艦船電子系統電磁兼容性問題分析及對策

摘 要:艦船電子系統電磁兼容是艦船戰斗力的重要保障。本文從電磁干擾產生的原理出發，詳細闡述分析了艦船電子設備干擾產生機理及傳播途徑，討論了各系統的電磁兼容問題，從硬件軟件兩個方面為艦船電磁兼容設計給出了合理的建議與對策。

關鍵詞:艦船電磁兼容 電磁干擾 電磁兼容測試

中圖分類號:TN03文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0068-02

Abstract:The EMC(Electromagnetic Compatibility) of system on the shipboard is the important guarantee of battle capability.This paper elaborated the EMI(Electromagnetic interference) mechanism and propagation characteristics，which produced by electronic equipments on the warship，and analysed the system EMC issues.Furthermore，the author provided some reasonable suggestions and counter measure methods from the view of hardware and software.

Keywords:Shipboard Electromagnetic Compatibility，Electromagnetic interference，EMC measurement

隨著軍隊信息化建設的飛速發展，艦船平臺電子設備鋪設密集，種類繁多，平臺上電磁信號強度高、功率大、頻譜展寬，系統間存在的有意、無意干擾急劇增多，電磁環境十分惡劣。艦船電子系統電磁兼容成為現代艦船設計改裝過程中必須考量的一個重要因素，它不僅影響整個艦船系統工作的穩定性、可靠性，甚至可能破壞硬件電路。因此對艦船電磁環境進行詳細分析，認清電磁干擾源及傳播途徑，從工程實施的角度進行電磁兼容性設計具有十分重要的意義。

1 艦船電子系統的電磁干擾產生

進行電磁兼容性分析，首先必須認清電磁干擾是怎樣產生的。從構成電磁干擾的機理出發，任何系統設備電磁干擾離不開三個必要的因素:干擾源、耦合路徑和敏感設備(受擾體)圖1給出了其示意圖。在艦船上，要抑制電磁干擾實現系統設備間的兼容工作相應地從這三方面著手:抑制干擾源、隔斷傳播途徑以及提高設備抗干擾性能[1]。

1.1 干擾源

艦船上對應的干擾源種類很多，包括功能性干擾和非功能性干擾源。功能性干擾源指系統中某一部分的正常工作所產生的有用能量對其它部分的干擾，而非功能性干擾指無用的電磁能量所產生的干擾[2]。

(1)各無線電設備之間信號互擾;艦船上包括通信、導航、雷達、指控等電子設備，這些設備波長范圍從米波到毫米、亞毫米波段，各種信號形式都有，強度差別大，電子設備本身的強發射信號對另一設備產生電磁干擾，各電子設備信號在空間產生的諧波互調，交叉調制也可以通過無線形式向四周輻射形成電磁干擾。

(2)脈沖數字電路、開關電路及頻率振蕩電路干擾，各種電子設備的頻率源、其他振蕩電路、數字電路中的基準時鐘都屬于電磁輻射干擾源;此外，各設備變流穩壓電路所采用的開關電源開關頻率包含豐富的高次諧波，它不僅可以通過公共電流通道進入其主系統還具有較強的電磁輻射能力。受安裝空間限制及艦船一體化設計約束，艦載電子系統中脈沖數字電路、頻率振蕩電路和開關電路等強干擾源和單片機、DSP處理器件及大規模數字器件等敏感設備安放在一起從而形成嚴重自相干擾，甚至使設備不能正常工作(不僅傳數據不可靠或破壞ROM中的數據而使系統死鎖，還可能導致硬件破壞)。

(3)設備線纜間串擾;由于艦船空間狹窄，線纜分布密集，高頻率、大信號傳輸時導致平行的線纜間產生干擾，非平行纜間也可以經公共通道(電源、接地、船體)耦合強信號形成電磁干擾。這種干擾現象在一些小型艦船常見但很難消除。

1.2 電磁干擾的傳播途徑

艦船電磁耦合的基本途徑包括傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合途徑要求在干擾源與敏感設備之間有完整的電路連接，該電路可包括導線、供電電源、機架、接地平面、互感或電容等，只要一個返回通路將兩個電路直接連接起來，就會發生傳導耦合，此返回通路可以是另一根導線，也可以是公共接地回路、互感或電容[3]。輻射耦合途徑是干擾源的能量以電磁場的形式傳播的，根據干擾源與敏感設備的距離可分為近場耦合模式和遠場耦合模式，輻射耦合不僅存在于兩天線之間，設備的機殼、機殼的孔洞、傳輸線及元件之間都可能存在輻射耦合。

2 電磁兼容性的解決措施

2.1 硬件電磁兼容性的設計

(1)屏蔽

根據電磁干擾的產生原因，屏蔽設計措施包括電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽三種形式[4]。電場屏蔽是用密閉金屬屏蔽層把主干擾電路包起來，在艦載電子系統中，各種電源線都應加上金屬層屏蔽套，各種弱信號電纜也應進行屏蔽處理，以增強其抗電磁干擾性能。

磁場屏蔽針對低頻電路而言，通常采用具有一定厚度的高導磁性材料制作的密封容器。通信系統中的電源變壓器，天線驅動電機等設備產生的磁場為低頻磁場，必須采用磁場屏蔽的辦法，用鐵磁材料把干擾器件包起來。

電磁屏蔽主要針對高頻電磁輻射而言，其原理是電磁波傳播的路徑上放置金屬環，使入射電磁波在傳輸線表面產生一個渦流，這些渦流產生的電磁場抵消入射電磁波的電磁場，從而屏蔽住位于屏蔽層內的電路。

因此，在實際艦船電子環境中應視不同情況采取不同的屏蔽措施，對開關電源采用1mm厚的鍍鋅鋼板進行屏蔽;對CRT顯示器把陰極射線管屏蔽殼與機箱連成一體，能有效地實現電磁屏蔽，使顯示的圖像參數不受周圍雜散磁場的影響。同時必須采用覆蓋細金屬絲網或導電玻璃的方法阻止陰極射線管輻射的電磁能量穿透計算機顯示屏對其他系統造成干擾，各種電子設備金屬機殼應結構緊密形成良好屏蔽以減少設備電磁向外輻射。

(2)濾波

采用濾波器，防止本系統產生的電磁干擾通過公共電源通道傳到其它電子系統中，從而解決電源線、信號線的傳導干擾問題。

3)搭接

在兩金屬物體之間建立一條供電流流動的低阻抗連續通路，主要目的是保護設備與人身安全，防止雷電的危害，降低機箱和機殼射頻電流。為便于設備的維修，拆卸方便，可以采用螺釘、鉚釘或其它輔助零件進行半永久性搭接。變壓器搭接是接地屏蔽等措施有效發揮作用的基本要素，一般接地電阻應達到級。

(4)接地

將設備和艦船上的公共金屬部件(零電位參考面)之間建立連接，使整個通信系統有一個公共的零電位基準面，給高頻干擾電壓提供一個低阻抗通路，使系統免受干擾，防止雷電或高壓設備出故障危及設備安全。良好的接地還是保證屏蔽、搭接、濾波等電磁兼容設計有效地基本要素。

(5)設備合理布局和布線處理

除了考慮機柜結構重心因素外，必須從電磁兼容角度對設備進行合理布局，使變頻器、時鐘源、電源變換器、DSP處理器等強干擾設備和監控計算機、單片機、接收機等敏感設備在空間上盡量遠離。

另外，系統線纜種類多、密集、布線難度大，各種線纜間容易互相干擾，一般施工中為美觀常將走向方向相同的線捆在一起。但是，若將高低壓線、強弱信號線、交直流信號線捆扎在一起，必形成相互間干擾、影響系統正常工作，應將同一功能及電壓、等級相近的信號線、強電控制線、高壓電源線有大電流負載線分別歸類，捆扎在一起。

2.2 軟件電磁兼容性設計

優點在于不需硬件資源，不改變硬件環境，不需對干擾源精確定位，因此以簡化電路設計，這種設計方法不僅靈活、方便，而且在有些情況下可以解決硬件電路無法解決的電磁干擾問題。

缺點是耗費時間，因軟件設計主要利用數字濾波代替硬件濾波，用重復讀取、比較來判斷輸入、輸出，因此多付出時間，在已引起硬件破壞而使ROM、RAM中數據缺失時軟件抗干擾將不起作用。

(1)軟件電磁兼容性的主要措施

①軟件陷井法。在程序的適應地方加一些陷井語句和陷井出口語句，這些語句不影響程序的正常運行，在計算機、單片機受到強電磁干擾時，程序會死鎖，當程序運行一旦落入預設的陷井中，因陷井出口是設計者都預先設定的，因此程序進入可控階段，如果陷井出口即系統程序自恢復的入口，則系統程序就可重新自動恢復正常運行。

②時間計數法。當計算機程序受到電磁干擾進入死循環，時間計數法對系統恢復非常有效，可以先設計一個超時處理程序，先對定時器初始化處理(設定定時常數)然后啟動定時并開始執行正常的程序。當程序死鎖時，將導致計時器溢出，輸出一個超時信號，然后CPU按設計者設立的處理方案進行報警并使系統重新恢復。

③軟件數字濾波法。軟件濾波法只需利用計算技術，不僅可以省去硬件，而且可以消除頻率很低的干擾(如幾HZ以下的低頻干擾)具體做法是按一定的數學模型對輸入數據進行處理。例如，可通過對一個輸入數據分兩輪進行采樣，每次采樣4次，將每一次采樣數據按大小排列，去除最大值和最小值？原數平均數，經過一定時間進行第二次采樣，按同樣方法對數據進行處理，最后將兩輪采樣的數據平均值作為實際采樣值輸出。

④軟件容錯法。大部分干擾都是瞬時出現的，因此可利用軟件容錯法來消除或抑制電磁干擾信號影響，當系統因干擾原因運行出錯時，系統立即對發生錯誤的那些過程重新執行一次，或在一定的時間間隔內重復執行幾次，一般可以對錯誤進行糾正，但在系統檢測到錯誤時應保護現場，保留當時的指令地址及初始數據，然后程序計數器指針比值回到出錯前一步，重新執行過程。

2.3 電磁兼容性的EMI測量和EMC試驗

(1)電磁兼容設計測量。目的主要是檢驗硬件電磁兼容設計是否滿足技術指標要求，測量內容一般有頻譜特性數量，電磁輻射場強測量，濾波器測量，接地和搭接測量，屏蔽性能測量，電線電纜耦合測量等項。

(2)單臺設備或敏感度測量。為了對電磁干擾心中有數，有必要對單臺設備或系統進行敏感度測量[5]。具體做法是將規定能量的連續波，調制到連續波，尖峰脈沖信號等電磁干擾信號注入不同地點。注入地點有電源線、互扎線、地線、機殼，鍵盤和無線輸入端等部位，測出不同部位對不同干擾信號的抗干擾敏感度。

(3)進行系統EMC試驗，為了檢測整個通信系統能否滿足電磁兼容性要求，應將通信系統各分系統全部開機，然后檢驗通信系統各分系統能否兼容工作，同時還要檢驗能否和其他系統及其他電子系統兼容工作。

3 結語

由于艦船電磁環境條件惡劣，對電子系統可靠性要求又高，因此電磁兼容性問題是系統設計面臨的關鍵技術問題，必須從系統分析的角度出發，分清哪些是干擾源，電磁干擾是通過什么途徑傳播的，同時，采取相應的屏蔽，搭接，濾波等電磁兼容性措施切斷干擾源的傳播途徑，使各通信系統能相互兼容工作，并不對其它任務系統和原有電子系統構成干擾。

參考文獻

[1]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設計和預測技術.北京:北京航空航天大學出版社，1997.

[2]孟進.電力電子系統傳導干擾建模和預測方法研究[D].海軍工程大學，2006.

[3]段建晉，閻毓杰.“基于傳輸線方法的電纜耦合預測技術”[J].艦船電子工程，vol.28，2008.

[4]黃崇敬，陳銘.艦船通信系統電磁兼容研究[C].中國通信學會第五屆學術年會論文集，2008.

[5]劉民，闞德鵬.大型電子系統平臺電磁兼容驗證測試方案研究[J].中國電子科學研究院學報，2006.

①作者簡介:賀健(1978年-)，湖南衡陽人，92854部隊工程師，主要研究方向:無線擴頻通信，艦船電磁兼容與防護等。