小型艦船總體電磁兼容控制初探

王飛 劉靜

摘 要：本文介紹了小型艦船電磁兼容的特殊性，對小型艦船露天區(qū)電磁環(huán)境的構(gòu)成與特性進(jìn)行了分析。并結(jié)合某內(nèi)河巡邏艇實例，對總體電磁兼容控制從設(shè)計、建造、試驗等階段進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：小型艦船;EMC特性分析;EMC控制

中圖分類號：U665.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

二十世紀(jì)四、五十年代后，隨著第三次工業(yè)革命的發(fā)展，人類社會逐步進(jìn)入到計算機(jī)、微電子時代?，F(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇搭載了大量電子設(shè)備，包括：雷達(dá)、電子對抗、通信、導(dǎo)航設(shè)備等，這些電子設(shè)備對外輻射、接收各種頻段電磁波，極大地提升了艦艇平臺的信息感知能力、警戒探測能力以及快速精準(zhǔn)打擊能力。隨之而來的電磁兼容性問題日益凸顯，在1982年英阿馬島戰(zhàn)爭中，英國4 000 t級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“謝菲爾德”號由于衛(wèi)通系統(tǒng)與雷達(dá)之間存在電磁兼容問題，使得該艦在衛(wèi)通系統(tǒng)工作期間被迫關(guān)閉雷達(dá)設(shè)備，喪失了警戒探測能力，導(dǎo)致該艦被阿根廷“飛魚”導(dǎo)彈擊沉。

與大型水面艦艇相比，由于小型艦艇平臺空間有限，各類電子設(shè)備的艙面/艙內(nèi)布置、艙內(nèi)電纜布放均更加緊密，由此帶來的電磁兼容問題更加突出。一旦小型艦艇的電磁兼容問題處理不好，輕則引起設(shè)備性能降低或消失，重則造成設(shè)備損壞，人員受危害、引起由電引爆的武器爆炸、使揮發(fā)性易燃物品燃燒[2]，嚴(yán)重地影響艦艇作戰(zhàn)能力的充分發(fā)揮，生存能力將大打折扣。能否有效解決小型艦艇面臨的電磁兼容問題，使人員、設(shè)備不受電磁輻射危害影響，使各類電子設(shè)備能在小型艦艇平臺上互不影響、兼容工作，成為小型艦艇設(shè)計的關(guān)鍵因素。

2 小型艦船電磁環(huán)境分析

要解決小型艦船的電磁兼容問題，首先要開展艦船電磁環(huán)境（ EME）分析。EME是指艦船空間內(nèi)電磁能量的分布，包括露天區(qū)和艙室內(nèi)的電磁場強(qiáng)度以及供電系統(tǒng)中的傳導(dǎo)干擾電平[1]。相較于大中型艦船，空間受限的小型艦船的EME更為復(fù)雜和惡劣。

2.1 露天區(qū)電磁環(huán)境構(gòu)成與特性

構(gòu)成艦船露天區(qū)電磁場的是多個電磁輻射源的合成場[1]。小型艦船由于船體主尺度較小，桅桿高度較低，露天甲板空間有限，其電子設(shè)備通常配置：一部搜索雷達(dá)、一部跟蹤雷達(dá)或光電跟蹤儀、一套電子戰(zhàn)設(shè)備、一部導(dǎo)航雷達(dá);無線電通信設(shè)備一般配置1/2部短波電臺、2/3部VHF/UHF甚高頻電臺、一套C/ku/ka衛(wèi)通設(shè)備。小型艦船的電磁輻射頻率范圍，與大中型艦船一致：從高頻（3 - 30MHz）、甚高頻（30 - 300MHz）、特高頻（300 -3 000 MHz）、超高頻（3G- 30CHz）、直到極高頻（30 G- 300 CHz）;雷達(dá)采用脈沖波/連續(xù)波方式工作;通信電臺主要采用連續(xù)波方式丁作;各類輻射源的功率范圍從數(shù)十瓦到數(shù)千瓦不等。

2.2 艙內(nèi)電磁環(huán)境的構(gòu)成與特性

艙內(nèi)電磁環(huán)境主要構(gòu)成為艙室空間的電磁泄露、輻射，以及電網(wǎng)上的各種傳導(dǎo)干擾。電磁泄露、輻射主要由艙內(nèi)布置的各類電子設(shè)備機(jī)柜、機(jī)箱、顯示器所引起;除此以外，各電子電氣設(shè)備機(jī)殼接地、電纜屏蔽等處理不良、有關(guān)艙室門的屏蔽處理不良以及各種進(jìn)出艙室電纜、管路接地處理不良等，也會引起電磁場泄露;傳導(dǎo)干擾主要由接入電網(wǎng)的各類強(qiáng)電供電電源、整流器所造成。

由于上述電子設(shè)備（包括機(jī)柜、機(jī)箱、顯示器、供電電源、整流器等）白身因素造成的電磁場泄露、電纜傳導(dǎo)干擾為設(shè)備層級因素，通過設(shè)備在設(shè)計、制造過程中滿足國軍標(biāo)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的具體指標(biāo)要求，對其電場磁場泄漏和傳導(dǎo)干擾進(jìn)行控制;各類接地、屏蔽處理不良等因素為系統(tǒng)、平臺層級因素，必須在設(shè)計、建造期間通過全船電磁兼容綜合措施來加以控制。

2.3 全船電磁兼容控制措施

基于以上對小型艦船內(nèi)外電磁環(huán)境的分析，在小型艦船的設(shè)計、在建造過程中，在外部空間、艙室空間均十分有限的條件下，必須在設(shè)計期間從頂層開展總體電磁兼容設(shè)計，建造期間采用合理的電磁兼容工藝，通過布置優(yōu)化、頻段隔離、濾波隔離、屏蔽隔離等電磁干擾控制手段[2]，控制全船電場和磁場泄漏以及外部電磁串?dāng)_，使得眾多布局集中、工作體制不同、頻段不同、輻射功率不等的各類電子設(shè)備之間互相兼容工作。

3 某內(nèi)河巡邏艇總體電磁兼容控制

某船東委托設(shè)計一型內(nèi)河巡邏艇，其主要任務(wù)是內(nèi)河流域的警戒巡邏、護(hù)漁護(hù)航、搶險救災(zāi)等。船東明確要求本艇的設(shè)計、建造必須滿足相應(yīng)國軍標(biāo)要求，在艇載射頻發(fā)射設(shè)備工作的電磁環(huán)境條件下，艇載電子、電氣設(shè)備均能正常兼容工作。

3.1 全艇電磁兼容總體設(shè)計控制

開展全艇電磁兼容設(shè)計之前，需要準(zhǔn)確了解本船艙內(nèi)、艙外的基本電磁環(huán)境，分析本船各類輻射源和敏感源的種類及初步分布位置，進(jìn)行模擬仿真測試;根據(jù)結(jié)果開展總體電磁兼容設(shè)計，包括艙外天線的布置、艙內(nèi)設(shè)備的布局、重點艙室及全艇電磁兼容工藝要求等，通過有效、可靠的電磁兼容施工工藝，增強(qiáng)艇載敏感設(shè)備的抗電磁干擾能力;實船建造完畢進(jìn)行電磁兼容環(huán)境測試，對交付狀態(tài)的全艇電磁兼容性進(jìn)行分析評估，對不合格項目進(jìn)行整改，形成本艇電磁兼容性說明及管理控制措施報告。

3.2艙外電磁兼容環(huán)境及優(yōu)化

3.2.1全艇艙面總體布置

本艇總長約44 m、型寬7.8 m、排水量約200 t，主甲板以上的上層建筑甲板面長約17 m、寬約7.5 m、面積約120 m2，其間需要布置桅桿、部分電氣設(shè)備等，空間極為緊張。

本艇由于任務(wù)需求，在有限的上層建筑露天甲板區(qū)域，布置有短波、超短波電臺通信天線、超短波視頻傳輸天線、衛(wèi)通天線、導(dǎo)航雷達(dá)、北斗天線等共13付收發(fā)天線及傳感器，有關(guān)艙面布置見圖1。

3.2.2 全艇艙外天線電磁兼容布局優(yōu)化

在總體設(shè)計階段，在布局中充分利用艇總體結(jié)構(gòu)特點，如：左右舷、主甲板與桅桿、艇首、艇尾間的高度差、距離間隔及金屬結(jié)構(gòu)隔離等，并充分考慮各設(shè)備工作頻率帶寬、發(fā)射波形、發(fā)射功率等特點，對各類輻射源和敏感源進(jìn)行綜合布局優(yōu)化。

（1）通信天線的電磁兼容布局優(yōu)化

短波400 W大功率電臺通信天線布置在駕駛甲板尾部中部，UHF/VHF超短波天線及衛(wèi)星通信天線等其它通信天線則按照主備用原則，在駕駛室頂甲板呈對角布置，超短波視頻傳輸天線布置在桅桿頂端。

短波400 W大功率電臺通信天線，距離頂甲板UHF/VHF超短波電臺天線分別約4m、10 m，通過加大發(fā)射天線與敏感接收天線、傳感器間的布置距離以及充分利用艇上桅桿等金屬結(jié)構(gòu)隔離效果，以增加天線間隔離度指標(biāo)，確保滿足CJB/Z 36-93《艦船總體天線電磁兼容性要求》中對短波、超短波電臺同時工作的使用要求，而且當(dāng)400 W電臺滿功率發(fā)射時，在距發(fā)射天線1.5 m以外的露天區(qū)域的電磁場強(qiáng)輻射值均滿足GJB5313-200k4《電磁輻射暴露限值和測量方法》規(guī)定的安全限值要求。

在桅桿頂端布置的超短波視頻傳輸天線，利用桅桿與甲板之間高度差，拉開與駕駛室頂甲板平臺布置的超短波天線之間的空間距離，以確保不會對其產(chǎn)生干擾。

（2）導(dǎo)航設(shè)備的電磁兼容布局優(yōu)化

導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射機(jī)布置于桅桿頂部，由于導(dǎo)航雷達(dá)工作頻率為X波段，且工作方式為俯仰角0°- 360°旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)導(dǎo)航雷達(dá)滿功率發(fā)射時，駕駛室頂部上層建筑平臺、武器裝備布置區(qū)域的微波功率密度值均滿足CJB5313-2004《電磁輻射暴露限值和測量方法》規(guī)定的安全限值要求。

3.3 重點艙室的電磁兼容性設(shè)計

本艇的主要電子設(shè)備均布置在駕駛室或報務(wù)室，因此駕駛室、報務(wù)室是本艇電磁兼容重點艙室。必須根據(jù)設(shè)備的電磁兼容特性，結(jié)合設(shè)備的功能作用，進(jìn)行艙室布局及電纜敷設(shè)的綜合優(yōu)化，以滿足GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》對于艙室內(nèi)電磁環(huán)境的要求。

3.3.1駕駛室的優(yōu)化布置

駕駛室按照敏感設(shè)備要遠(yuǎn)離干擾源，敏感設(shè)備與干擾設(shè)備間的距離至少在100 mm以上的原則，來優(yōu)化布置。駕控臺內(nèi)設(shè)備布置采用局部分隔方式，電纜單獨敷設(shè)。甚高頻無線電話、UHF集群電臺、超短波電臺、衛(wèi)通設(shè)備等嵌入式發(fā)射設(shè)備相對集中布置在駕控臺最左側(cè)，與駕控臺內(nèi)其它設(shè)備保持距離。部分由于使用需求和考慮主備用使用關(guān)系而確需布置在有舷的發(fā)射設(shè)備，采取單獨上架式安裝的形式，獨立于駕控臺安裝于舷側(cè)，以確保對艙內(nèi)敏感設(shè)備的空間隔離。

3.3.2報務(wù)室的優(yōu)化布置

報務(wù)室內(nèi)布置有400 W功放、無線視頻傳輸主機(jī)等大功率發(fā)射源，為滿足艙室內(nèi)電磁兼容性，同樣采用敏感設(shè)備與干擾設(shè)備間的距離至少在100 mm以上的原則，通過將發(fā)射單元和接收單元保持距離分開布置進(jìn)行了電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計布置。

3.4 建造工藝

3.4.1 重點艙室的電磁兼容工藝

駕駛室和報務(wù)室作為本艇電磁兼容重點艙室，除了對設(shè)備和電纜進(jìn)行總體電磁兼容設(shè)計外，艙室整體必須進(jìn)行電磁兼容綜合處理。

報務(wù)室作為電磁屏蔽艙室，艙門采用電磁屏蔽門，并應(yīng)良好接地，接地電阻應(yīng)小于10 mΩ。由于敏感設(shè)備和電磁干擾設(shè)備比較多，報務(wù)室應(yīng)盡量少開門、窗、通風(fēng)口，必須開的門、孔應(yīng)盡量設(shè)在內(nèi)通道上;電纜束在穿越報務(wù)室時，需通過具有電磁屏蔽效能的電纜通艙件，做到電纜外屏蔽與電纜通艙件導(dǎo)電片良好接觸;通風(fēng)管路進(jìn)入報務(wù)室時，應(yīng)在艙室壁外側(cè)不大于150 mm處良好接地，接地電阻應(yīng)小于10 mΩ。進(jìn)入報務(wù)室的一類電纜必須接電源濾波器。

駕駛室作為重要的電子設(shè)備艙室，艙內(nèi)電子設(shè)備均應(yīng)良好接地，接地電阻應(yīng)小于10 mΩ;三類電纜敷設(shè)時盡量遠(yuǎn)離駕控臺等敏感電子設(shè)備較集中的部位。

與上述兩艙室無關(guān)的金屬管道、發(fā)射電纜、敏感電纜，不得進(jìn)入兩艙室。

3.4.2電纜的綜合布放

全艇電纜的布放要進(jìn)行綜合考慮，采用綜合分類、分束敷設(shè)布放的原則，減少強(qiáng)電電力電纜以及發(fā)射天線饋線電纜對弱電設(shè)備電纜的寬帶傳導(dǎo)等干擾耦合，以滿足GB 1446.40-92《艦船系統(tǒng)界面要求》對于電纜布置原則的要求。

根據(jù)電纜所傳輸信號的性質(zhì)、電平強(qiáng)弱等不同特性，將電力電源電纜、配電系統(tǒng)控制電纜等歸為一類電纜;將數(shù)字信號電纜、模擬信號電纜、各傳感器電纜、低頻低電平模擬信號電纜歸為二類電纜;將短波、超短波電臺等設(shè)備的饋線等歸為三類電纜。

各類電纜嚴(yán)格按照間隔至少100 mm的空間隔離要求[1]，盡量離開艙室門、孔、窗邊分托架敷設(shè);一類電纜敷設(shè)時必須保證其電纜外護(hù)套需一端接地（鎧裝）;縱向布放、通向艙面的電纜要盡量縮短艙內(nèi)布置距離;桅桿上敷設(shè)的三類電纜如超短波視頻傳輸天線饋線、超短波電臺天線饋線等應(yīng)分開敷設(shè);露天部位敷設(shè)的二類電纜等，都應(yīng)穿電纜管敷設(shè)，電纜外屏蔽層應(yīng)用搭接條與電纜管搭接，同時電纜管應(yīng)與艇體焊接。

3.4.3 全艇電磁兼容建造工藝

除了上述兩重點艙室外，在本艇的施丁建造過程中，必須嚴(yán)格按照電磁兼容工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，對甲板露天區(qū)域以及各類電氣、電子設(shè)備的搭接接地進(jìn)行電磁兼容處理。

（1）露天區(qū)域活動金屬構(gòu)件的電磁兼容工藝

為了減少露天區(qū)域活動金屬構(gòu)件的電磁散射、對電磁波的二次輻射，以及由于互調(diào)產(chǎn)生的電磁能量，露天區(qū)域的活動金屬構(gòu)件必須采取搭接、接地、絕緣等電磁兼容手段進(jìn)行處理。

（2）電子設(shè)備的接地工藝

所有電子設(shè)備均應(yīng)有機(jī)殼（安全、屏蔽）接地接口，接地接口可通過基座搭接接地或采用專用螺栓接地;布置在機(jī)柜的底下，并以標(biāo)記標(biāo)出;數(shù)字設(shè)備還應(yīng)設(shè)置與機(jī)殼絕緣的信號地接口，布置在機(jī)柜的上方，并以標(biāo)記標(biāo)出。

為了避免由于信號地、機(jī)殼地共地引起的干擾，要求電子設(shè)備在機(jī)器內(nèi)部將信號地、機(jī)殼地分開。

4 全艇電磁兼容環(huán)境綜合測試及評估

在全艇建造完畢后，為了驗證所用技術(shù)措施的正確性、判斷電磁兼容設(shè)計的合理性、確認(rèn)電子設(shè)備與所處環(huán)境的兼容性，需在試驗試航期間進(jìn)行全艇總體電磁兼容性試驗測試，以此摸清全艇裝艇電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)在艇總體布置和電磁環(huán)境下的電磁兼容性，特別是找出前期未注意或未發(fā)現(xiàn)的潛在電磁干擾[3]，并對不合格項目進(jìn)行整改，掌握總體電磁兼容性能。根據(jù)測試結(jié)果，制定并向船東用戶提交全艇電磁兼容性使用說明書及電磁管理控制措施。

4.1 全艇電磁兼容環(huán)境測試

按照國軍標(biāo)規(guī)定的測試方法，在系泊、航行試驗階段需進(jìn)行各項電磁兼容測試檢測。

（1）電磁兼容系泊試驗

在系泊狀態(tài)下，主要通過兩類測試包括接地電阻、電磁場強(qiáng)測試，以檢驗有關(guān)施工工藝質(zhì)量、電磁兼容優(yōu)化效果。

接地電阻測試，主要檢查甲板露天區(qū)域以及各類電氣、電子設(shè)備的搭接接地直流電阻值、重點艙室各設(shè)備的接地電阻值。

電磁場強(qiáng)測試，主要檢查重要輻射源如400 W短波電臺、導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射機(jī)等部位的電磁泄露值駕駛室、報務(wù)室電磁場強(qiáng)以及甲板露天區(qū)域短波、微波電磁場強(qiáng)值。

（2）電磁兼容航行試驗

在航行狀態(tài)下，主要通過海區(qū)電磁背景測試、通信設(shè)備工作頻率間隔測試及電子電氣設(shè)備效用干擾試驗，掌握全艇的電磁兼容性能，驗證設(shè)備之間的兼容工作情況。

4.2 總體電磁兼容性分析評估

依據(jù)總體電磁兼容性測試結(jié)果，對總體交付狀態(tài)的電磁兼容性進(jìn)行分析評估，形成本型艇電磁兼容性說明書及電磁管理控制措施報告，作為本型艇總體電磁兼容性控制工作的完工文件提交船東，對船東用戶的實際用船操作提供指導(dǎo)意見。

5 結(jié)語

本文討論了小型艦船電磁兼容的特殊性，對小型艦船露天區(qū)電磁環(huán)境的構(gòu)成與特性進(jìn)行了分析，并結(jié)合某內(nèi)河巡邏艇，對總體電磁兼容從設(shè)計、建造、試驗等各階段的控制措施、測試等進(jìn)行了介紹。對于類似艦船的電磁兼容總體設(shè)計，能起到一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]邵開文，等.艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2005.

[2]趙永甫，等.艦船概論[M].北京：海潮出版社，2004.

[3]劉孟孟.艦船總體電磁兼容方法研究[J].艦船電子工程，2019 （4）.