艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁兼容性研究

杜軍欣 陳維義 徐義桂

摘要：提高艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備抗電磁干擾能力，是適應(yīng)現(xiàn)代信息化海戰(zhàn)中復(fù)雜電磁環(huán)境的必然要求。本文介紹了艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中可能存在的主要電磁干擾，并從不同的干擾源及耦合通道考慮，提出了提高艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁兼容性的措施，是對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下機(jī)載設(shè)備保障的一次有益探索。

關(guān)鍵詞：艦載無(wú)人機(jī);機(jī)載設(shè)備;復(fù)雜電磁環(huán)境;電磁兼容性

0 引言

隨著通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息安全技術(shù)、微電子技術(shù)和人工智能技術(shù)等的迅猛發(fā)展，信息化現(xiàn)代高技術(shù)裝備大量投入海戰(zhàn)場(chǎng)，未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。而艦載無(wú)人機(jī)“麻雀雖小，但五臟俱全”，裝載的設(shè)備多，如無(wú)人機(jī)導(dǎo)航設(shè)備、無(wú)線通信設(shè)備、光電傳感器設(shè)備、電子對(duì)抗設(shè)備、飛行控制設(shè)備、電氣系統(tǒng)和敵我識(shí)別系統(tǒng)等。這些機(jī)載設(shè)備極易受到復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾進(jìn)而影響無(wú)人機(jī)整體的作戰(zhàn)效能。研究海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性，對(duì)提高艦載無(wú)人機(jī)在海戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)斗力，奪取海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的主動(dòng)權(quán)意義重大。電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在同一預(yù)期的電磁環(huán)境中，能按設(shè)計(jì)要求正常執(zhí)行功能而不互相干擾的兼容狀態(tài)，也是設(shè)備或系統(tǒng)抗電磁干擾主要性能之一[1]。

1 艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁環(huán)境分析

復(fù)雜的電磁環(huán)境是指在設(shè)備或系統(tǒng)在執(zhí)行功能時(shí)，其在一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)，由頻域、時(shí)域、空域及能量上分布的復(fù)雜、密集電磁信號(hào)的總和[1]。主要特點(diǎn)頻域上表現(xiàn)為頻譜寬、頻段交錯(cuò)重疊;時(shí)域上表現(xiàn)為變幻莫測(cè)、密集交迭;空域上表現(xiàn)為“無(wú)處不在、無(wú)形無(wú)影”;能量上表現(xiàn)為密度不均、跌宕起伏等[1][2]。常提的電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI）是指在電磁信號(hào)的騷擾下所引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾的形成必須同時(shí)具備三個(gè)最基本要素：干擾源、耦合通道、敏感設(shè)備，如圖1所示。

艦載無(wú)人機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，機(jī)載設(shè)備受到的電磁干擾源很多，主要有：

1.1 艦載無(wú)人機(jī)自身內(nèi)部的電磁干擾

（1）機(jī)載電子設(shè)備間引起的干擾。通訊設(shè)備、光電設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、電子干擾設(shè)備、發(fā)射/接收天線等正常工作時(shí)都會(huì)伴隨著電磁信號(hào)的發(fā)射，這些電磁信號(hào)會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)備造成干擾，此時(shí)它們就是干擾源。如艦載無(wú)人機(jī)在執(zhí)行目標(biāo)抵近偵察、跟蹤監(jiān)視及電子對(duì)抗等作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，往往伴隨著大量圖像或視頻情報(bào)信息、飛行控制信息等的信號(hào)發(fā)送與接收。這信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中同時(shí)會(huì)伴隨著信號(hào)諧波分量的發(fā)送，尤其是對(duì)于大功率的通訊電臺(tái)設(shè)備，其諧波分量的能量比較大，會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)其它設(shè)備產(chǎn)生較大的干擾。

（2）電氣設(shè)備引起的干擾。電氣設(shè)備：電源、繼電器、微控制器、磁性元器件、變壓器、瞬態(tài)開(kāi)關(guān)等工作時(shí)斷續(xù)電流在觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生電火花，產(chǎn)生電磁脈沖信號(hào)，也會(huì)成為干擾源對(duì)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生干擾。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)電火花信號(hào)引起的干擾。無(wú)人機(jī)目前主要采用的是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。以某型活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作為例，由于火花塞電子打火產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁脈沖信號(hào)，根據(jù)測(cè)試情況[2]，發(fā)動(dòng)機(jī)輻射電磁信號(hào)具有如下特征：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為3000～6000轉(zhuǎn)/分鐘，也即是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)工作每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生打火電磁脈沖信號(hào)2次，打火電磁脈沖信號(hào)寬度近似固定為20微秒，所以，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的電磁脈沖的基本特征為PW=20微秒，PRI=5～10毫秒;發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的電磁信號(hào)的載頻范圍較寬為50MHz～4GHz;發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的電磁信號(hào)的功率不恒定。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)電火花信號(hào)也是對(duì)機(jī)載設(shè)備的主要電磁干擾之一。

（4）干擾耦合。無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，設(shè)備同時(shí)工作會(huì)造成設(shè)備電磁噪聲的抬高，在與其它電磁干擾耦合，造成電磁干擾的疊加，從而對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電磁干擾。同時(shí)全機(jī)電纜的干擾耦合也是較大的干擾源，在艦載無(wú)人機(jī)狹小的空間內(nèi)密集分布著眾多的電子設(shè)備，設(shè)備之間的由于需要傳輸數(shù)字、模擬和時(shí)鐘等不同的功能信號(hào)，故需各種信號(hào)線纜與電源線纜的連接;而線纜在傳輸信號(hào)時(shí)可作為一部輻射天線，向無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備輻射電磁場(chǎng)，干擾機(jī)載設(shè)備的正常功能;線纜之間又存在寄生電感和電容現(xiàn)象，產(chǎn)生互擾、串?dāng)_問(wèn)題[5][11]?？傊?，全機(jī)線纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與設(shè)備內(nèi)部電路及外部電磁場(chǎng)耦合，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。

1.2 編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)飛行對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的電磁干擾

由于無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)具有隱蔽性好、造低成本高效費(fèi)比、生存能力強(qiáng)、操作靈活等特點(diǎn)，可擔(dān)負(fù)情報(bào)偵察支援、電子對(duì)抗、空中打擊、無(wú)線通信中繼等任務(wù)，具有出色的空中編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的能力。在執(zhí)行編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)通過(guò)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線通信，加劇了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性，從而會(huì)對(duì)機(jī)載設(shè)備造成電磁干擾。同時(shí)在現(xiàn)代空戰(zhàn)中，無(wú)人機(jī)—無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)—有人機(jī)混合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)規(guī)模將會(huì)成為普遍，雖然這種混合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能更好的完成作戰(zhàn)任務(wù)，但也會(huì)增加戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜程度。

1.3 戰(zhàn)場(chǎng)敵我雙方非無(wú)人機(jī)設(shè)備對(duì)機(jī)載設(shè)備的電磁干擾

海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，敵我雙方為了爭(zhēng)奪戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)，艦載搜索雷達(dá)、艦載光電設(shè)備等需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)警探測(cè)搜素;艦船編隊(duì)間通過(guò)艦載通訊電臺(tái)進(jìn)行無(wú)線通信;艦載武器系統(tǒng)需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤瞄準(zhǔn)或發(fā)射電磁脈沖彈;敵方電子對(duì)抗設(shè)備攻擊，等等[12]。這些過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生高功率的電磁脈沖或微波等，造成海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境愈加惡劣，對(duì)艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備造成電磁干擾。這些電磁干擾信號(hào)對(duì)艦載無(wú)人機(jī)的干擾影響主要表現(xiàn)為：直接通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載天線等，造成機(jī)載天線設(shè)備的性能下降甚至損壞;透過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)殼蒙皮或機(jī)殼孔隙等，與內(nèi)部機(jī)載設(shè)備或線纜發(fā)生電磁干擾耦合，從而對(duì)處于戰(zhàn)場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)造成電磁干擾，降低無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)效能[11]等等。

1.4 海戰(zhàn)場(chǎng)自然電磁干擾

海戰(zhàn)場(chǎng)自然電磁干擾源也很多，有雷電、地球表面磁場(chǎng)、外太空電磁輻射等，但主要是雷電噪聲的干擾，雷電電磁脈沖是一種伴隨在雷電放電過(guò)程中的電流瞬變和電磁輻射信號(hào)，對(duì)艦載無(wú)人機(jī)具有較強(qiáng)的電磁干擾。由于海洋氣候復(fù)雜多變，當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)常遇到雷電。當(dāng)艦載無(wú)人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，除了被雷電擊毀及降雨導(dǎo)致設(shè)備損壞外，雷電產(chǎn)生的電磁信號(hào)噪聲干擾就會(huì)擾亂無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，造成傳輸數(shù)據(jù)誤碼率增大。

2 艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)

針對(duì)上述干擾源，在艦載無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格按照無(wú)人機(jī)電磁兼容的設(shè)計(jì)方法，從各方面考慮艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備可能存在的電磁兼容性問(wèn)題，將主要的電磁干擾加以抑制，降低電磁干擾的影響使其符合艦載無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提升艦載無(wú)人機(jī)的整體作戰(zhàn)效能。結(jié)合國(guó)內(nèi)外科研專(zhuān)家對(duì)無(wú)人機(jī)電磁兼容性的研究經(jīng)驗(yàn)，以及海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境和艦載設(shè)備狀況，從形成電磁干擾的三個(gè)基本要素（干擾源、耦合通道、敏感設(shè)備）考慮，本文提出以下抑制電磁干擾、提高艦載無(wú)人機(jī)電磁兼容性的措施：

2.1屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)具體講是將元部件、電路、電纜、設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)等的干擾源置于一個(gè)完全導(dǎo)電的“法拉第籠內(nèi)”，起到對(duì)電磁干擾信號(hào)隔離屏蔽的效果，即防止干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)向外擴(kuò)散傳播，同時(shí)又防止自身設(shè)備受到外界的電磁干擾的技術(shù)。

無(wú)人機(jī)殼體常采用玻璃鋼的復(fù)合材料，殼體表面通過(guò)涂覆導(dǎo)電導(dǎo)磁材料、電鍍、黏貼薄金屬箔、化學(xué)鍍等措施形成電磁隔離屏蔽層，可有效抑制外部電磁干擾信號(hào)的透入及內(nèi)部電磁干擾信號(hào)的向外發(fā)射。對(duì)于內(nèi)部元部件和設(shè)備等的屏蔽主要采用機(jī)體殼體屏蔽措施，在殼體或殼體孔縫處的表面貼附屏蔽材料并且盡可能縮小殼體上的孔隙，對(duì)一些高頻的電路元器件、大功率射頻設(shè)備以及敏感度高的設(shè)備等實(shí)現(xiàn)二次屏蔽，首先將其安裝在金屬盒子內(nèi)，然后再裝入全封閉形式的機(jī)箱內(nèi)。線纜的屏蔽則采用對(duì)線纜表層包裹吸收和屏蔽電磁干擾的材料層。

無(wú)人機(jī)機(jī)身加工時(shí)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際加工工藝的要求，機(jī)身不可能設(shè)計(jì)成一個(gè)無(wú)孔縫的屏蔽體，使得機(jī)身存在的眾多孔隙、孔洞等不連續(xù)結(jié)構(gòu)，其會(huì)成為電磁干耦合的傳播途徑，極大降低了機(jī)身的電磁干擾屏蔽效能。因此，對(duì)于機(jī)身面板結(jié)合處的接縫處的電磁干擾防護(hù)，有研究結(jié)果表明[9][11]，可通過(guò)采用增加金屬搭接面，增加縫隙深度，裝配面增加電磁密封襯墊等措施來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于機(jī)身上通風(fēng)孔隙的電磁干擾防護(hù)，可通過(guò)采用小圓孔縫代替長(zhǎng)槽縫，在通風(fēng)孔縫處安裝金屬濾網(wǎng)、鋁制波導(dǎo)通風(fēng)窗，把大孔改成小孔等措施來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于設(shè)備顯示窗口的電磁干擾防護(hù)，由于為了保證顯示窗口的透明度，可以通過(guò)采用使用透明導(dǎo)電膜或編織金屬篩網(wǎng)的樹(shù)脂玻璃等復(fù)合材料的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2濾波技術(shù)

電磁干擾濾波是由電阻、電感、電容等無(wú)源或有源器件組成選擇性濾波器，從含有噪聲的信號(hào)中濾去噪聲提取有用信號(hào)分量的技術(shù)，也是抑制電磁信號(hào)干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。電磁干擾濾波器大體上可以分為四大類(lèi)：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。

艦載無(wú)人機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)噪聲的不同特點(diǎn)，正確選擇抗電磁干擾的濾波器件。針對(duì)從機(jī)載天線耦合而來(lái)的高功率電磁干擾信號(hào)，可以采用在機(jī)載天線的外部接口處裝配帶通濾波器，來(lái)達(dá)到對(duì)接收有用電磁信號(hào)濾波匹配的目的。針對(duì)從線纜部分耦合而來(lái)的信號(hào)，可采用電源濾波器（低通濾波器）來(lái)進(jìn)行干擾濾波。同時(shí)對(duì)于從全機(jī)線纜帶來(lái)的耦合電磁干擾，可以使用電纜濾波器（也就是將特殊鐵氧體的材料來(lái)填充電纜線內(nèi)部而制成的濾波器），有研究表明使用電纜濾波使得同軸傳輸電纜線的電磁損耗效能比在空氣中增大若干倍。PCB設(shè)計(jì)中在易受干擾的部位添加旁路電容也可以起到降低噪聲消減干擾的效果[11]。對(duì)于艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備內(nèi)部整體濾波器的安裝位置的選擇，應(yīng)該根據(jù)電磁干擾源的耦合通道來(lái)決定;若一個(gè)干擾源干擾著多個(gè)設(shè)備，則在在臨近干擾源的一側(cè)安裝濾波器;反之，若多干擾源干擾一個(gè)設(shè)備，則在臨近設(shè)備的一側(cè)安裝濾波器。用電阻器、電容器及電感器等元器件的組合成的濾波器對(duì)干擾電壓或電流進(jìn)行旁路、吸收、隔離、濾除及去耦等處理是一種抑制電磁干擾的有效方法。

2.3接地技術(shù)

接地技術(shù)也是抑制電磁干擾，提高艦載無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備電磁兼容性的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)載設(shè)備正確的接地方式既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)射電磁干擾。接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)電位基準(zhǔn)面之間建立低阻抗的導(dǎo)通電路。本文提到的接地技術(shù)概念的“基準(zhǔn)地”是指信號(hào)回路的基準(zhǔn)導(dǎo)體，并且設(shè)該基準(zhǔn)導(dǎo)體電位為相對(duì)零電位，不一定是“大地電位”。常用的接地措施有將無(wú)人機(jī)的電磁屏蔽罩和機(jī)殼等屏蔽體接地;將電纜屏蔽層接地;復(fù)雜電子設(shè)備或系統(tǒng)接地等。

2.4編隊(duì)飛行戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用

艦載無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)到達(dá)指定作戰(zhàn)區(qū)域前可采用航路規(guī)劃自主航行，在自主航行階段將無(wú)人機(jī)機(jī)載天線設(shè)備等靜默，從而可有效減少編隊(duì)飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)系統(tǒng)間干擾信號(hào)的影響。

2.5抑制互耦干擾的影響

艦載無(wú)人機(jī)中由于空間狹小，設(shè)備安裝密集，容易產(chǎn)生互耦干擾現(xiàn)象。無(wú)人機(jī)中互耦干擾主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)經(jīng)直接連通的電路耦合到敏感設(shè)備上，稱(chēng)之傳導(dǎo)干擾;一類(lèi)是因?yàn)榕R近的導(dǎo)體或回路所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)耦合而產(chǎn)生干擾，稱(chēng)之感應(yīng)類(lèi)干擾。在艦載無(wú)人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于設(shè)備的線纜應(yīng)該按照功率、頻率等分類(lèi)：不同類(lèi)的線纜分開(kāi)捆扎固定，相鄰的線纜之間應(yīng)事先采用屏蔽材料包裹，不同類(lèi)的線纜之間的鋪設(shè)距離應(yīng)保證在50厘米以上;線纜長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短，線纜拐角盡可能采用互相垂直、斜交走線，信號(hào)線間盡可能用地線隔開(kāi)，信號(hào)線、電源線盡可能接近地線層并盡量走向一致，這樣可有效抑制線纜耦合干擾的影響。在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)電路板時(shí)，應(yīng)選用多層板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)/模等電路分別安排在不同板層結(jié)構(gòu)內(nèi);強(qiáng)干擾源應(yīng)該單獨(dú)安裝在一板層結(jié)構(gòu)中，不能臨近高敏感度的電路層;對(duì)于高電平電路與敏感電路間應(yīng)該盡可能的隔開(kāi);電源層的位置應(yīng)在接地層下方并盡可能臨近接地層;輸入/輸出端的相鄰電纜導(dǎo)線應(yīng)盡量避免平行，且最好在兩者電纜導(dǎo)線之間加上地線[5]。這樣可降低各種互耦干擾對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)備的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著海軍艦載無(wú)人機(jī)裝備性能的不斷完善與提高，同時(shí)為了滿(mǎn)足海軍多任務(wù)作戰(zhàn)的模式，各種復(fù)雜高性能的機(jī)載設(shè)備將逐步裝載至無(wú)人機(jī)上。本文對(duì)復(fù)雜海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的主要電磁干擾及兼容性進(jìn)行了分析，為今后艦載無(wú)人機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

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