艦船通信系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題研究*

韓 剛 陳 冬 周曙光

(91917部隊(duì) 北京 102401)

艦船通信系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題研究*

韓 剛 陳 冬 周曙光

(91917部隊(duì) 北京 102401)

討論了干擾艦船通信裝備的各種因素,分析了艦船通信系統(tǒng)的干擾源和干擾途徑,提出了減少艦船通信裝備電磁兼容問(wèn)題的方法。從原理設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)到設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再到設(shè)備安裝布局幾個(gè)層面上探討了減少輻射和抗干擾的手段。綜合采用多種方法,可使艦船通信系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題降至最低。

艦船通信系統(tǒng); 電磁兼容; 抗干擾

Class Number TN914

1 引言

電子設(shè)備的電磁兼容性是指在電磁環(huán)境中能正常工作并且不對(duì)該環(huán)境中其它設(shè)備造成電磁騷擾的能力。電磁兼容包括兩個(gè)方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)不能超過(guò)一定的限值;另一方面指對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度。電磁兼容問(wèn)題可以包括干擾源、耦合路徑和受干擾體三部分。設(shè)備間的互相干擾,電路內(nèi)部線路的相互串?dāng)_,電信號(hào)在電路板中傳輸時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)完整性下降和電源完整性下降等都屬于電磁兼容問(wèn)題。

2 艦船通信系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題

艦船電子系統(tǒng)裝備不斷發(fā)展,電子設(shè)備的使用密度日趨增大?，F(xiàn)代艦船中廣泛配備著雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)、跟蹤和制導(dǎo)系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指揮與決策系統(tǒng)、敵我識(shí)別系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、水下探測(cè)系統(tǒng)以及氣象系統(tǒng)等裝備。各種電子設(shè)備產(chǎn)生、接收、傳送、處理、貯存的電信號(hào)中含有大量信息。如此眾多的電子系統(tǒng)集中裝備在艦船的狹窄空間內(nèi),天線林立、頻譜擁擠,各種金屬構(gòu)件的天線,大量成束電纜的敷設(shè)等等,都給電磁干擾的產(chǎn)生和傳播提供了條件和途徑。多種設(shè)備同時(shí)工作就更容易造成相互干擾,尤其是艦船編隊(duì)航行時(shí),設(shè)備相互干擾將更加嚴(yán)重。海洋電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,干擾源越來(lái)越多且強(qiáng)度越來(lái)越大。敵我雙方的電磁干擾手段也不斷豐富,高電平電磁脈沖等方法也經(jīng)常被用作破壞敵方電子裝備的手段。電磁兼容問(wèn)題日益成為影響艦船戰(zhàn)斗力的重要因素[1～2]。

從長(zhǎng)波到中波、短波再到微波、衛(wèi)星通信和激光通信,遠(yuǎn)距離海洋通信手段豐富,涵蓋全部無(wú)線電頻譜范圍。相對(duì)于其它系統(tǒng),通信系統(tǒng)設(shè)備種類多、發(fā)射能量大,也更容易影響其它系統(tǒng)的工作或者被其它系統(tǒng)所干擾。由于對(duì)安全的考慮,通信系統(tǒng)對(duì)電磁輻射的要求更高。另外,各種通信設(shè)備間也容易相互干擾。因此必須十分重視通信系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題。

2.1 干擾源分析

對(duì)艦船通信系統(tǒng)造成干擾的信號(hào)源很多,包括自然界的干擾、人工干擾。自然界的干擾很多,如靜電、雷擊等自然現(xiàn)象都是潛在的干擾源。人工干擾更多,例如動(dòng)力系統(tǒng)的干擾、其它電子系統(tǒng)的干擾等。艦船設(shè)備中的機(jī)電設(shè)備也是重要的干擾源[3],電機(jī)在工作中會(huì)產(chǎn)生很寬頻譜范圍內(nèi)的電磁輻射?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中經(jīng)常使用電子對(duì)抗裝備或武器,如電子干擾裝置、微波武器、主動(dòng)雷達(dá)、聲吶等裝備都會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈的干擾。另外,核爆時(shí)的電磁脈沖也是艦船通信系統(tǒng)潛在的干擾源之一。

2.2 耦合路徑分析

艦船通信系統(tǒng)通常采用無(wú)線通信方式,天線傳導(dǎo)是主要的干擾途徑之一;艦船內(nèi)的所有電力和電子設(shè)備都會(huì)通過(guò)電源線相連,電源電流的雜波通過(guò)電源線傳導(dǎo)至每個(gè)電子設(shè)備。傳遞信號(hào)的線路會(huì)形成電磁場(chǎng),平行的導(dǎo)線間會(huì)形成串?dāng)_,這也是造成干擾的途徑之一。

3 通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改善艦船通信系統(tǒng)電磁兼容性

圖1 電磁干擾模型

如圖1所示,解決電磁兼容問(wèn)題一方面要降低設(shè)備的輻射,另一方面要提高設(shè)備的抗干擾能力,要想避免電磁兼容問(wèn)題,必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段充分重視,既包括原理設(shè)計(jì)也包括電路板設(shè)計(jì)和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電磁兼容問(wèn)題非常復(fù)雜,不同環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的要求也各不相同。

3.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)艦船電子設(shè)備時(shí),要有全局觀念,從整體考慮,對(duì)各資源進(jìn)行合理布局,避免產(chǎn)生頻率、功率上的沖突。再配合其它關(guān)鍵技術(shù),將電磁兼容問(wèn)題在原理設(shè)計(jì)階段降至最低。

1) 自適應(yīng)技術(shù)

自適應(yīng)技術(shù)是避免干擾的重要方法之一,它包括很多方面,如自適應(yīng)編解碼技術(shù)、頻率自適應(yīng)技術(shù)、帶寬自適應(yīng)技術(shù)、自適應(yīng)干擾相消技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)等。一方面根據(jù)信道質(zhì)量自動(dòng)選擇工作頻率、帶寬和編解碼方式,使多個(gè)系統(tǒng)能夠相互規(guī)避,避免產(chǎn)生相互干擾;另一方面根據(jù)干擾信號(hào)的功率和方向,自動(dòng)調(diào)整各方向的接收增益,使之在干擾方向上形成零點(diǎn)。

2) 天線復(fù)用

天線是無(wú)線電信號(hào)的收發(fā)裝置,容易引發(fā)電磁兼容問(wèn)題。天線復(fù)用不僅可以減少艦船上的安裝空間,還可以降低相互之間的干擾。

3) 天線極化設(shè)計(jì)

極化方向相互垂直的信號(hào)彼此不受影響,可以利用這一特性來(lái)達(dá)到抗干擾的目的。也就是說(shuō)可以通過(guò)天線的極化設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到電磁兼容的目的。

4) 電源濾波

為了減少各設(shè)備間通過(guò)電源線傳導(dǎo)帶來(lái)的干擾,還要在設(shè)備電源輸入端安裝濾波器。無(wú)論對(duì)于直流電源還是交流電源,通常采用低通濾波器。濾波器的設(shè)計(jì)方法很多,要根據(jù)電源雜波的特點(diǎn)綜合選用恰當(dāng)特性的濾波器[4]。

3.2 電路板級(jí)設(shè)計(jì)

合理的印刷電路板設(shè)計(jì)是解決電磁兼容問(wèn)題的有效手段[5]。通常低頻電路的電磁兼容問(wèn)題較小,而高頻電路的電磁兼容問(wèn)題比較嚴(yán)重,因此高頻電路設(shè)計(jì)必須格外注意。

1) 去耦和旁路電容的使用

去耦電容和旁路電容是減少電磁干擾的有效方法,采用鉭電容會(huì)得到更好的效果。對(duì)于部分容易受到干擾的元件或集成電路,需要在它的電源和接地之間連接去耦電容,一方面可以起到蓄能的作用,另一方面也可以起到濾波的效果。而旁路電容連接在信號(hào)與接地之間,用于濾除無(wú)用的共模信號(hào)能量。

2) 元件與PCB分層合理布局

恰當(dāng)?shù)脑骷季钟欣谛盘?hào)在電路板上的傳播,增加信號(hào)完整性,使電路正常工作。布放元件時(shí),盡量縮短高頻元件之間的距離;綜合考慮各原件的分布參數(shù),盡量使元件平行排列。設(shè)計(jì)PCB時(shí)盡量采用多層板,與原件相鄰的層應(yīng)為接地層,所有信號(hào)線盡量與接地層平行。

3) 布線規(guī)則

在進(jìn)行PCB布線時(shí)要遵循以下幾條規(guī)則[6]:盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰;嚴(yán)禁使用直角布線;重要信號(hào)布線采用3W規(guī)則;避免長(zhǎng)距離的平行走線;高頻走線盡量不要使用過(guò)孔。

4) 電源與接地的處理

電源與地線的走線格外重要,要注意以下幾個(gè)方面:電源和接地線盡量加粗,盡量采用單獨(dú)電源層和接地層;直流地與交流地分開(kāi),采用磁珠連接;電源層和接地層邊緣布線依據(jù)20H原則。

3.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備外殼和機(jī)架一方面起到固定電路板的作用,另一方面也有屏蔽無(wú)線電信號(hào)的作用。不同的輻射源應(yīng)采用不同屏蔽方法,要根據(jù)對(duì)屏蔽的要求采用不同的屏蔽策略。

1) 屏蔽材料

采用不同的材質(zhì)作為屏蔽材料對(duì)屏蔽效果有重要的影響。根據(jù)屏蔽信號(hào)特性選擇屏蔽材料,屏蔽電場(chǎng)波時(shí)選用電導(dǎo)率較高的材料做屏蔽體,屏蔽磁場(chǎng)波時(shí)選用磁導(dǎo)率叫高的材料。屏蔽電場(chǎng)波時(shí),屏蔽體盡量靠近輻射源;屏蔽磁場(chǎng)波時(shí)屏蔽體盡量遠(yuǎn)離輻射源。

表1 常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率[7]

2) 縫隙、孔徑處理

理想的屏蔽設(shè)計(jì)是在電路的四周全部采用接地導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽,但現(xiàn)實(shí)中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。為了散熱、觀測(cè)和調(diào)試等目的不可避免的在屏蔽外殼上留有口徑和窗口。正確的布置通風(fēng)孔徑,合理地設(shè)置屏蔽盒接縫方向?qū)⑹蛊帘芜_(dá)到最佳效果?？p隙的屏蔽效果可用如下公式評(píng)估[8]:

(1)

其中:Ra為開(kāi)口縫隙的發(fā)射損耗,Aa為傳輸損耗,t為縫隙搭接深度,g為縫隙的長(zhǎng)度。N為縫隙處波阻抗與空間入射波的波阻抗的比值。

相對(duì)于開(kāi)槽,加孔的屏蔽效果更好。在同等散熱面積條件下,通常而言加孔的屏蔽效果優(yōu)于開(kāi)槽,開(kāi)小孔的屏蔽效果優(yōu)于開(kāi)大孔。

4 通過(guò)設(shè)備安裝和布局改善電磁兼容性

通常,設(shè)計(jì)艦船結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)考慮電磁兼容問(wèn)題,在進(jìn)行通信設(shè)備安裝時(shí)須按照艦船的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行布置。同時(shí)還要對(duì)天線、饋線等進(jìn)行特殊處理。

4.1 空間隔離

通過(guò)屏蔽等措施,設(shè)備的輻射能量大幅降低,抗干擾性能得到明顯增強(qiáng)。各電子系統(tǒng)的位置關(guān)系顯得尤為重要。通常來(lái)說(shuō),可以將艦船內(nèi)部劃分為多個(gè)區(qū)域,將雷達(dá)、通信設(shè)備分層設(shè)置。將雷達(dá)天線與通信天線分置安裝,并嚴(yán)格控制雷達(dá)工作的掃描扇區(qū)和通信天線的主瓣方向,防止通信和雷達(dá)設(shè)備天線相互照射。另外,發(fā)射天線和接收天線要分開(kāi)布置,控制好它們的方向,防止相互干擾。不同頻率的天線也要分開(kāi)布置,可近一步劃分為短波區(qū)、微波區(qū)等。可以用下面的方法來(lái)表示兩付天線的空間隔離度:

空間隔離度(dB)=32.44+20lgF+20lgL

(2)

其中:F為頻率,L為兩付天線間的距離。由此可計(jì)算出倒灌功率[9]:

倒灌功率(dB)=發(fā)射功率(dB)-空間隔離度(dB)

(3)

短波收發(fā)天線間的空間隔離度應(yīng)大于40dB,超短波收發(fā)天線間空間隔離度應(yīng)大于30dB[10]。

4.2 減少耦合路徑

為減少信號(hào)線耦合帶來(lái)的干擾,要將電力電纜、射頻電纜、控制電纜盒敏感電纜分類布置。更進(jìn)一步還要做到:弱電和強(qiáng)電分開(kāi),直流和交流分開(kāi),輸入線路和輸出線路分開(kāi),不同電壓、不同電流等級(jí)的線路分開(kāi)。另外,盡可能利用光電耦合代替電耦合盡可能利用光纜代替電纜傳遞信號(hào),從而進(jìn)一步減少信號(hào)耦合路徑。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,艦船通信系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題非常復(fù)雜,涉及到很多方面。良好的電磁兼容設(shè)計(jì)會(huì)有效抑制干擾并減少對(duì)外界的輻射,能夠提高設(shè)備在復(fù)雜海洋電磁環(huán)境下的性能。從原理設(shè)計(jì)階段就要充分考慮電磁兼容問(wèn)題,在電路板設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備安裝時(shí)同樣要將電磁兼容作為重要的因素。綜合采用各種措施可使艦船通信系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題得以有效解決。

[1] 畢季明,黃小華.海軍艦船電磁兼容控制技術(shù)與措施[J].艦船電子工程,2007,27(2):201-203.

[2] 周輝,石志軍,劉力天.復(fù)雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)場(chǎng)通信保障策略[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(6):1-5.

[3] 葉小舟.通信設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量,2005(2):73-75.

[4] 李華.艦船信息處理系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(11):147-151.

[5] 白運(yùn)芳.電磁兼容與電磁兼容設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2008,38(11):34-36.

[6] 生建友.抗干擾通信設(shè)備的電磁兼容性和熱設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗,2002,25(1):36-39.

[7] 謝菁,梁志強(qiáng).電磁兼容性設(shè)計(jì)在通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(6):180-182.

[8] 金華標(biāo),吳軍,李鶴鳴.船用電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2009,33(3):479-482.

[9] 曹軍旗,姚殿民,陶玉剛.艦船通信系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)分析[J].環(huán)境技術(shù),2013(2):33-36.

[10] 陶爽.對(duì)艦船通信系統(tǒng)電磁兼容的探討[J].中國(guó)集體經(jīng)濟(jì),2009(7):172-173.

EMC in Shipboard Communication System

HAN Gang CHEN Dong ZHOU Shuguang

(No. 91917 Troop of PLA, Beijing 102401)

The EMC(Electromagnetic Compatibility) problems in shipboard communication system were discussed, at the same time the interference sources and channels were analyzed. And the methods to reduce EMC problems were proposed. It was discussed to reduce EMC problems by means of system design, PCB design, equipment structure design and equipments installment. By applying all those methods synthetically, the EMC problems could be minimized.

shipboard communication system, EMC, anti-interference

2013年8月3日,

2013年9月21日

韓剛,男,工程師,研究方向:艦船通信保障。陳冬,男,博士,工程師,研究方向:數(shù)字通信。

TN914

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.039