封閉式桅桿內(nèi)的電磁干擾試驗(yàn)研究

李艷龍，嚴(yán)海妍，王駒

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108

0 引言

雷達(dá)波隱身是現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題，而桅桿處于艦艇結(jié)構(gòu)的最高位置，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷達(dá)波反射，由此成為全艦結(jié)構(gòu)外形隱身的重要組成部分。尤其是桅桿上布置了大量的艦載雷達(dá)和通信等天線，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮桅桿自身的隱身性，更要考慮其上各種天線的布置方式。

封閉式桅桿技術(shù)通過(guò)將雷達(dá)、通信等射頻設(shè)備的天線布置于由復(fù)合帶通濾波層板組成的封閉桅桿結(jié)構(gòu)內(nèi)，層板與桅桿表面共形，使天線布置與桅桿隱身設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到大幅度提高艦船雷達(dá)波隱身性能的目的。在國(guó)外，如美國(guó)的先進(jìn)封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)（AEM/S）、英國(guó)的先進(jìn)技術(shù)桅桿（ATM）及集成天線、德國(guó)的多探測(cè)器桅桿（IMSEM）及集成天線、荷蘭的綜合桅桿等就是采用這種技術(shù)作為基礎(chǔ)延伸而來(lái)［1-4］。但由于桅桿結(jié)構(gòu)表面對(duì)天線帶外能量的封閉特性，造成電磁能量無(wú)法向空間輻射，由此可能會(huì)帶來(lái)不同設(shè)備間的電磁兼容性問(wèn)題［5］。國(guó)內(nèi)關(guān)于射頻集成技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)中也提出了封閉桅桿內(nèi)的諧振腔效應(yīng)、串音干擾等電磁兼容性問(wèn)題［6］。

由于封閉式桅桿多采用平面板陣天線，所以其電磁干擾防護(hù)還要考慮板陣天線的布置特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的艦船設(shè)計(jì)中，離散布置的天線，在存在諧波干擾情況下可將其分開(kāi)布置，例如，分別布置于桅桿前、后，利用距離和桅桿的遮擋大幅增加天線之間的空間隔離度。但在封閉式桅桿的設(shè)計(jì)中，由于空間有限，大量的板陣天線要通過(guò)桅桿表面的帶通復(fù)合層板進(jìn)行對(duì)外輻射，且板陣天線之間的間隔距離由傳統(tǒng)布置的十幾米甚至幾十米降到了幾米，空間隔離度急劇減小，對(duì)減小天線間的電磁耦合極為不利。與此同時(shí)，由于平面陣天線是大功率輻射和高敏感共體，其固有特性對(duì)天線隔離度提出了更高的要求，從相關(guān)研究成果得到的結(jié)論是，要保證兩個(gè)不同頻段的平面陣天線不存在雜波干擾，必須提供大于150 dB的隔離度［7］。

國(guó)外對(duì)陣面天線間的隔離度已進(jìn)行過(guò)一定的研究［8］。陣列A和B，其輻射單元個(gè)數(shù)分別為n和i，則兩個(gè)陣列之間隔離度SAi的計(jì)算方法為

式中：Sni為陣列A中單元n與陣列B中單元i的耦合系數(shù)；In為單元n的激勵(lì)振幅；?～n為激勵(lì)相位。就平面陣天線的布置而言，兩天線不會(huì)存在主波束的直射，其直接的電磁耦合發(fā)生在兩個(gè)陣面天線的邊緣，對(duì)于這種情況，根據(jù)以上公式已進(jìn)行了陣面天線間的干擾耦合計(jì)算和試驗(yàn)研究，得到天線同平面布置時(shí)電磁耦合，要比交錯(cuò)布置和不同平面布置時(shí)大的結(jié)論。該研究可以為封閉桅桿的電磁干擾控制提供借鑒。國(guó)內(nèi)對(duì)艦載天線之間的耦合干擾解決措施也進(jìn)行了相關(guān)的研究［9-10］。

為研究封閉式桅桿的電磁干擾特性，將設(shè)計(jì)相關(guān)的試驗(yàn)，觀察在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的電磁干擾現(xiàn)象，并對(duì)干擾原因進(jìn)行分析，以提出一些控制干擾的措施。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

圖1所示為試驗(yàn)用封閉式桅桿的部分截圖。在桅桿表面分別貼壁安裝測(cè)試天線1和測(cè)試天線2的復(fù)合帶通濾波層板，與桅桿外形共形，同面上、下布置，兩個(gè)平板測(cè)試天線分別安裝于桅桿內(nèi)部各自濾波層板的后端，桅桿上除兩副帶通復(fù)合層板由選頻透波材料（FSS）等非金屬材料構(gòu)成外，其余均為鋼結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，測(cè)試天線位于帶通復(fù)合層板與鋼質(zhì)桅桿組成的封閉空間內(nèi)。

已知兩副天線均為收發(fā)共用，其中測(cè)試天線1工作于S波段，其工作頻率為f1；測(cè)試天線2工作于L波段，其工作頻率為f2。

圖1 試驗(yàn)桅桿布置示意圖Fig.1 Arrangement of the mast for experiment

一般通過(guò)觀察干擾設(shè)備發(fā)射前、后接收設(shè)備顯示部分的變化來(lái)判斷電磁干擾是否存在?？紤]到電子設(shè)備本身的信號(hào)處理能力不同，同樣的電磁干擾在不同設(shè)備的后端表現(xiàn)未必一致，因此在進(jìn)行艦船總體電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，暫不考慮設(shè)備后端的信號(hào)處理能力，只看天線射頻端口進(jìn)入的干擾信號(hào)大小，也即測(cè)試收發(fā)天線之間的隔離度，然后再結(jié)合天線的發(fā)射功率和接收機(jī)的敏感電平，即可判斷出接收設(shè)備是否受到了電磁干擾。

本次試驗(yàn)主要驗(yàn)證測(cè)試天線1和測(cè)試天線2在一發(fā)一收狀態(tài)下的電磁干擾特性。對(duì)于測(cè)試天線1對(duì)測(cè)試天線2的干擾研究，試驗(yàn)過(guò)程分兩步：

1）測(cè)試天線1不發(fā)射時(shí)，測(cè)試天線2處于接收狀態(tài)，用頻譜儀掃描測(cè)試天線2的射頻端口，得到此時(shí)測(cè)試天線2工作頻帶內(nèi)的幅頻特性；

2）測(cè)試天線1發(fā)射時(shí)，測(cè)試天線2仍處于接收狀態(tài)，再次掃描測(cè)試天線2射頻端口的幅頻特性。

測(cè)試天線2對(duì)測(cè)試天線1的電磁干擾測(cè)試與上述方法相同。

由試驗(yàn)結(jié)果（圖2和圖3）發(fā)現(xiàn)：

1）在測(cè)試天線2對(duì)測(cè)試天線1的電磁干擾試驗(yàn)中，兩個(gè)步驟的測(cè)試曲線基本相同，可以認(rèn)為不存在電磁干擾；

2）但在測(cè)試天線1對(duì)測(cè)試天線2的干擾試驗(yàn)中，在測(cè)試天線2的工作頻點(diǎn)f2處，測(cè)試天線1發(fā)射時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)約-53.8 dBm的信號(hào)電平，而在測(cè)試天線1不發(fā)射時(shí)，此處的信號(hào)電平大約只有-92.18 dBm。

對(duì)測(cè)試天線1和測(cè)試天線2所對(duì)應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)功能性驗(yàn)證，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試天線1發(fā)射時(shí)，測(cè)試天線2的設(shè)備功能出現(xiàn)了被干擾現(xiàn)象。

圖3 測(cè)試天線1發(fā)射時(shí)測(cè)試天線2的接收電平Fig.3 Received power of No.2 antenna when No.1 antenna is working

在進(jìn)行上述測(cè)試之前，為排除干擾（來(lái)自環(huán)境的電磁噪聲），掃描了較寬頻帶范圍內(nèi)的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在頻率f2處背景環(huán)境較干凈。綜合以上試驗(yàn)測(cè)試，可以確定測(cè)試天線1對(duì)測(cè)試天線2造成了電磁干擾。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)可以得到測(cè)試天線1對(duì)測(cè)試天線2造成了電磁干擾的結(jié)論。分析兩副天線的工作頻率，其頻率之間正好存在四倍頻關(guān)系，即f2=4×f1，所以判定是諧波干擾。諧波干擾是最普遍，也是最難抑制的一種電磁干擾現(xiàn)象，具體分析其耦合途徑如下。

首先，測(cè)試天線1的諧波通過(guò)帶通復(fù)合層板輻射出去后，再次通過(guò)復(fù)合帶通濾波層板被測(cè)試天線2接收到的信號(hào)極小。這是因?yàn)閮筛碧炀€不存在主波束直接照射的情況，在近場(chǎng)條件下，只能是兩個(gè)陣面相鄰的邊沿單元的耦合干擾。

陣面天線由一定數(shù)量的輻射單元構(gòu)成，每個(gè)輻射單元的能量和天線本身的輻射能量相比較小，而天線單元發(fā)射的諧波幅度又遠(yuǎn)小于其發(fā)射的主頻幅度。實(shí)際中，在對(duì)測(cè)試天線1的復(fù)合帶通濾波層板進(jìn)行插入損耗試驗(yàn)時(shí)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明在非工作頻段內(nèi)電磁波通過(guò)帶通復(fù)合層板發(fā)射到桅桿外部的能量很小。

圖4為測(cè)試天線1對(duì)應(yīng)的復(fù)合帶通濾波層板的插入損耗測(cè)試曲線。在其工作頻點(diǎn)f1處，插入損耗不超過(guò)2 dB；而在頻率f2處，插入損耗超過(guò)了20 dB。分析認(rèn)為，頻率f2處復(fù)合帶通濾波層板對(duì)測(cè)試天線1的信號(hào)是隔斷的，而金屬材料的屏蔽特性也造成了電磁波的無(wú)法射出；因此對(duì)以上設(shè)計(jì)方式而言，桅桿內(nèi)部非帶通頻段的電磁能向外部空間釋放的部分很小，可以忽略不計(jì)。

圖4 復(fù)合帶通濾波層板的插入損耗曲線Fig.4 The insert loss of FSS radome

所以少數(shù)陣面天線邊緣輻射單元的諧波能量在通過(guò)測(cè)試天線1的選頻透波天線罩層板超過(guò)20 dB的能量衰減后，已遠(yuǎn)低于接收天線的敏感門(mén)限，如果再加上測(cè)試天線1和測(cè)試天線2之間的路徑衰減，測(cè)試天線2能被干擾到的幾率就很小，就試驗(yàn)現(xiàn)象而言，這不會(huì)是主要的電磁干擾途徑。

再?gòu)奈U內(nèi)部著手分析。由于測(cè)試天線1和測(cè)試天線2上、下布置的距離在1 m左右，且在同一方向布置，兩者之間并無(wú)遮擋，其空間隔離度有限，因此如果測(cè)試天線1發(fā)射的諧波信號(hào)在桅桿內(nèi)部通過(guò)較短的路徑被測(cè)試天線2接收，將有可能會(huì)出現(xiàn)這樣的干擾信號(hào)。由圖1可以看出，封閉式桅桿內(nèi)部電磁耦合的較短路徑包括測(cè)試天線1的發(fā)射信號(hào)通過(guò)前壁的反射進(jìn)入測(cè)試天線2，甚至有可能通過(guò)板陣天線的端射直接耦合。

桅桿內(nèi)部的電磁干擾由集成桅桿的封閉特性所造成，它是不同功能和種類(lèi)的天線封閉在射頻綜合系統(tǒng)內(nèi)時(shí)，其中輻射或泄露的諧波無(wú)法向外空間輻射，通過(guò)內(nèi)壁反射或直接耦合的方式，被受試天線接收即形成干擾。

集成桅桿由鋼質(zhì)主體和選頻透波材料的天線罩組成，測(cè)試天線1和測(cè)試天線2分別置于桅桿內(nèi)部。金屬材料的桅桿內(nèi)部壁板和各種結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波具有屏蔽特性，而選頻透波材料理論上則只對(duì)測(cè)試天線1和測(cè)試天線2的工作頻段進(jìn)行選頻透波。因?qū)商炀€非工作頻段的電磁輻射來(lái)講是一個(gè)封閉的空間，所以非復(fù)合帶通濾波層板通帶內(nèi)的電磁波大部分會(huì)在封閉的桅桿內(nèi)部進(jìn)行多次反射，每次反射都會(huì)使電磁能的一部分轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉。但如果這部分電磁能耦合進(jìn)入電纜或是其它接收設(shè)備，則有可能會(huì)對(duì)其它設(shè)備的使用造成一定的干擾。

本文暫不考慮電纜與天線之間的電磁耦合。試驗(yàn)中采用的均為雙層屏蔽電纜（分屏蔽和鍍錫銅絲鎧裝，電纜型號(hào)JHQYJP85/SC），在實(shí)際中，屏蔽電纜受外界電磁耦合的能量很小。所以，電磁耦合主要發(fā)生在天線陣面或設(shè)備的電纜頭接入端。

另外，電磁波的能量在封閉桅桿內(nèi)壁的多次反射有可能會(huì)使干擾耦合的途徑變得相當(dāng)復(fù)雜而難以進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，同時(shí)也會(huì)加重桅桿內(nèi)部的電磁干擾，因此必須采取措施加以防護(hù)。

3 電磁防護(hù)措施

在本文的試驗(yàn)方案中，兩副天線均布置于封閉式桅桿內(nèi)部，電磁干擾也可能通過(guò)桅桿內(nèi)壁的反射耦合。當(dāng)然,如果兩副天線之間不存在諧波關(guān)系，那這種諧波干擾便不會(huì)存在，即使桅桿內(nèi)部的電磁干擾被接收天線引入，由于不在接收設(shè)備的工作頻帶內(nèi)，接收機(jī)的預(yù)選器即可將其濾除，所以不會(huì)造成干擾現(xiàn)象。但若為了消除諧波干擾而去改變?cè)O(shè)備的工作頻率則不合適，而應(yīng)通過(guò)優(yōu)化天線布置去消除干擾。

電磁干擾的控制主要是通過(guò)阻斷電磁耦合通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。由干擾傳遞途徑的分析可以看到，在端射情況下，實(shí)際是測(cè)試天線1的邊緣單元輻射的諧波信號(hào)直接耦合到鄰近的測(cè)試天線2的邊緣單元。因此，可以在接收天線靠近發(fā)射天線的邊緣按照?qǐng)D5所示加裝尖劈型的吸波材料，這樣就可以隔斷端射路徑，發(fā)射天線的干擾信號(hào)被吸波材料衰減掉后便不會(huì)到達(dá)接收天線陣面。但這樣的方式一般在試驗(yàn)狀態(tài)下才會(huì)采用，在實(shí)船狀態(tài)下，考慮到布置的美觀和持久性以及空間需求，尖劈狀的吸波材料不符合要求，而采用涂敷式的吸波材料又勢(shì)必會(huì)犧牲接收天線邊緣的部分工作單元，因此也不適宜采用。

圖5 天線邊沿敷設(shè)吸波材料Fig.5 Absorbing material on the antenna

還可以在兩天線陣面之間加裝一金屬擋板，這樣端射的電磁波便能被金屬擋板阻隔，可以改善邊緣單元電磁耦合的情況。但考慮到電磁波的繞射影響，采用金屬擋板遮擋電磁波的效果并不顯著，這個(gè)結(jié)論在相關(guān)文獻(xiàn)中也有理論推導(dǎo)［9］。由桅桿內(nèi)壁的反射造成的電磁干擾也可以通過(guò)在兩天線間的桅桿內(nèi)壁上涂敷吸波材料來(lái)改善。

另外，也可通過(guò)兩副天線的分層布置來(lái)解決電磁反射問(wèn)題（圖6）。電磁能被限制在本層的金屬表面來(lái)回反射直至最終轉(zhuǎn)化為熱量，而收、發(fā)天線之間因?yàn)橛辛思装宓母魯?，干擾信號(hào)的影響會(huì)顯著改善。

圖6 天線分層布置Fig.6 The antennas arranged at different decks

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看到存在諧波關(guān)系的收發(fā)板陣天線采用封閉式桅桿的布置方式時(shí)，在同層、同面布置可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，這種電磁干擾是由近距離布置的兩副天線之間的邊緣直接照射以及桅桿內(nèi)壁的電磁反射所造成，它是封閉式桅桿的固有特點(diǎn)。

在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)天線的優(yōu)化布置來(lái)解決上述問(wèn)題?？蓪⒕哂兄C波關(guān)系的收發(fā)天線分層布置，這樣，便可通過(guò)金屬甲板來(lái)加大兩天線間的空間隔離度，進(jìn)而減小甚至是消除諧波干擾現(xiàn)象。如果兩天線間分層布置后仍然存在諧波干擾，可以采用再次增加天線間隔離度的方法，例如，將天線的上、下距離拉大或天線分層但不共面布置，以及在甲板及艙壁上涂敷吸波材料等。

封閉式桅桿為艦船的雷達(dá)波隱身性提供了較好的解決方案，但隨之而來(lái)的電磁兼容性問(wèn)題卻帶來(lái)了新的變化：天線間空間距離的減小使得離散天線時(shí)的布置方式不再勝任，陣面天線的大量布置與桅桿上空間有限的矛盾凸顯。但對(duì)于設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵是要從干擾現(xiàn)象中分析出干擾耦合路徑，通過(guò)天線的優(yōu)化布置來(lái)解決干擾問(wèn)題。

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