艦載電子對抗系統電磁兼容性設計分析

楊躍輪

（海裝上海局，上海 200083）

1 概 述

隨著艦載電子設備數量及種類的不斷增加，艦載電子對抗系統面臨本艦的電磁環境日益復雜。在這種復雜的電磁環境中，如何減少系統與系統、設備與設備之間及設備內部的電磁干擾，使艦載電子對抗系統能夠發揮出最大的作用，是一個亟待解決的問題。

所謂電磁兼容，通常指在某一規定的工作環境中，電子設備或系統以給定的安全余量，按設計的能力運行，且不因干擾而降低其性能，同時又不向該環境排放超過允許范圍的擾動［1］。

艦載電子對抗系統裝艦后即面臨兩大電磁兼容問題：一是艦載電子對抗系統與艦上其它電子設備（如通訊系統、導彈系統、雷達系統、導航系統等電子設備）之間的電磁兼容問題；二是電子對抗系統內部設備與設備之間（如偵察設備與干擾設備之間），以及各設備內部的電磁兼容問題。

對于第1類問題，一般由艦總體設計單位采用頻域、時域分配及通過結構設計減少艦面反射等方法統一進行電磁兼容設計，并通過電磁兼容管理實現全艦電子設備（系統）間的電磁兼容。本文的重點在第2類問題。

2 艦載電子對抗系統設備內部電磁兼容性設計

艦載電子對抗系統內設備一般由電路和機柜機箱組成，每個電路既是干擾源，本身也是敏感設備。對艦載電子對抗系統設備內部的電磁兼容設計主要從電磁干擾形成的三要素入手，即抑制干擾源、切斷耦合途徑和提高敏感設備抗擾度。

抑制電磁干擾源的方法一般有：

（1）盡量去掉對設備工作用處不大的潛在干擾源，以減少干擾源數量；

（2）恰當選擇元器件和線路的工作模式，盡量使設備工作在特性曲線的線性區域，以使諧波成分降低；

（3）對電磁發射信號進行功率控制和頻帶控制；

（4）合理選擇脈沖波形，不盲目追求上升沿；

（5）控制產生電弧放電和電火花，宜選用工作電平低或有觸點保護的繼電器以及加工精密的直流電機；

（6）應用良好的線路設計技術（包括接地技術）來抑制地線干擾。

抑制干擾耦合的方法一般有：

（1）把攜帶電磁噪聲大的元器件和導線與敏感元器件隔離；

（2）縮短干擾耦合路徑的長度，使相應導線盡量短，必要時使用屏蔽線；

（3）應用屏蔽技術隔離或減少輻射途徑的電磁干擾；

（4）應用濾波器、脈沖吸收器、隔離變壓器和光電耦合器等濾除或減少傳導途徑的電磁干擾。

提高敏感設備抗擾能力的方法一般有：對于抑制干擾源的措施一般也同樣適用于敏感設備的保護；此外，在設計中盡量少用低電平器件，不盲目追求高速器件，去掉那些不十分需要的敏感器件，適當控制輸入靈敏度等。

2.1 電路電磁兼容設計

在電路電磁兼容設計時盡量選用相互干擾小的元器件，并在結構上合理布局，大量采用接地、屏蔽、濾波等技術，降低所產生的干擾電平，增加干擾在傳播途徑上的衰減，一般應在如下幾個方面需要重點注意：

2.1.1 元器件的選擇

電路選擇的元器件滿足電磁特性的程度決定著功能單元和設備整體滿足電磁兼容性的程度，有時使用的元器件本身就是一個干擾源，因此，正確選擇元器件對設備的電磁兼容性非常重要。

2.1.2 電路電磁兼容設計

在進行電路設計時，除了考慮電路的技術性能指標滿足要求外，還要考慮電路的電磁兼容性，如：電子元器件的引腳要盡量短，引腳越短，電磁干擾越小，表貼器件有更小的安裝面積和更低的安裝位置，所以有更好的電磁兼容性能。

邏輯電路在設計時要考慮由于高頻數字信號正負電平轉換時間短、轉換電流大、往往會產生尖脈沖，并通過電源線給系統帶來致命的干擾，一般可以通過在器件的單元輸入端就近并聯一個小電容來旁路尖峰干擾，將多余的端口接地或通過電阻接電源，防止端口感應造成干擾。

在邏輯電路中，數字信號傳輸線的處理也相當重要，當電路在高速運行時，在源和目的地間的阻抗匹配非常重要，匹配不好將會引起信號反饋和阻尼震蕩。

本振和中頻電路一般都有較大的泄漏，所以在設計時重點要考慮屏蔽和濾波的方法。

2.1.3 印制電路板電磁兼容設計

隨著電子技術的飛速發展，印制電路板的集成度越來越高，印制板電路設計的好壞對電路的電磁兼容性能影響越來越大，因此在印制板電路電磁兼容設計中特別強調合理布局和布線問題。合理布局包括合理的板層設置、正確的元器件布局及有效的功能模塊電路劃分，這樣可減少各單元間的互相干擾。

在印制板布局時一般要注意將低頻的模擬電路和數字電路分開，避免模擬電路、數字電路和電源公共回線產生公共阻抗耦合；時鐘產生器盡量靠近使用該時鐘的器件，石英晶體振蕩器外殼要接地，并用地線將時鐘區圈起來，時鐘線盡量短。

在印制板布線時一般要注意從減少輻射干擾的角度出發，盡量選擇多層板，內層分別做電源層、地線層，用于降低供電線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲，電源線、地線及印制導線在印制板上的排列要恰當，盡量做到短而直，以減少信號線與回線之間形成的環路面積。

2.2 機柜電磁兼容設計

在進行電子設備的電磁兼容設計時，除了做好電路本身的電磁兼容設計外，機柜或機箱的電磁兼容性能對整個設備的電磁兼容性能影響更大，在進行機柜或機箱的電磁兼容設計時一般要采取屏蔽、濾波及良好的接地技術，下面分別進行分析：

2.2.1 機柜的屏蔽設計

實際上機柜的屏蔽效能是抑制干擾耦合的有效方法，機柜的屏蔽性能依賴于機柜良好的結構設計，機柜的材料一般選用鋁、銅等，主要的屏蔽機理是反射信號而不是吸收信號，因此機柜的導電連續性決定了機柜的電磁兼容性，機柜上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。

解決機柜縫隙電磁泄露的方式是在縫隙處加電磁密封襯墊，電磁密封襯墊是一種導電的彈性材料，它能夠保持隙縫處的導電連續性。常見的電磁密封襯墊有導電橡膠、金屬編織網套等。

機柜上開口的電磁泄露與開口的形狀、輻射源的特性和輻射源到開口的距離有關，通過適當設計開口的尺寸和輻射源到開口的距離改善屏蔽效果。

2.2.2 機柜濾波技術

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施，無論是抑制干擾源、消除耦合或提高敏感電路的抗干擾能力，都可以采用濾波技術。

濾波器可以顯著減小傳導干擾的電平，當干擾譜成分不同于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成分有良好的抑制能力，從而起到其他干擾抑制難以起到的作用。濾波器有很多種類，對于不同設備、不同功能、不同信號、不同傳輸方式，其濾波器的設計均各不相同，因此應根據干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗參數及負載特性的要求，適當選擇濾波器。

2.2.3 機柜接地技術

由于任何電路的電流都要經過地線形成回路，因此接地是電路或系統正常工作的基本要求之一，同時接地存在接地電阻而引起接地干擾，而接地又是抑制干擾的一種技術措施，因此設備需要良好的接地措施來改善其電磁兼容性能。

機柜內一般設置3種接地樁，分別是模擬地、數字地和機殼地，這3種地要分別走線，以免在地線上互相引起串擾；接地方法有浮地、單點接地和多點接地3種基本形式。為了保證電路正常工作，同時又盡量減少接地干擾，必須恰當選擇接地點的個數及接地點的位置。

考慮到趨膚效應，接地線需要選用帶狀編織線。如果對接地要求很高，還可在其表面鍍銀，這主要為了是減小導線的表面電阻率，達到減小接地電阻的目的。

2.2.4 機柜內部布局與布線

機柜內部合理布局也是改善機柜電磁兼容性能的有效措施之一，合理的布局應該按不同的功能分別安裝（如高頻電路、低頻電路），對在功能上相近部件靠近安裝，以便使部件與部件之間的連線最短，對于電源模塊能夠提供有效的電場、磁場屏蔽，并且最好遠離對電磁場比較敏感的部件。

機柜內合理布線也能夠改善設備的電磁兼容性能，因此在進行機柜布線時，要做到：

（1）機柜中各種裸露布線要盡量短；

（2）傳輸不同信號的導線分組捆扎，并保持適當距離，以減小導線間相互影響；

（3）傳輸數字信號的扁平帶狀線，應采用地-信號-地-信號的排列方式，這樣不僅可以有效抑制干擾，也可明顯提高其抗擾度；

（4）將低頻進線和回線絞合在一起，形成雙絞線，這樣兩線之間存在的騷擾電流幾乎大小相等，方向相反，其騷擾場在空間可以相互抵消；

（5）導線的種類要根據傳輸信號的頻率來選擇，并盡可能選擇屏蔽線。

3 艦載電子對抗系統設備之間電磁兼容設計

艦載電子對抗系統主要由雷達偵察設備、雷達有源干擾設備、無源光電干擾設備、通信干擾設備等組成，艦載電子對抗系統設備之間最棘手的電磁兼容問題是雷達偵察設備與雷達干擾設備之間的收發隔離問題，雷達偵察設備的特點是工作頻帶寬，一般可達到0.2～ 40GHz，靈敏度可達到 -60 ～-70dBm以上。

雷達有源干擾設備的有效輻射功率連續波噪聲干擾高達數百千瓦，脈沖欺騙干擾功率甚至可以高達兆瓦級，將如此高的接收機靈敏度和極強的輻射功率安裝在一個平臺上，要解決收發隔離確實有很大的難度，但這個問題又必須解決，否則，整個電子對抗系統無法正常工作，因此，必須要加強電子對抗系統設備之間的電磁兼容設計，研究新技術、新方法，解決艦載子對抗系統的收發隔離問題［2-3］。

3.1 偵察設備與干擾設備之間的收發隔離設計

收發隔離一般在雷達偵察設備與干擾機的接收、發射天線端測量，隔離度公式：

式中：Pc為干擾機的發射功率；Prmin為偵察機靈敏度。

從公式（1）可以看出，電子對抗系統的隔離度是以干擾機的發射功率和偵察機的靈敏度來定義的，因此，將有2個方面的因素影響收發隔離度：一是兩天線之間的直接耦合；一是干擾機周圍的環境產生的耦合。具體分析這兩方面的影響，便可得出減小耦合、增大收發隔離的措施。

根據雷達方程：

式中：Pr為雷達偵察接收機接收到的干擾信號功率；Pc為干擾機發射功率；Gc（α）為干擾機在α發射角的天線增益；Gr（β）為雷達偵察接收機在β接收角的天線增益；λ為工作波長；R為干擾機發射天線與偵察機接收天線之間的距離。

由式（2），令Pr≤Prmin，可得收發天線間干擾信號的衰減量，即收發天線的隔離度：

實船安裝的天線，兩者之間的電磁波傳播距離不一定滿足遠場區要求，但這不影響設備之間的電磁兼容理論分析。由公式（3）可以看出，提高收發隔離度可以采取以下幾個措施：

3.1.1 增加雷達偵察天線與雷達干擾機發射天線之間的距離

增加收發天線的距離可以提高天線的收發隔離度，但收發天線的距離受艦船安裝位置的限制沒有太大的調整余地；而且，增加收發天線的距離對收發隔離度的貢獻不大。從公式（3）可計算得到距離增大1倍，收發隔離度增加6dB。

3.1.2 安裝收發隔離板

在收發天線間加裝隔離板，對發射天線的側向輻射進行吸收，阻斷發射天線與接收天線之間的直接傳播，隔離效果明顯。實踐表明設計合理的隔離板可以有約20dB的隔離度。

3.1.3 優化設計發射天線與接收天線

對發射天線和接收天線進行優化設計，減少天線的副瓣增益；將發射天線和接收天線設計成正交極化，增大極化隔離；同時在天線的口面涂敷吸收材料等措施，阻斷干擾信號從副瓣進入接收天線的通路，提高收發隔離度。

3.1.4 涂敷吸收材料

天線的環境耦合對收發隔離度的影響很大，艦載電子對抗系統收發隔離度受到天線在艦上安裝位置的限制，艦上的桅桿、建筑物等都會對干擾信號形成強烈的反射，造成收發天線之間的耦合。

因此，在艦艇桅桿、建筑物表面涂敷吸收材料，可以有效增加天線之間的隔離度。

3.1.5 天線安裝在穩定平臺上

海面反射也是造成天線收發隔離度不高的因素之一。現代電子對抗系統的天線一般都是采用電掃描方式，優點是系統的反應時間快，能夠在最短的時間內完成對周圍電磁環境的偵察，并對高威脅雷達進行干擾；缺點是由于沒有伺服系統，當艦艇搖擺時，干擾天線副瓣甚至是主瓣信號都有可能照射到海面，造成嚴重電磁干擾。

如果把偵察天線和干擾天線都安裝在一個穩定平臺上，當艦艇搖擺時，天線始終穩定在水平方向，可大大減少由于海面反射造成的干擾。

3.2 電子戰系統電磁兼容優化設計

當上述措施仍不能解決收發隔離問題，只能從設備本身解決問題，主要措施是：一降低偵察機的接收靈敏度；二是偵察機、干擾機分時工作。

降低偵察機靈敏度是一種最為簡單的處理方法，通過降低偵察設備性能來換取收發隔離要求，一般偵察機在顯控臺上可以人工設置靈敏度。

傳統的電子對抗系統中時分工作就是干擾機發射干擾信號的同時給偵察機一個發射脈沖，偵察機在發射脈沖時間內不偵收任何信號，這樣保證系統能夠正常工作。

由于在干擾工作時偵察機完全停止工作，干擾信號的頻率、周期等參數完全是采用記憶的方式進行，一旦雷達參數變化，這種記憶跟蹤的方式可能很快就會偏離真實的雷達信號，從而影響系統的干擾效果。

為了克服完全時分的缺點，可以采用靈敏度時分、方位時分及頻率時分的辦法，分別介紹如下：

3.2.1 靈敏度時分

所謂靈敏度時分，就是在時分工作的干擾時段內，將干擾機輸出的干擾波門送到偵察機去控制偵察接收機的靈敏度，在干擾波門內，偵察機采用中低靈敏度工作；在干擾波門外，偵察機采用正常靈敏度工作。采用這種方法最大限度地發揮了偵察機的能力。

3.2.2 方位時分

所謂方位時分，就是在時分工作的干擾時段內，將干擾機輸出的干擾波門送到偵察機去控制偵察接收機的方位接收支路。

這項工作在電子對抗系統裝艦后的電磁兼容摸底試驗中就可以完成，方法是通過干擾機在向α方向發射干擾信號時，找到偵察機受到最嚴重干擾的方向β，建立α和β的對應表。在干擾波門內，偵察機在β方向的接收之路采用中低靈敏度工作；在干擾波門外，偵察機采用正常靈敏度工作。

3.2.3 頻率時分

所謂頻率時分，就是在時分工作的干擾時段內，將干擾機輸出的干擾波門送到偵察機去控制偵察機的測頻接收機，在干擾波門內，偵察機對干擾頻段內的信號采用中低靈敏度工作，在干擾頻段外的雷達信號，偵察機采用正常靈敏度工作。采用這種方法也能最大限度地發揮偵察機的能力。

4 結束語

本文針對艦載電子對抗系統的特點，論述了從電子對抗設備內部到電子對抗系統設備之間可能采取的一些電磁兼容性措施，希望能對實際裝艦的電子對抗系統和設備在處理電磁兼容問題方面有所幫助。

［1］ 何宏，張寶峰，張大建，等.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［2］ 朱文立.電磁兼容設計與整改對策［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［3］ 蘇東林，王冰切.電子戰特種飛機電磁兼容預設計技術［J］.北京航空航天大學學報，2006，32（1）：1241-1245.