綜合試驗(yàn)船電磁兼容性設(shè)計(jì)與應(yīng)用

歐盛春，屈骎宇，朱新平

(1. 中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京 100041；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

綜合試驗(yàn)船搭載的無(wú)線電設(shè)備及天線較多，除船舶航行需要及海事部門規(guī)定的航行所需器材外，通常還需配置包括搜索雷達(dá)、光電監(jiān)視設(shè)備、衛(wèi)星通信、短波及LTE通信設(shè)備等在內(nèi)的多類電子設(shè)備，以及試驗(yàn)設(shè)備，電磁覆蓋波段較寬，因此對(duì)綜合試驗(yàn)船的電磁兼容性提出了較高要求。

作為國(guó)內(nèi)首艘民用綜合試驗(yàn)船，“電科1號(hào)”在設(shè)計(jì)建造階段將全船電磁兼容性設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。本文以該船為例對(duì)綜合試驗(yàn)船電磁兼容性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 電磁兼容性設(shè)計(jì)分析

在設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目組參照《GJB 1389-92系統(tǒng)電磁兼容性要求》，對(duì)“電科1號(hào)”設(shè)備電纜選型、系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)、線纜布放設(shè)計(jì)及甲板天線布局等方面分別進(jìn)行了電磁兼容性需求分析，核心要求可概括為：在不顯著增加建造成本的情況下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)使得綜合試驗(yàn)船全船設(shè)備及臨時(shí)加裝的待驗(yàn)設(shè)備彼此間干擾及外部電磁波干擾最小化且可控，保障各設(shè)備使用壽命及功能性能不受影響。

為達(dá)到上述需求，“電科1號(hào)”電磁兼容性設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)方面：設(shè)備單機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝布置設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布線與供電設(shè)計(jì)及系統(tǒng)設(shè)備頻率功率使用管理設(shè)計(jì)。

2 設(shè)備單機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)

“電科1號(hào)”電子任務(wù)系統(tǒng)各主要組成設(shè)備電路板、機(jī)箱及機(jī)柜全采用數(shù)字地、模擬地及機(jī)殼地分開(kāi)設(shè)計(jì)。電路的數(shù)字信號(hào)地線、模擬信號(hào)地線和電源地線均分別走線，然后按支流、干流匯集到一點(diǎn)，降低地線回流干擾。各組成設(shè)備機(jī)箱的上、下蓋板及前面板接觸面做導(dǎo)電氧化處理，保證機(jī)箱接地電連續(xù)性，并在接觸面上嵌入導(dǎo)電橡膠條，前面板上安裝的連接器加裝導(dǎo)電橡膠墊。各設(shè)備機(jī)柜殼體設(shè)計(jì)有防電磁泄露金屬網(wǎng)，防止電磁輻射對(duì)其它設(shè)備造成影響。

對(duì)于計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、ADS-B設(shè)備、AIS設(shè)備、氣象設(shè)備及北斗設(shè)備等通用設(shè)備，需根據(jù)各型號(hào)的技術(shù)規(guī)格書(shū)及使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)選擇符合系統(tǒng)電磁兼容相關(guān)要求的型號(hào)進(jìn)行采購(gòu)，保障設(shè)備工作時(shí)不會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。

3 設(shè)備安裝布置設(shè)計(jì)

3.1 天線的安裝布置

“電科1號(hào)”的電磁環(huán)境可劃分為露天區(qū)和艙室內(nèi)兩部分。露天區(qū)電磁環(huán)境是由多個(gè)輻射源的電磁場(chǎng)合成，其主要發(fā)射源包括船上的各種通信、導(dǎo)航及探測(cè)設(shè)備的發(fā)射天線。在有限的羅經(jīng)甲板和雷達(dá)桅桿上布置天線是無(wú)法按理論布置達(dá)到完美，只能進(jìn)行折中妥協(xié)，減少盲區(qū)，減少干擾[1]。為避免高功率發(fā)射源在船體表面形成高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，危害船載電子設(shè)備，干擾正常的導(dǎo)航、通信和指揮，“電科1號(hào)”經(jīng)過(guò)等效電路[2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]等建模方法分析及仿真[4]，最終采用如下天線布局形式，如圖1所示。

對(duì)于導(dǎo)航雷達(dá)、衛(wèi)星通信天線及搜索雷達(dá)天線等4個(gè)高功率發(fā)射源優(yōu)先進(jìn)行布局：S波段和X波段導(dǎo)航雷達(dá)天線高低錯(cuò)開(kāi)布置于通導(dǎo)桅桿頂部；衛(wèi)星通信天線布置于中間高度層，其與X波段導(dǎo)航雷達(dá)天線的水平夾角33°大于導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射波束的最大俯角26°；搜索雷達(dá)天線布置于底層，保障搜索雷達(dá)發(fā)射波束避開(kāi)衛(wèi)星通信天線。在此基礎(chǔ)上，其余設(shè)備天線根據(jù)設(shè)備天線形式、波束范圍、功率頻率等因素分別布置[5]。

在“電科1號(hào)”天線布設(shè)方案制定過(guò)程中，充分考慮了各天線頻率的影響，對(duì)頻率存在交疊的天線采用高度錯(cuò)層布置、波束方向錯(cuò)開(kāi)布置及使用場(chǎng)景分析等手段，保障了在海上試驗(yàn)過(guò)程中各自電磁波影響降到最低。

3.2 設(shè)備機(jī)柜的布置

在“電科1號(hào)”設(shè)備機(jī)柜布置設(shè)計(jì)中，把小功率、低電壓的設(shè)備和大功率、高電壓的設(shè)備分開(kāi)布置，盡量減少干擾。如在高頻室中，搜索雷達(dá)的收發(fā)機(jī)柜就是大功率、高電壓設(shè)備。設(shè)計(jì)布置位置時(shí)，將該雷達(dá)的收發(fā)機(jī)柜布置在高頻室最內(nèi)側(cè)位置，使設(shè)備機(jī)柜距離外部雷達(dá)天線最近，減少設(shè)備之間的波導(dǎo)和線纜損耗，同時(shí)保障了盡量遠(yuǎn)離其他設(shè)備的要求。

4 系統(tǒng)布線與供電設(shè)計(jì)

“電科1號(hào)”系統(tǒng)選用電磁屏蔽電纜。高中頻信號(hào)采用屏蔽效果好的高質(zhì)量同軸電纜傳輸，低頻及數(shù)據(jù)線傳輸采用屏蔽導(dǎo)線、雙絞屏蔽導(dǎo)線及雙絞線，使得兩線之間存在的干擾電流幾乎大小相等,方向相反,其干擾場(chǎng)地空間可以相互抵消,因而減少了干擾[6]，可解決大部分干擾和輻射問(wèn)題。

圖1 “電科1號(hào)”羅經(jīng)甲板天線布置圖Fig. 1 Dian ke 1 compass deck antenna layout

圖2 “電科1號(hào)”全船設(shè)備及天線電磁頻譜圖Fig. 2 Dian ke 1 system electromagnetic spectrum

系統(tǒng)中除部分設(shè)備使用的是隨機(jī)電纜外，其它電纜多用低煙無(wú)鹵低毒船用鎧裝電纜。供電電源輸入端設(shè)置電源濾波電路，隔離外部電源輸入的干擾以及向外部輻射干擾[7]：在每個(gè)機(jī)柜內(nèi)部對(duì)于交流電源的輸入都通過(guò)交流濾波器濾波后給機(jī)柜內(nèi)部的設(shè)備供電。

“電科1號(hào)”艙室設(shè)備間連接線纜：功率（電源）纜、信號(hào)纜、視頻線纜分開(kāi)布放，減小或消除大功率信號(hào)對(duì)高頻、小電平信號(hào)的影響。

5 系統(tǒng)設(shè)備頻率功率使用管理設(shè)計(jì)

在“電科1號(hào)”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮了頻譜管理。在實(shí)際使用中需根據(jù)頻譜表管理船上各個(gè)設(shè)備的使用并安排設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)。特別是在進(jìn)行電子設(shè)備海上試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)新增待測(cè)設(shè)備的收發(fā)頻率和收發(fā)功率進(jìn)行預(yù)先調(diào)研并統(tǒng)一管理[8]。從圖2可以看出，除部分通信導(dǎo)航設(shè)備頻率有重疊外，其他設(shè)備收發(fā)頻率基本不存在交疊或干擾，對(duì)于部分交疊的設(shè)備，系統(tǒng)采用分層布局等形式盡量降低了對(duì)使用層面的影響[9]，不僅有利于保證船舶正常通信及航行安全，也能防止和減少天線電磁輻射對(duì)人的影響和危害[10]。

作為國(guó)內(nèi)首艘民用綜合試驗(yàn)船，“電科1號(hào)”運(yùn)營(yíng)以來(lái)已完成大量海上及水下試驗(yàn)任務(wù)，在電磁兼容性方面獲得了高校、企事業(yè)單位及軍方用戶的一致好評(píng)。在“電科1號(hào)”運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，搜索雷達(dá)等大功率信號(hào)源工作正常，各目標(biāo)探測(cè)設(shè)備及通信導(dǎo)航設(shè)備等主要設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)電磁兼容性方面的問(wèn)題。針對(duì)地波雷達(dá)等臨時(shí)加裝的大功率待測(cè)設(shè)備，通過(guò)靈活運(yùn)用本文涉及的設(shè)計(jì)要素合理安排布局，將設(shè)備間影響降到最低，保障了各類待驗(yàn)設(shè)備海上試驗(yàn)任務(wù)的圓滿完成，本船的電磁兼容性設(shè)計(jì)效果得到了良好檢驗(yàn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)各類實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，充分驗(yàn)證了“電科1號(hào)”通過(guò)前期完善的設(shè)備單機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝布置設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布線與供電設(shè)計(jì)及系統(tǒng)設(shè)備頻率功率使用管理設(shè)計(jì)，在復(fù)雜電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了良好的全船電磁兼容性。在未顯著增加建造難度及成本的情況下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)及優(yōu)化布局，保障了綜合試驗(yàn)船上固定及臨時(shí)安裝的各類電子設(shè)備相互影響最小化，為后續(xù)民用綜合試驗(yàn)船電磁兼容性設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀范例。