏度可達(dá)到 -60 ～-70dBm以上。

雷達(dá)有源干擾設(shè)備的有效輻射功率連續(xù)波噪聲干擾高達(dá)數(shù)百千瓦，脈沖欺騙干擾功率甚至可以高達(dá)兆瓦級，將如此高的接收機(jī)靈敏度和極強(qiáng)的輻射功率安裝在一個(gè)平臺上，要解決收發(fā)隔離確實(shí)有很大的難度，但這個(gè)問題又必須解決，否則，整個(gè)電子對抗系統(tǒng)無法正常工作，因此，必須要加強(qiáng)電子對抗系統(tǒng)設(shè)備之間的電磁兼容設(shè)計(jì)，研究新技術(shù)、新方法，解決艦載子對抗系統(tǒng)的收發(fā)隔離問題［2-3］。

3.1 偵察設(shè)備與干擾設(shè)備之間的收發(fā)隔離設(shè)計(jì)

收發(fā)隔離一般在雷達(dá)偵察設(shè)備與干擾機(jī)的接收、發(fā)射天線端測量，隔離度公式：

式中：Pc為干擾機(jī)的發(fā)射功率；Prmin為偵察機(jī)靈敏度。

從公式（1）可以看出，電子對抗系統(tǒng)的隔離度是以干擾機(jī)的發(fā)射功率和偵察機(jī)的靈敏度來定義的，因此，將有2個(gè)方面的因素影響收發(fā)隔離度：一是兩天線之間的直接耦合；一是干擾機(jī)周圍的環(huán)境產(chǎn)生的耦合。具體分析這兩方面的影響，便可得出減小耦合、增大收發(fā)隔離的措施。

根據(jù)雷達(dá)方程：

式中：Pr為雷達(dá)偵察接收機(jī)接收到的干擾信號功率；Pc為干擾機(jī)發(fā)射功率；Gc（α）為干擾機(jī)在α發(fā)射角的天線增益；Gr（β）為雷達(dá)偵察接收機(jī)在β接收角的天線增益；λ為工作波長；R為干擾機(jī)發(fā)射天線與偵察機(jī)接收天線之間的距離。

由式（2），令Pr≤Prmin，可得收發(fā)天線間干擾信號的衰減量，即收發(fā)天線的隔離度：

實(shí)船安裝的天線，兩者之間的電磁波傳播距離不一定滿足遠(yuǎn)場區(qū)要求，但這不影響設(shè)備之間的電磁兼容理論分析。由公式（3）可以看出，提高收發(fā)隔離度可以采取以下幾個(gè)措施：

3.1.1 增加雷達(dá)偵察天線與雷達(dá)干擾機(jī)發(fā)射天線之間的距離

增加收發(fā)天線的距離可以提高天線的收發(fā)隔離度，但收發(fā)天線的距離受艦船安裝位置的限制沒有太大的調(diào)整余地；而且，增加收發(fā)天線的距離對收發(fā)隔離度的貢獻(xiàn)不大。從公式（3）可計(jì)算得到距離增大1倍，收發(fā)隔離度增加6dB。

3.1.2 安裝收發(fā)隔離板

在收發(fā)天線間加裝隔離板，對發(fā)射天線的側(cè)向輻射進(jìn)行吸收，阻斷發(fā)射天線與接收天線之間的直接傳播，隔離效果明顯。實(shí)踐表明設(shè)計(jì)合理的隔離板可以有約20dB的隔離度。

3.1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射天線與接收天線

對發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少天線的副瓣增益；將發(fā)射天線和接收天線設(shè)計(jì)成正交極化，增大極化隔離；同時(shí)在天線的口面涂敷吸收材料等措施，阻斷干擾信號從副瓣進(jìn)入接收天線的通路，提高收發(fā)隔離度。

3.1.4 涂敷吸收材料

天線的環(huán)境耦合對收發(fā)隔離度的影響很大，艦載電子對抗系統(tǒng)收發(fā)隔離度受到天線在艦上安裝位置的限制，艦上的桅桿、建筑物等都會對干擾信號形成強(qiáng)烈的反射，造成收發(fā)天線之間的耦合。

因此，在艦艇桅桿、建筑物表面涂敷吸收材料，可以有效增加天線之間的隔離度。

3.1.5 天線安裝在穩(wěn)定平臺上

海面反射也是造成天線收發(fā)隔離度不高的因素之一?，F(xiàn)代電子對抗系統(tǒng)的天線一般都是采用電掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間快，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成對周圍電磁環(huán)境的偵察，并對高威脅雷達(dá)進(jìn)行干擾；缺點(diǎn)是由于沒有伺服系統(tǒng)，當(dāng)艦艇搖擺時(shí)，干擾天線副瓣甚至是主瓣信號都有可能照射到海面，造成嚴(yán)重電磁干擾。

如果把偵察天線和干擾天線都安裝在一個(gè)穩(wěn)定平臺上，當(dāng)艦艇搖擺時(shí)，天線始終穩(wěn)定在水平方向，可大大減少由于海面反射造成的干擾。

3.2 電子戰(zhàn)系統(tǒng)電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)上述措施仍不能解決收發(fā)隔離問題，只能從設(shè)備本身解決問題，主要措施是：一降低偵察機(jī)的接收靈敏度；二是偵察機(jī)、干擾機(jī)分時(shí)工作。

降低偵察機(jī)靈敏度是一種最為簡單的處理方法，通過降低偵察設(shè)備性能來換取收發(fā)隔離要求，一般偵察機(jī)在顯控臺上可以人工設(shè)置靈敏度。

傳統(tǒng)的電子對抗系統(tǒng)中時(shí)分工作就是干擾機(jī)發(fā)射干擾信號的同時(shí)給偵察機(jī)一個(gè)發(fā)射脈沖，偵察機(jī)在發(fā)射脈沖時(shí)間內(nèi)不偵收任何信號，這樣保證系統(tǒng)能夠正常工作。

由于在干擾工作時(shí)偵察機(jī)完全停止工作，干擾信號的頻率、周期等參數(shù)完全是采用記憶的方式進(jìn)行，一旦雷達(dá)參數(shù)變化，這種記憶跟蹤的方式可能很快就會偏離真實(shí)的雷達(dá)信號，從而影響系統(tǒng)的干擾效果。

為了克服完全時(shí)分的缺點(diǎn)，可以采用靈敏度時(shí)分、方位時(shí)分及頻率時(shí)分的辦法，分別介紹如下：

3.2.1 靈敏度時(shí)分

所謂靈敏度時(shí)分，就是在時(shí)分工作的干擾時(shí)段內(nèi)，將干擾機(jī)輸出的干擾波門送到偵察機(jī)去控制偵察接收機(jī)的靈敏度，在干擾波門內(nèi)，偵察機(jī)采用中低靈敏度工作；在干擾波門外，偵察機(jī)采用正常靈敏度工作。采用這種方法最大限度地發(fā)揮了偵察機(jī)的能力。

3.2.2 方位時(shí)分

所謂方位時(shí)分，就是在時(shí)分工作的干擾時(shí)段內(nèi)，將干擾機(jī)輸出的干擾波門送到偵察機(jī)去控制偵察接收機(jī)的方位接收支路。

這項(xiàng)工作在電子對抗系統(tǒng)裝艦后的電磁兼容摸底試驗(yàn)中就可以完成，方法是通過干擾機(jī)在向α方向發(fā)射干擾信號時(shí)，找到偵察機(jī)受到最嚴(yán)重干擾的方向β，建立α和β的對應(yīng)表。在干擾波門內(nèi)，偵察機(jī)在β方向的接收之路采用中低靈敏度工作；在干擾波門外，偵察機(jī)采用正常靈敏度工作。

3.2.3 頻率時(shí)分

所謂頻率時(shí)分，就是在時(shí)分工作的干擾時(shí)段內(nèi)，將干擾機(jī)輸出的干擾波門送到偵察機(jī)去控制偵察機(jī)的測頻接收機(jī)，在干擾波門內(nèi)，偵察機(jī)對干擾頻段內(nèi)的信號采用中低靈敏度工作，在干擾頻段外的雷達(dá)信號，偵察機(jī)采用正常靈敏度工作。采用這種方法也能最大限度地發(fā)揮偵察機(jī)的能力。

4 結(jié)束語

本文針對艦載電子對抗系統(tǒng)的特點(diǎn)，論述了從電子對抗設(shè)備內(nèi)部到電子對抗系統(tǒng)設(shè)備之間可能采取的一些電磁兼容性措施，希望能對實(shí)際裝艦的電子對抗系統(tǒng)和設(shè)備在處理電磁兼容問題方面有所幫助。

［1］ 何宏，張寶峰，張大建，等.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［2］ 朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對策［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 蘇東林，王冰切.電子戰(zhàn)特種飛機(jī)電磁兼容預(yù)設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（1）：1241-1245.