对舰船通信系统电磁兼容的探讨

摘要:舰船通信系统电磁兼容是全舰电磁兼容的重要组成部分。文章以通信系统电磁兼容的基本设计要求为依据,讨论了通信系统电磁兼容的问题,并对改善通信系统电磁兼容提出一些看法。

关键词:通信系统;电磁兼容;干扰

通信系统在现代化战斗舰船中的地位和作用,显得越来越重要,随着舰船作战性能的提高,许多大功率、高灵敏、高精技术的设备装舰,使得全舰天线林立,各种设备安装拥挤,全舰电缆密如蛛网。为了使全舰设备在一定工况下同时工作,发挥各自的性能,需要解决舰船设计时的一个重要问题――电磁兼容问题。电磁兼容是指在给定的空间和相应的时间里,运用合理的措施使各种设备、物体、人体等互不引起电磁干扰、电磁污染和电磁危害;从广义上讲,舰船电磁兼容除了电磁能量通过辐射和传导造成的设备间相互影响外,还应考虑电磁辐射对人员、武器和燃油的影响。通信系统电磁兼容与全舰各专业都有相互联系,搞好通信系统电磁兼容设计是全舰电磁兼容设计关键问题之一。

一、通信系统电磁兼容设计要求

通信系统的电磁兼容是全舰电磁兼容的一个主要内容,它除了要保证通信系统内各设备相互有效工作外,还要解决通信系统与其他电子设备相互干扰的问题以及对人员、电引爆武器、易燃油料等的安全问题,因此我们应高度重视。在实际工作中,通信系统的电磁兼容性设计应满足以下条件:通信系统在各种工况下,按通信网络同时工作的要求,其收发频率间隔应满足±5%时能正常工作;通信天线布置应合理,短波收、发天线隔离度不低于40dB,超短波天线间的隔离度不低于30dB;通信发信设备工作时不能烧毁或干扰雷达、敌我识别器、无线电导航、卫星导航设备和电子战接收设备;尽量减少舰上露天部位、金属物体活动部位在发射时产生的非线形二次辐射,从而对接收机产生干扰;通信天线发射时要使舰员在正常生活时不受无线电辐射的伤害,在大功率发射设备天线附近要有声光告警设备和危界标识牌;通信系统电磁兼容性是一个综合性能,必须对通信设备的发信功率、使用频率、使用时间、工作种类等进行综合管理,协调好通信系统设备的工作关系,使其发挥最大效能。

二、通信系统电磁兼容设计简析

随着我国综合国力的不断提升,海军装备建设也日新月异的迅速发展起来。通信系统内设备布置高度集中,供电需求增加,频谱管理更加复杂,还有发射功率等级的分配、舰船接地、屏蔽、滤波、去耦等设计与工艺都是舰船通信系统电磁兼容环境必须考虑的问题。鉴于通信系统电磁兼容环境异常复杂,内容广泛,本文篇幅所限,仅就实际工作中感受最深的问题进行探讨。

(一)通信系统电磁兼容设计

通信系统承担着舰船的通信联络、指挥、控制和情报数据传输等任务。在现代战争中,如果由于通信系统受到电磁干扰造成通信中断或者通信差错,将给战争带来不可挽回的严重后果。提高通信系统电磁兼容性能的因素主要有以下方面:

1、改善天线系统。天线系统电磁兼容指标的优劣极大程度地关系到通信系统的好坏,实践证明,大部分的电磁干扰是从天线系统进入的。它不仅接收电磁干扰,而且辐射电磁干扰,将传导和接收到天线上的电磁干扰以电磁场形式辐射到空间,感应到临近的其他天线上。因此天线的电磁兼容是至关重要的问题,通常我们可以采取以下措施进行改进:

(1)天线布局优化设计。天线布局的优化设计是最方便可行的措施之一。天线的合理布置,减少天线之间和天线周围金属建筑之间的耦合,充分发挥天线最佳效能,降低高频辐射对设备、武备、燃油以及舰员的危害,这是天线布局应该遵循的设计原则。

(2)选择不同的极化天线。天线极化方向就是指高频能量对天线激励的电流方向。相同极化方向的天线耦合度最强,感应电压也最大;为了减少收发天线之间的干扰,应该选择不同极化方向的天线。

(3)使用复用天线和复合天线。天线复用和多天线复合技术能更加合理的利用舰船上的有限空间,减小天线间耦合,降低电磁干扰程度。复用天线和复合天线还具有电磁兼容性指标高的优点,使多部设备、多种频段、多种电平能同时工作、相互兼容。

(4)改进馈线系统。天线系统中馈线感应耦合的电磁干扰很强,仅次于天线。当天线至接收机之间的信号馈线不满足电磁兼容性要求时,信号馈线感应耦合引入的电磁干扰远比天线大;发射天线信号馈线如果不满足电磁兼容性要求时,也会成为重要的干扰源。

2、自适应干扰抑制。随着自适应选频、自适应调制解调器等技术成功地应用于通信系统,具有自适应性能的通信系统比一般通信系统具备更高的抗干扰能力。自适应系统主要在自适应信源编码解码、自适应信道编码解码和自适应射频技术这3个方面实现自适应干扰抑制目的,其主要通过以下技术予以实现:

自适应天线凋零技术,可在干扰方向形成零点,而在信号方向有一定的增益;自适应干扰相消技术,可有效抵消收发共站址大功率发射对收信机的强干扰;功率自适应技术,根据干扰功率大小,自适应自动的改变发射和接收功率,保持信噪比,减少干扰影响;频率自适应技术,自适应避开干扰频率或自适应选项;频带或带宽自适应技术,自适应改变使用频带或带宽,以避开和减少干扰;自适应纠错技术,以降低干扰功率和减小干扰影响。

采用自适应干扰一直的通信系统通过自行调整、变化系统电磁兼容性结构性能,改进自身的抗干扰能力和抑制干扰行为,达到新的电磁兼容性动态平衡。

3、防止无源干扰。通信系统中放大器、混频器等非线性产物是舰船通信系统设备重要的电磁干扰源,是产品设备电磁兼容性设计的重要内容。当地电流、电力网电源电流、射频电流电压流经非线性元件或加在非线性元件两端时,会有非线性产物产生,并以电磁场和电流电压形式被通信系统接收,成为通信系统设备严重的电磁干扰源,这种电磁干扰通常被称为无源干扰。

天线、电缆馈线、地线、机壳等年久失修锈蚀严重时,非线性元件产生的无源干扰尤为严重,必须定期检查更换已锈蚀的部件;同时,系统设计时也应该考虑采取有效措施防止无源干扰产生。

(二)通信设备电磁兼容设计

电磁兼容性能否满足要求必须贯穿在整个产品研制过程中,因此通信系统各设备在开始进行方案设计时,就应该充分考虑其电磁兼容性设计。设备的电磁兼容性设计主要是电路、元器件、工艺结构和软件等的电磁兼容性设计,其内容十分广泛,以下仅讨论各设备中的几个普通性问题:

1、选择合适的开关电源。开关电源是利用半导体器件的开和关工作的,以开和关的对比控制稳压输出;发生在开关电源内部的开关瞬间急剧的电流变化,以及开关频率都会在电源部分产生频率范围极宽、振幅很强的传导和辐射干扰。因此在设备中设计与选择开关电源十分重要,必须研制或选用电磁干扰小的开关电源,以保证电磁兼容性指标的要求。

2、合理选用滤波器。通信系统设备重由于大量使用了防电磁干扰滤波器,从根本上改善了通信设备的电磁干扰状况。实践证明,没有安装滤波器或者线路板上没有滤波电路的设备均不能满足电磁兼容性要求。但是某些安装有滤波器的设备电磁干扰仍然比较差,其原因主要有以下几点:

(1)滤波器安装使用不当。滤波器只有正确安装使用时才能有效发挥其抑制和滤除电磁干扰的作用,若安装使用不当,则其效能就得不到发挥。

(2)滤波器选型不当。当滤波器被正确安装后,滤波器型号是否合适便成为突出的问题。滤波器选型应该根据设备电磁干扰特性进行选择,只有选择合适型号的滤波器,才能最大程度地抑制干扰。

(3)改进工艺结构。电磁兼容工艺结构是极其重要的电磁兼容性实用技术,在通信设备出现电磁干扰的问题中,很大一部分是设备的工艺结构引起的;没有电磁兼容性工艺结构的实施和保障,电磁兼容性设计就只是纸上空谈。电磁兼容性工艺结构涉及面极广,其中最常遇到的问题有以下方面:

金属壳体、底架、框架等连接处接触面不平直、不密合、表面凸凹粗糙,降低了屏蔽效果,形成较高的地电位造成电子线路电磁干扰;接地、联接、搭接、螺纹联接等金属接触点和接触面锈蚀、油污、松动等会产生非线性产物干扰和突发性瞬间干扰;屏蔽电缆的外屏蔽层未牢固接到插头(座)上或者接触不良,造成屏蔽不连续,使屏蔽电缆起不到屏蔽作用,耦合感应到电缆上的干扰得不到屏蔽衰减;接地线太长、太细或太窄,接地位置不当,形成地线干扰;统一的地和地线未能彼此良好联接,金属化程度差,地电流干扰大;布线不合理,能产生电磁干扰的导线电缆应避免彼此平行布线,避免线间相互耦合感应;机箱孔洞开的不合理,其位置、大小选择不当等,对辐射干扰防护不力。

总之,每一台设备都对接地、搭接和屏蔽等方面有严格的要求,这些要求必须一丝不苟地完成才能避免问题的出现。为了确保电磁兼容性,设备的工艺结构绝不能马虎从事。

3、注重设备升级。随着通信技术迅猛发展,通信设备的更新换代速度越来越快。采用合适的新器件、新材料和新技术都可能改善设备的电磁兼容性。例如,新磁性材料的应用,新式屏蔽材料和新式屏蔽结构的改进,特别是新型舰船对光纤技术的应用,极大地提高了通信系统的电磁兼容性。

三、通信系统的使用和维护对电磁兼容的影响

对通信系统正确、合理的使用和维护也是保持通信系统电磁兼容性长期稳定的重要环节。通信系统在交付使用后应该严格按照要求进行使用管理和维修保养工作。

第一,使用管理。建立并健全频率管理制度,避免产生有害的干扰;在进行多网络工作时,应选用隔离度大的天线工作;在确保通信可靠的情况下,应尽可能采用小功率发射;舰上严禁随意架设天线、敷设电缆和安装破坏电磁兼容的设备,禁止拆除防干扰滤波器、电容器、接地线等防干扰组件和设备;完善电磁干扰事故登记制度,对出现的干扰应查明原因并及时消除。

第二,日常维护。对设备外观的检查和维修,包括:天线系统、电缆和波导管、接地和连接线,以及防干扰金属防护罩等;应定期检查系统和设备的电磁兼容性能,如果有设备受到干扰的情况,应查明干扰原因,对其及时消除。

四、结束语

总的来说,通信系统电磁兼容是一项涉及面广且十分复杂的工程,需要船总体,通信系统总体和通信系统设备单位密切合作、合理设计,才能取得更佳的电磁兼容性能。通信系统电磁兼容性能的好坏取决于总体设计、设备制造和使用维护3个方面有机结合的结果,通信系统应该满足通信系统电磁兼容设计要求。通信系统和系统内各设备具有良好的电磁兼容性能是电磁兼容的先决条件,通信系统的合理布局和采取相应的防干扰技术措施是电磁兼容的必要条件;并且,只有正确地使用和维护系统,才能使通信系统电磁兼容性能得到长期保证。

参考文献:

1、中国造船工程学会船用电子设备学术委员会.电磁兼容性工程设计手册(上、下册)[M].1982.

2、鲍洪才.电子通信设备电磁干扰的抑制[J].现代通信技术,1993.

3、中国电子技术标准化研究所.无线电干扰和电磁兼容性标准汇编[Z].

4、中船重工集团公司第七一研究所.舰船电磁兼容性[Z].

(作者单位:中国船舶重工集团公司第七二二研究所)