天线电缆的屏蔽接地对电磁辐射的影响分析＊

王晓阳 林胜际 李向远

（1.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430250）（2.浙江边防总队海警第一支队 台州 318000）

1 引言

在舰船电气或电子系统中，电缆主要用于联接不同的设备或系统，并实现它们之间能量与信息的有效传输［1］。通常，系统和设备内部广泛分布了各类电缆，而由于舰船内部布置安装空间有限使得电缆密集，常因电缆的辐射与传导的耦合而发生电磁干扰，这些干扰对设备特别是弱电信号类的设备影响较大。虽然这些电缆大多已装有各类防护屏蔽层，但由于自身屏蔽层工艺处理、敷设走向以及接地措施等的差异，仍有可能由于大功率射频电缆的接地不良在空间产生电磁辐射通过耦合产生电磁兼容干扰现象［2］，进而影响相关设备的技术性能。

电磁辐射干扰问题在一定程度上限制了设备的性能发挥并妨碍其正常工作。在舰船通信系统中，由于通信报务室内通信设备多，舰船外的天线多，连接的电缆多而长，其电磁兼容性受到高度重视和关注。舰船设备的电磁兼容性在系统和设备的设计、生产及安装过程中都会加以考虑。然而由于系统和设备的调试、使用时间长久以及升级改造等种种变化，导致不同程度地发生电磁干扰的问题。如在某型船的改造调试中，就曾发现在报务室内使用大功率通信电台进行通话时，其它系统的某弱电设备引起串扰现象，在该弱电设备上甚至可以较清晰的听到电台的话音信号，若串扰严重将会影响到整个船的工作效能。为了消除可能存在的通信电台对弱电设备的干扰，对通信电台的干扰产生机理和辐射干扰的场分布展开了研究工作。

2 干扰的产生分析与查找

在电磁兼容分析中形成电磁干扰的三要素［3］为干扰源、干扰传播途径、敏感设备，三者缺一不可，其示意图如图1所示。

图1 电磁干扰途径

电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两种方式。传导干扰必须在干扰源和敏感器（设备）之间有完整电路连接，干扰信号沿着连接电路传递到敏感器而发生干扰。连接电路包括导线、设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平面、电阻、电感、电容和互感元件等。这样就可能使一个设备或单元电路的电磁能量沿着这类导线传输到相邻设备和单元电路，造成干扰。辐射干扰是指通过空间传播的电磁干扰。干扰源的电源电路，输入／输出信号电路和控制电路等的导线，在一定条件下都可以构成辐射天线，当干扰源的外壳流过高频电流时，此外壳本身也就成为辐射天线。常见辐射耦合有3种：天线A 发射的电磁波被天线B 接收，称为天线对天线耦合；空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线耦合；两根平行线导线之间的高频信号感应；称为线对线感应耦合。

在查找产生电磁干扰的原因之前，首先应对相关通信设备的接地进行了全面检查，对系统的电源电缆、控制电缆、音频电缆及射频电缆屏蔽层与连接器之间的连接情况进行了检查，特别强调的是要确保射频电缆屏蔽层均是360°范围与连接器可靠连接。

为找出弱电设备在通信电台工作时产生串扰的原因，根据电磁干扰产生的机理，采用了“假负载替代法”替代天线发射进行试验等工作，以检查电源线和地线是否存在传导干扰。通过测试发现：使用“假负载替代法”替代天线接入电台进行发射时，无串扰现象发生，说明设备电源线传导不是产生串扰的主要原因，即不是发信设备通过电源线和地线传导产生的串扰。

通过干扰分析与查找工作，可得出结论：通信电台对弱电设备产生串扰问题的主要原因是由于同轴射频电缆的电磁辐射过大造成。理论上，符合标准并且外观完好的射频电缆在其横切面周围没有电磁场，高频信号通过电缆时所建立的电磁场处于同轴射频电缆的中心内导体和外导体之间，即所建立的电磁场是封闭在同轴射频电缆内部。

那么是什么原因导致连接天线的同轴射频电缆电磁辐射过大，下文将主要对产生的原因进行分析和研究。

3 同轴线外导体电磁辐射产生机理分析

舰船用的天线一般都是同轴线馈电的单极天线，如鞭状天线、杆天线等。同轴线的芯线连接天线体，同轴线的外导体通过桅杆或船体与海水相连，船体及海水表面可以看成天线的另外一极［4］。

同轴线芯线上电流流向天线，海水表面上感应的电流经过露出水面的杆天线表面流进同轴线外导体内壁，这样在船舱内的同轴线外导体外壁是没有电流的，船舱内不会造成电磁场泄露，如图2所示。箭头所示为电流流向。

如果天线杆或同轴线馈电末端未能与船体外壳完整连接（沿着同轴线外导体一周多点或连续的电气连接），会导致海水和船体表面上感应的电流不能有效地流向同轴线外导体内壁，这样就会在同轴线外导体外壁产生电流，流向同轴线外导体内壁［5］。如图3所示。而外导体外壁上产生的射频电流则会像天线一样产生辐射，从而产生电磁干扰。

图2 天线与同轴线的电流流向

图3 天线与同轴线连接不良时可能的电流流向

4 实验室的验证测试

根据同轴线外导体电磁辐射产生机理，我们在实验室对天线和同轴线连接的接地影响进行了验证的测试。

试验在有六层高度的试验楼进行，楼顶平台为天线架设场地，平台地面敷设有地网，地网的接地电阻≤1Ω。天线架设在楼顶平台，天线长6m。

天调放置在六楼天线附近，发射电台放置在1楼屏蔽室内。试验场地设备安装布置见图4所示。

“真的吗？”方同学似乎对我说的话感兴趣了，他说，“老师，我在午睡时玩‘三国杀’是不对的，但是我睡不着，感到很难受。另外，‘三国杀’是别的同学借我的，您可以还给我吗？”

图4 试验场地设备安装布置图

4.1 试验检测设备

场强测试仪：Narda公司SRL-3000；单向磁场天线：PN3551／01。

4.2 试验项目及测试结果

分别对天线的天线体、射频电缆等部位进行测试（场强测试探头与电缆垂直）。测试结果如下：

1）天线底座用螺钉固定在铁制四角支架上，天线电缆外导体一周与金属底座呈连续电气连接，铁支架直接放置在地网上，电缆穿过楼顶平台进入六楼，馈线1m 处通过电缆连接器1与一根25m 长的电缆相连。

测试不同接地情况下，天线体、天线根部馈线、电缆连接器及连接器后各点场强，包括不另接地线、引3根地线、引五根地线等情况。测试数据见表1。

2）去掉接地线，并将铁支架垫上木板绝缘，让天线底座与地网没有连接，各点场强均达到56V／m 左右。在天线底座引1根地线到地网，测试各点场强基本不变。测试数据见表1。

表1 天线场强测试记录表

5 验证测试的结果分析

结合同轴线外导体电磁辐射产生机理，对验证测试的结果分析结论如下：

1）由表1可以看出，天线铁支架不接地（垫上木板绝缘），测得电缆各处的场强值与天线体的辐射场强相同，均在56V／m 左右。将绝缘木板去掉铁支架接地，使得天线底座与地网相连，此时测得场强值明显减小。其中，天线底座接五根地线与接三根地线相比，电缆辐射场强更小。

2）上述结果表明，同轴线馈电的单极天线系统，馈电点附近的同轴线外导体与地网或舱壁连接的有效程度将直接决定了地网下方或舱壁内同轴线外表面的电流大小及其附近的电磁辐射程度。

6 结语

本项目分析了同轴线馈电的单极天线系统馈电点附近的同轴线外导体、天线根部与电缆连接等处的场强以及接地的好坏与空间场强分布的关系，并通过实验室的测试验证了分析结果，可有效指导通信系统的改装设计和工程施工设计，并应用到串扰的整改中，使连接天线的同轴射频电缆屏蔽层有效接地，以减少辐射干扰；同时使其它系统弱电设备的搭接与接地更有效，从而减少空间电磁干扰的耦合。通过各种电磁屏蔽措施，最终将有效地消除大功率电台对其它系统弱电设备的串扰问题。

［1］PRASAD K V.Engineering electromagnetic compatibility［M］.IEEE Press，1996：13-40.

［2］高莜刚.电磁兼容总论［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001：1-17.

［3］白同云，吕晓德.电磁兼容设计［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001：105-258.

［4］美Elliott，RobertS著.汪茂光等译.天线理论与设计［M］.北京：国防工业出版社，1992：57-78.

［5］《同轴通信电缆》编写组.同轴通信电缆［M］.北京：人民邮电出版社，1975：1-9.

［6］陈淑凤，马蔚宇，马晓庆.电磁兼容试验技术［M］.第2版.北京：北京邮电大学出版社，2011：86-127.

［7］刘莉，王晓军.电磁兼容设计中的地线干扰与抑制［J］.现代电子技术，2005（20）：44-46.

［8］叶志琼.电子设备的电磁兼容技术［J］.通讯电源技术，2005（1）：37-41.