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(duì)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(shí)例，對(duì)總體電磁兼容控制從設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)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(hào)：U665.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)逐步進(jìn)入到計(jì)算機(jī)、微電子時(shí)代。現(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(duì)抗、通信、導(dǎo)航設(shè)備等，這些電子設(shè)備對(duì)外輻射、接收各種頻段電磁波，極大地提升了艦艇平臺(tái)的信息感知能力、警戒探測(cè)能力以及快速精準(zhǔn)打擊能力。隨之而來(lái)的電磁兼容性問(wèn)題日益凸顯，在1982年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英國(guó)4 000 t級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“謝菲爾德”號(hào)由于衛(wèi)通系統(tǒng)與雷達(dá)之間存在電磁兼容問(wèn)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(cè)能力，導(dǎo)致該艦被阿根廷“飛魚(yú)”導(dǎo)彈擊沉。

與大型水面艦艇相比，由于小型艦艇平臺(tái)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(lái)的電磁兼容問(wèn)題更加突出。一旦小型艦艇的電磁兼容問(wèn)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(wèn)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(tái)上互不影響、兼容工作，成為小型艦艇設(shè)計(jì)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(wèn)題，首先要開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)的是多個(gè)電磁輻射源的合成場(chǎng)[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(wú)線電通信設(shè)備一般配置1/2部短波電臺(tái)、2/3部VHF/UHF甚高頻電臺(tái)、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(tái)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(huì)引起電磁場(chǎng)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(chǎng)泄露、電纜傳導(dǎo)干擾為設(shè)備層級(jí)因素，通過(guò)設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中滿足國(guó)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(cè)量》的具體指標(biāo)要求，對(duì)其電場(chǎng)磁場(chǎng)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(tái)層級(jí)因素，必須在設(shè)計(jì)、建造期間通過(guò)全船電磁兼容綜合措施來(lái)加以控制。

2.3 全船電磁兼容控制措施

基于以上對(duì)小型艦船內(nèi)外電磁環(huán)境的分析，在小型艦船的設(shè)計(jì)、在建造過(guò)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(jì)期間從頂層開(kāi)展總體電磁兼容設(shè)計(jì)，建造期間采用合理的電磁兼容工藝，通過(guò)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(jì)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(xiǎn)救災(zāi)等。船東明確要求本艇的設(shè)計(jì)、建造必須滿足相應(yīng)國(guó)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(jì)控制

開(kāi)展全艇電磁兼容設(shè)計(jì)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(cè)試;根據(jù)結(jié)果開(kāi)展總體電磁兼容設(shè)計(jì)，包括艙外天線的布置、艙內(nèi)設(shè)備的布局、重點(diǎn)艙室及全艇電磁兼容工藝要求等，通過(guò)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(shí)船建造完畢進(jìn)行電磁兼容環(huán)境測(cè)試，對(duì)交付狀態(tài)的全艇電磁兼容性進(jìn)行分析評(píng)估，對(duì)不合格項(xiàng)目進(jìn)行整改，形成本艇電磁兼容性說(shuō)明及管理控制措施報(bào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(tái)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(jiàn)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(jì)階段，在布局中充分利用艇總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)，對(duì)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(tái)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(duì)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(tái)通信天線，距離頂甲板UHF/VHF超短波電臺(tái)天線分別約4m、10 m，通過(guò)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(duì)短波、超短波電臺(tái)同時(shí)工作的使用要求，而且當(dāng)400 W電臺(tái)滿功率發(fā)射時(shí)，在距發(fā)射天線1.5 m以外的露天區(qū)域的電磁場(chǎng)強(qiáng)輻射值均滿足GJB5313-200k4《電磁輻射暴露限值和測(cè)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(kāi)與駕駛室頂甲板平臺(tái)布置的超短波天線之間的空間距離，以確保不會(huì)對(duì)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(shí)，駕駛室頂部上層建筑平臺(tái)、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(cè)量方法》規(guī)定的安全限值要求。

3.3 重點(diǎn)艙室的電磁兼容性設(shè)計(jì)

本艇的主要電子設(shè)備均布置在駕駛室或報(bào)務(wù)室，因此駕駛室、報(bào)務(wù)室是本艇電磁兼容重點(diǎn)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(duì)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(lái)優(yōu)化布置。駕控臺(tái)內(nèi)設(shè)備布置采用局部分隔方式，電纜單獨(dú)敷設(shè)。甚高頻無(wú)線電話、UHF集群電臺(tái)、超短波電臺(tái)、衛(wèi)通設(shè)備等嵌入式發(fā)射設(shè)備相對(duì)集中布置在駕控臺(tái)最左側(cè)，與駕控臺(tái)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(dú)上架式安裝的形式，獨(dú)立于駕控臺(tái)安裝于舷側(cè)，以確保對(duì)艙內(nèi)敏感設(shè)備的空間隔離。

3.3.2報(bào)務(wù)室的優(yōu)化布置

報(bào)務(wù)室內(nèi)布置有400 W功放、無(wú)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(guò)將發(fā)射單元和接收單元保持距離分開(kāi)布置進(jìn)行了電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)布置。

3.4 建造工藝

3.4.1 重點(diǎn)艙室的電磁兼容工藝

駕駛室和報(bào)務(wù)室作為本艇電磁兼容重點(diǎn)艙室，除了對(duì)設(shè)備和電纜進(jìn)行總體電磁兼容設(shè)計(jì)外，艙室整體必須進(jìn)行電磁兼容綜合處理。

報(bào)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(bào)務(wù)室應(yīng)盡量少開(kāi)門、窗、通風(fēng)口，必須開(kāi)的門、孔應(yīng)盡量設(shè)在內(nèi)通道上;電纜束在穿越報(bào)務(wù)室時(shí)，需通過(guò)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(bào)務(wù)室時(shí)，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(bào)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(shí)盡量遠(yuǎn)離駕控臺(tái)等敏感電子設(shè)備較集中的部位。

與上述兩艙室無(wú)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?gòu)?qiáng)電電力電纜以及發(fā)射天線饋線電纜對(duì)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(duì)于電纜布置原則的要求。

根據(jù)電纜所傳輸信號(hào)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(hào)電纜、模擬信號(hào)電纜、各傳感器電纜、低頻低電平模擬信號(hào)電纜歸為二類電纜;將短波、超短波電臺(tái)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(kāi)艙室門、孔、窗邊分托架敷設(shè);一類電纜敷設(shè)時(shí)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(tái)天線饋線等應(yīng)分開(kāi)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(shí)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(diǎn)艙室外，在本艇的施丁建造過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照電磁兼容工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)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(dòng)金屬構(gòu)件的電磁兼容工藝

為了減少露天區(qū)域活動(dòng)金屬構(gòu)件的電磁散射、對(duì)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(dòng)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(guò)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(hào)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(hào)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(hào)地、機(jī)殼地分開(kāi)。

4 全艇電磁兼容環(huán)境綜合測(cè)試及評(píng)估

在全艇建造完畢后，為了驗(yàn)證所用技術(shù)措施的正確性、判斷電磁兼容設(shè)計(jì)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(yàn)試航期間進(jìn)行全艇總體電磁兼容性試驗(yàn)測(cè)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(duì)不合格項(xiàng)目進(jìn)行整改，掌握總體電磁兼容性能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，制定并向船東用戶提交全艇電磁兼容性使用說(shuō)明書(shū)及電磁管理控制措施。

4.1 全艇電磁兼容環(huán)境測(cè)試

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

（1）電磁兼容系泊試驗(yàn)

在系泊狀態(tài)下，主要通過(guò)兩類測(cè)試包括接地電阻、電磁場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，以檢驗(yàn)有關(guān)施工工藝質(zhì)量、電磁兼容優(yōu)化效果。

接地電阻測(cè)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(diǎn)艙室各設(shè)備的接地電阻值。

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

（2）電磁兼容航行試驗(yàn)

在航行狀態(tài)下，主要通過(guò)海區(qū)電磁背景測(cè)試、通信設(shè)備工作頻率間隔測(cè)試及電子電氣設(shè)備效用干擾試驗(yàn)，掌握全艇的電磁兼容性能，驗(yàn)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(píng)估

依據(jù)總體電磁兼容性測(cè)試結(jié)果，對(duì)總體交付狀態(tài)的電磁兼容性進(jìn)行分析評(píng)估，形成本型艇電磁兼容性說(shuō)明書(shū)及電磁管理控制措施報(bào)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(duì)船東用戶的實(shí)際用船操作提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文討論了小型艦船電磁兼容的特殊性，對(duì)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(duì)總體電磁兼容從設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)等各階段的控制措施、測(cè)試等進(jìn)行了介紹。對(duì)于類似艦船的電磁兼容總體設(shè)計(jì)，能起到一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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