舰船通信系统电磁兼容性设计技术

刘满堂,寻 远,刘 悦

(1.中国西南电子技术研究所,成都610036;2.成都天奥信息科技有限公司, 成都611731)

1 引 言

现代战争是海陆空天多维立体战争,海上力量不可忽视,舰船平台是海军作战的核心,其作战效能依赖于以通信系统为基础的武器系统实现,保障系统和作战管理系统的优势地位。电子信息技术的发展使舰载电子系统的功能增强,系统架构也变得复杂,各电子系统使用频谱都趋于拥挤。另外,电子侦察手段多样化和技术的提高使空中、海上作战平台的战场侦察能力显著增强,为了舰船隐身和作战效能发挥,舰载电子系统电磁兼容性(EMC)设计至关重要。本文将对此进行研究。

2 舰船通信系统EMC 设计必要性

舰载环境下通信系统与其他舰载电子系统共同完成作战使命,这体现了其系统性、综合性、特殊性、复杂性和适装性, EMC 设计的意义在于以下几方面。

(1)海上环境恶劣

恶劣的海洋环境对舰船通信系统破坏严重影响屏蔽性能,导致系统兼容性差;盐雾腐蚀导致无源非线性干扰同样使系统兼容性下降。

(2)共址干扰

舰船电子设备量多,且功率大,构成了相互宽频段电磁干扰。当共址发射机较少时,主要地磁干扰(EMI)降级来源于发射机噪声、接收机减敏和交叉调制。随发射机数量增加,互调会变成主要的EM I问题。

显然,数十个发射机共址工作,互调导致的电磁干扰(EMI)问题将非常严重。

(3)宽带骚扰

通信系统是电磁敏感系统,且其频谱几乎覆盖从高频至微波整个频段,但是,舰船上各种放电、脉冲、尖峰、瞬变、谐波等所产生的电磁能量同样覆盖了很宽的频段[1],它们不但干扰通信系统并产生交调。通过EMC 设计控制和抑制宽带骚扰才能保证舰船通信系统正常工作。

(4)编队舰船间相互干扰

编队联合作战对通信与信息交换能力提出了很高的要求,通信向宽带、高速率及多网络方向发展,通信、雷达和电子对抗设备之间易互相干扰。

高数据率和宽带通信意味着多通道同时工作,频带占用宽;可靠的抗干扰数据通信和组网,要求加大发射功率,提高接收灵敏度。当联合编队作战时,区域内各型舰船辐射信号和带外辐射所导致的舰船间干扰将会比较严重。

3 舰船通信系统EMC 设计技术

通常可以采用软件技术和硬件加固措施保障舰船通信系统电磁兼容性:软件运算优化配置舰船电子设备位置,使相互电磁干扰降到最低程度,但不一定完全消除;利用硬件加固方式将所剩余的电磁干扰消除,以保证各通信系统的安全运行和不间断的正常工作,及有效地消除可探明的外来电磁干扰。

3.1 软件技术

EMC 仿真软件集建模、仿真和优化为一体,用仿真代替实验,利用仿真结果,为解决舰船通信系统使用中EMI 问题寻找技术途径。当前,商业的EMC 仿真软件大多采用模块化设计,不同的模块实现不同的功能,用户可以根据需要选择模块自己进行软件配置。以下简单介绍几种典型的仿真软件技术特征。

(1)FEKO(任意复杂电磁场计算)仿真软件

FEKO 软件是针对天线设计、布局与EMC 分析的专业电磁场分析软件,以电磁场积分方程和经典矩量法为基础,采用了多层快速多级子算法,既保持精度又具有较高计算效率,并将矩量法与经典的高频分析方法无缝结合,非常适合于分析天线设计、雷达散射截面(RCS)、开域辐射、电磁兼容中的各类电磁场分析问题。

(2)FLO/EMC Design Class Electromagnetic Analysis Software for Electronics

FLO/EMC 是专业针对系统级EMC 分析的分析软件,主要用于系统级的电磁兼容分析。由Flomerics Ltd.公司设计,可进行元件、模块、系统、天线的EMC 分析设计,采用时域传输线矩阵分析方法,电磁场和电流的2D 和3D 可视化模拟,机壳的屏蔽效能分析等,可快速进行模型配置、电路和电线建模、狭缝建模、自动生成网孔、电路建模以及屏蔽效能分析等。

(3)舰船频率指配软件

舰船通信系统频谱拥挤主要表现在频率资源短缺和缺乏科学有效管理两方面,为有效进行频谱管理保障利用率,20 世纪80 年代国外开始舰船频点指配算法的研究,研究初期和中期仅限于指配给提出需求的用户比较“干净”的频点(受潜在干扰最小的频点)[2]。这种方法可能会保障现有状态下兼容工作,但不能保证对未来频谱指配有利,也许会使将来频谱指配变得非常困难,不利于频谱有效利用。因此,国际上开展基于EMC 分析算法的频率指配新技术研究,这种频率指配主要特点是:采用计算机技术开展全面详细EMC 分析,既保证频谱秩序,又兼顾频谱利用率;不以“无干扰”为频点指配依据,以系统能够承受的最小干扰-干扰概率为依据;当前频点指配兼顾未来频谱应用及管理难度。

基于EMC 分析算法的频率指配,依靠计算机分析和算法技术支持,为舰船通信指挥人员提供高层次、智能化的频率管理方法,具有很好的应用前景。

3.2 硬件加固技术

3.2.1 共址干扰对消技术

大型舰船由于使用需求配置了多频段、多功能的各种通信系统,当独立通信设备收发分时工作状态下,其发射机带外乱真信号可能进入另一个系统接收机带内,不同用途的通信设备同时工作时产生的互调和交调信号进入某处于接收状态的接收机通带内形成干扰,造成系统不能正常工作。传统的解决方法是减弱收发天线之间的耦合或者收发分时工作,但是增加天线之间隔离度受多种条件限制,特别是天线数量多,安装空间有限,收发分时工作意味着减少接收机正常接收时间,影响通信效率。共址干扰对消技术(Cosite Interference Cancellation,CIC)采用相关对消原理,具有保留有用信号抵消干扰信号的能力,是解决舰船通信系统共址干扰问题的有效途径[3]。

对消基本原理是通过对发射端取样,并对其进行相位及幅度调整,并对消接收端的干扰信号。这种对消技术只能解决发射机的主发射对接收机的邻道干扰问题,无法改善发射机宽带噪声对接收机的影响。

当多部设备共址工作,且发射、接收天线分开,多部设备共用接收天线,需要采用多通道对消技术,如图1 所示[4]。采用对消技术可以有效降低主发射信号对其他设备灵敏度接收的影响。

图1 多通道对消原理框图Fig.1 Block diagram of multi-channel cancellation

虽然对消技术能够减小主发射强信号对接收机的影响,但如果设备宽带噪声指标较差, 舰船EMC设计时,必须考虑发射机的宽带噪声干扰问题。梳状限幅合路器/梳状限幅放大合路器(CLIC/CLAC)射频分配技术能够消除发射机带外噪声对接收机的影响。

3.2.2 射频分配技术

FH 通信系统独立使用时,具有抗干扰能力。但FH 通信系统工作频率范围宽,发射机末级功放和接收机前端都是宽带的,当多个FH 通信系统共址工作可能引起严重的EMI 问题:

(1)发射机宽带噪声,可能影响接收机建立和保持同步的能力;

(2)大EMI 信号使接收机前端饱和减敏, 影响接收机建立保持同步的能力;

(3)强EMI 信号在发射机、接收机射频部分产生互调和交调产物。

为了解决舰载平台多链路通信系统的射频分配问题,SENTEL 公司研制了解决共址EM I 问题的“限幅合路器和梳状线性放大合路器”(CLIC/CLAC)[5]。CLIC/CLAC 结构允许多达16 部电台连接到一个发射天线和一个接收天线,降低共址EMI 问题发生概率,减少舰船顶部天线的数量,从而减小舰船的雷达截面。

在接收端,CLIC 用于将多部接收机连接到一副天线;在发射端,CLAC 用于将多部发射机连接到另一副天线。CLIC/CLAC 的连接框图见图2。

图2 CLIC/CLAC 的原理框图Fig.2 Block diagram of CLIC/CLAC

CLIC/CLAC 具有机动灵活、适应性好、性能优越的特性。相比之下,以往RF 分配技术局限于工作在限制频段的多路耦合器,连接单一类型的电台到指定的天线。

4 案例分析

美国海军研制的多功能电磁辐射系统(MERS)封闭式射频综合桅杆是舰船电磁兼容性与隐身设计的标志性成果。MERS 可将原传统船桅顶和底部桅横杆部分替换为2.54 m 高的集成结构,如图3 所示。

图3 传统桅杆及MERS 综合天线系统Fig.3 Traditional mast and MERS comprehensive system

MERS 六面体将UHF/VHF 视距通信、敌我识别(IFF)、联合战术信息分发系统(JTIDS)和作战测向(DF)4 种功能的天线集成在一个隐身、重量轻的综合天线系统中。MERS 在提供新的隐身等性能的同时,重量比传统桅杆降低了一半。为解决天线集成后收发设备之间的共址电磁干扰问题,MERS 采用了以下先进技术手段。MERS 系统组成如图4 所示。

图4 MERS 系统组成框图Fig.4 Block diagram of MERS system

(1)天线共用技术

射频天线系统的一体化采用天线共用技术减小天线数量,以降低天线布局设计难度。舰载通信系统的同频段链路多达十多条,应综合应用功率合成与分离、宽带多路耦合与隔离等技术,实现射频结构和馈电系统的共用。

MERS 系统采用了UHF 多路耦合实现了UHF发射天线共用。通过UHF 与测向开关矩阵设备,实现了UHF 全向天线与测向功能天线的共用。

(2)天线布局设计

通信天线频带范围宽,品种多,功能差异大,需要开展天线集成和共形设计。超短波(VHF/UHF)全向天线采用平面化技术,与MERS 侧壁共形。更高频段的JTIDS 和IFF 采用共形设计的环形相控阵天线。MERS 系统天线布局如表1。

(3)自适应干扰抵消技术

MERS 采用自适应干扰对消系统(AICS),将多路UHF 发射信号采样,对其幅度和相位进行加权后与从发天线耦合至接收通道的信号叠加,以抵消发射天线耦合至接收通道的干扰信号。AICS 可实现30 dB的对消比, 加上天线隔离设计带来的最小30 dB的隔离度,可减少共场地发射机对同频段高灵敏度接收机的阻塞干扰,在较小信道保护间隔条件下可保障多路UHF 电台同时工作[6]。

表1 MERS 系统天线布局Table 1 MERS antenna layout

(4)光电隔离

MERS 采用光纤替代传统的同轴线缆, 用于UHF 电台的上下行链路和JTIDS 系统。UHF 上行链路采用了多路光纤,但是由于AICS 的滤波和天线共用技术,UHF 下行链路只需要1 条光纤链路。文献[7]介绍MERS 的光纤系统带宽大于3.5 GHz,RF 链路损耗小于10 dB, 780 MHz 外相位噪声小于110 dBc/Hz。显而易见,采用光电转换技术可降低大型舰船甲板设备至桅杆天线之间连接线缆损耗,同时,可有效降低空间狭小的射频综合孔径体中的线缆束的传导干扰。

MERS 系统综合采用天线共用技术、天线布局设计以及自适应干扰对消技术和光电隔离等,实现从VHF 到L 频段的四大功能系统的同时兼容工作。

5 结束语

20 世纪30 年代开始舰船EMC 技术研究至今,由于起步早、注重技术创新,美国始终处于领先地位,现已将研究范围扩展至包括电磁干扰、电磁易损性、雷电、电磁辐射危害、电磁脉冲、频谱兼容性等方面。研究美国海军EMC 设计技术发展思路和取得的成就,对于我们开展舰船通信系统EMC 设计具有借鉴意义。

基于美军的研究经验,为满足现代舰船作战需要,舰船EMC 设计必须贯穿于舰船设计、舰载电子设备研制、电子系统(包含通信系统)集成、作战系统集成及在舰船上安装全过程。采用新体制、新技术广泛开展大型舰船通信系统EMC 设计,是现代复杂电磁环境下舰船发挥效能的基本和有效保障条件之一,也是未来舰船通信系统发展趋势。

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