舰载电子对抗系统电磁兼容性设计分析

杨跃轮

（海装上海局，上海 200083）

1 概 述

随着舰载电子设备数量及种类的不断增加，舰载电子对抗系统面临本舰的电磁环境日益复杂。在这种复杂的电磁环境中，如何减少系统与系统、设备与设备之间及设备内部的电磁干扰，使舰载电子对抗系统能够发挥出最大的作用，是一个亟待解决的问题。

所谓电磁兼容，通常指在某一规定的工作环境中，电子设备或系统以给定的安全余量，按设计的能力运行，且不因干扰而降低其性能，同时又不向该环境排放超过允许范围的扰动［1］。

舰载电子对抗系统装舰后即面临两大电磁兼容问题：一是舰载电子对抗系统与舰上其它电子设备（如通讯系统、导弹系统、雷达系统、导航系统等电子设备）之间的电磁兼容问题；二是电子对抗系统内部设备与设备之间（如侦察设备与干扰设备之间），以及各设备内部的电磁兼容问题。

对于第1类问题，一般由舰总体设计单位采用频域、时域分配及通过结构设计减少舰面反射等方法统一进行电磁兼容设计，并通过电磁兼容管理实现全舰电子设备（系统）间的电磁兼容。本文的重点在第2类问题。

2 舰载电子对抗系统设备内部电磁兼容性设计

舰载电子对抗系统内设备一般由电路和机柜机箱组成，每个电路既是干扰源，本身也是敏感设备。对舰载电子对抗系统设备内部的电磁兼容设计主要从电磁干扰形成的三要素入手，即抑制干扰源、切断耦合途径和提高敏感设备抗扰度。

抑制电磁干扰源的方法一般有：

（1）尽量去掉对设备工作用处不大的潜在干扰源，以减少干扰源数量；

（2）恰当选择元器件和线路的工作模式，尽量使设备工作在特性曲线的线性区域，以使谐波成分降低；

（3）对电磁发射信号进行功率控制和频带控制；

（4）合理选择脉冲波形，不盲目追求上升沿；

（5）控制产生电弧放电和电火花，宜选用工作电平低或有触点保护的继电器以及加工精密的直流电机；

（6）应用良好的线路设计技术（包括接地技术）来抑制地线干扰。

抑制干扰耦合的方法一般有：

（1）把携带电磁噪声大的元器件和导线与敏感元器件隔离；

（2）缩短干扰耦合路径的长度，使相应导线尽量短，必要时使用屏蔽线；

（3）应用屏蔽技术隔离或减少辐射途径的电磁干扰；

（4）应用滤波器、脉冲吸收器、隔离变压器和光电耦合器等滤除或减少传导途径的电磁干扰。

提高敏感设备抗扰能力的方法一般有：对于抑制干扰源的措施一般也同样适用于敏感设备的保护；此外，在设计中尽量少用低电平器件，不盲目追求高速器件，去掉那些不十分需要的敏感器件，适当控制输入灵敏度等。

2.1 电路电磁兼容设计

在电路电磁兼容设计时尽量选用相互干扰小的元器件，并在结构上合理布局，大量采用接地、屏蔽、滤波等技术，降低所产生的干扰电平，增加干扰在传播途径上的衰减，一般应在如下几个方面需要重点注意：

2.1.1 元器件的选择

电路选择的元器件满足电磁特性的程度决定着功能单元和设备整体满足电磁兼容性的程度，有时使用的元器件本身就是一个干扰源，因此，正确选择元器件对设备的电磁兼容性非常重要。

2.1.2 电路电磁兼容设计

在进行电路设计时，除了考虑电路的技术性能指标满足要求外，还要考虑电路的电磁兼容性，如：电子元器件的引脚要尽量短，引脚越短，电磁干扰越小，表贴器件有更小的安装面积和更低的安装位置，所以有更好的电磁兼容性能。

逻辑电路在设计时要考虑由于高频数字信号正负电平转换时间短、转换电流大、往往会产生尖脉冲，并通过电源线给系统带来致命的干扰，一般可以通过在器件的单元输入端就近并联一个小电容来旁路尖峰干扰，将多余的端口接地或通过电阻接电源，防止端口感应造成干扰。

在逻辑电路中，数字信号传输线的处理也相当重要，当电路在高速运行时，在源和目的地间的阻抗匹配非常重要，匹配不好将会引起信号反馈和阻尼震荡。

本振和中频电路一般都有较大的泄漏，所以在设计时重点要考虑屏蔽和滤波的方法。

2.1.3 印制电路板电磁兼容设计

随着电子技术的飞速发展，印制电路板的集成度越来越高，印制板电路设计的好坏对电路的电磁兼容性能影响越来越大，因此在印制板电路电磁兼容设计中特别强调合理布局和布线问题。合理布局包括合理的板层设置、正确的元器件布局及有效的功能模块电路划分，这样可减少各单元间的互相干扰。

在印制板布局时一般要注意将低频的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合；时钟产生器尽量靠近使用该时钟的器件，石英晶体振荡器外壳要接地，并用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。

在印制板布线时一般要注意从减少辐射干扰的角度出发，尽量选择多层板，内层分别做电源层、地线层，用于降低供电线路阻抗，抑制公共阻抗噪声，电源线、地线及印制导线在印制板上的排列要恰当，尽量做到短而直，以减少信号线与回线之间形成的环路面积。

2.2 机柜电磁兼容设计

在进行电子设备的电磁兼容设计时，除了做好电路本身的电磁兼容设计外，机柜或机箱的电磁兼容性能对整个设备的电磁兼容性能影响更大，在进行机柜或机箱的电磁兼容设计时一般要采取屏蔽、滤波及良好的接地技术，下面分别进行分析：

2.2.1 机柜的屏蔽设计

实际上机柜的屏蔽效能是抑制干扰耦合的有效方法，机柜的屏蔽性能依赖于机柜良好的结构设计，机柜的材料一般选用铝、铜等，主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收信号，因此机柜的导电连续性决定了机柜的电磁兼容性，机柜上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。

解决机柜缝隙电磁泄露的方式是在缝隙处加电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持隙缝处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、金属编织网套等。

机柜上开口的电磁泄露与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口的距离有关，通过适当设计开口的尺寸和辐射源到开口的距离改善屏蔽效果。

2.2.2 机柜滤波技术

滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施，无论是抑制干扰源、消除耦合或提高敏感电路的抗干扰能力，都可以采用滤波技术。

滤波器可以显著减小传导干扰的电平，当干扰谱成分不同于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成分有良好的抑制能力，从而起到其他干扰抑制难以起到的作用。滤波器有很多种类，对于不同设备、不同功能、不同信号、不同传输方式，其滤波器的设计均各不相同，因此应根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗参数及负载特性的要求，适当选择滤波器。

2.2.3 机柜接地技术

由于任何电路的电流都要经过地线形成回路，因此接地是电路或系统正常工作的基本要求之一，同时接地存在接地电阻而引起接地干扰，而接地又是抑制干扰的一种技术措施，因此设备需要良好的接地措施来改善其电磁兼容性能。

机柜内一般设置3种接地桩，分别是模拟地、数字地和机壳地，这3种地要分别走线，以免在地线上互相引起串扰；接地方法有浮地、单点接地和多点接地3种基本形式。为了保证电路正常工作，同时又尽量减少接地干扰，必须恰当选择接地点的个数及接地点的位置。

考虑到趋肤效应，接地线需要选用带状编织线。如果对接地要求很高，还可在其表面镀银，这主要为了是减小导线的表面电阻率，达到减小接地电阻的目的。

2.2.4 机柜内部布局与布线

机柜内部合理布局也是改善机柜电磁兼容性能的有效措施之一，合理的布局应该按不同的功能分别安装（如高频电路、低频电路），对在功能上相近部件靠近安装，以便使部件与部件之间的连线最短，对于电源模块能够提供有效的电场、磁场屏蔽，并且最好远离对电磁场比较敏感的部件。

机柜内合理布线也能够改善设备的电磁兼容性能，因此在进行机柜布线时，要做到：

（1）机柜中各种裸露布线要尽量短；

（2）传输不同信号的导线分组捆扎，并保持适当距离，以减小导线间相互影响；

（3）传输数字信号的扁平带状线，应采用地-信号-地-信号的排列方式，这样不仅可以有效抑制干扰，也可明显提高其抗扰度；

（4）将低频进线和回线绞合在一起，形成双绞线，这样两线之间存在的骚扰电流几乎大小相等，方向相反，其骚扰场在空间可以相互抵消；

（5）导线的种类要根据传输信号的频率来选择，并尽可能选择屏蔽线。

3 舰载电子对抗系统设备之间电磁兼容设计

舰载电子对抗系统主要由雷达侦察设备、雷达有源干扰设备、无源光电干扰设备、通信干扰设备等组成，舰载电子对抗系统设备之间最棘手的电磁兼容问题是雷达侦察设备与雷达干扰设备之间的收发隔离问题，雷达侦察设备的特点是工作频带宽，一般可达到0.2～ 40GHz，灵敏度可达到 -60 ～-70dBm以上。

雷达有源干扰设备的有效辐射功率连续波噪声干扰高达数百千瓦，脉冲欺骗干扰功率甚至可以高达兆瓦级，将如此高的接收机灵敏度和极强的辐射功率安装在一个平台上，要解决收发隔离确实有很大的难度，但这个问题又必须解决，否则，整个电子对抗系统无法正常工作，因此，必须要加强电子对抗系统设备之间的电磁兼容设计，研究新技术、新方法，解决舰载子对抗系统的收发隔离问题［2-3］。

3.1 侦察设备与干扰设备之间的收发隔离设计

收发隔离一般在雷达侦察设备与干扰机的接收、发射天线端测量，隔离度公式：

式中：Pc为干扰机的发射功率；Prmin为侦察机灵敏度。

从公式（1）可以看出，电子对抗系统的隔离度是以干扰机的发射功率和侦察机的灵敏度来定义的，因此，将有2个方面的因素影响收发隔离度：一是两天线之间的直接耦合；一是干扰机周围的环境产生的耦合。具体分析这两方面的影响，便可得出减小耦合、增大收发隔离的措施。

根据雷达方程：

式中：Pr为雷达侦察接收机接收到的干扰信号功率；Pc为干扰机发射功率；Gc（α）为干扰机在α发射角的天线增益；Gr（β）为雷达侦察接收机在β接收角的天线增益；λ为工作波长；R为干扰机发射天线与侦察机接收天线之间的距离。

由式（2），令Pr≤Prmin，可得收发天线间干扰信号的衰减量，即收发天线的隔离度：

实船安装的天线，两者之间的电磁波传播距离不一定满足远场区要求，但这不影响设备之间的电磁兼容理论分析。由公式（3）可以看出，提高收发隔离度可以采取以下几个措施：

3.1.1 增加雷达侦察天线与雷达干扰机发射天线之间的距离

增加收发天线的距离可以提高天线的收发隔离度，但收发天线的距离受舰船安装位置的限制没有太大的调整余地；而且，增加收发天线的距离对收发隔离度的贡献不大。从公式（3）可计算得到距离增大1倍，收发隔离度增加6dB。

3.1.2 安装收发隔离板

在收发天线间加装隔离板，对发射天线的侧向辐射进行吸收，阻断发射天线与接收天线之间的直接传播，隔离效果明显。实践表明设计合理的隔离板可以有约20dB的隔离度。

3.1.3 优化设计发射天线与接收天线

对发射天线和接收天线进行优化设计，减少天线的副瓣增益；将发射天线和接收天线设计成正交极化，增大极化隔离；同时在天线的口面涂敷吸收材料等措施，阻断干扰信号从副瓣进入接收天线的通路，提高收发隔离度。

3.1.4 涂敷吸收材料

天线的环境耦合对收发隔离度的影响很大，舰载电子对抗系统收发隔离度受到天线在舰上安装位置的限制，舰上的桅杆、建筑物等都会对干扰信号形成强烈的反射，造成收发天线之间的耦合。

因此，在舰艇桅杆、建筑物表面涂敷吸收材料，可以有效增加天线之间的隔离度。

3.1.5 天线安装在稳定平台上

海面反射也是造成天线收发隔离度不高的因素之一。现代电子对抗系统的天线一般都是采用电扫描方式，优点是系统的反应时间快，能够在最短的时间内完成对周围电磁环境的侦察，并对高威胁雷达进行干扰；缺点是由于没有伺服系统，当舰艇摇摆时，干扰天线副瓣甚至是主瓣信号都有可能照射到海面，造成严重电磁干扰。

如果把侦察天线和干扰天线都安装在一个稳定平台上，当舰艇摇摆时，天线始终稳定在水平方向，可大大减少由于海面反射造成的干扰。

3.2 电子战系统电磁兼容优化设计

当上述措施仍不能解决收发隔离问题，只能从设备本身解决问题，主要措施是：一降低侦察机的接收灵敏度；二是侦察机、干扰机分时工作。

降低侦察机灵敏度是一种最为简单的处理方法，通过降低侦察设备性能来换取收发隔离要求，一般侦察机在显控台上可以人工设置灵敏度。

传统的电子对抗系统中时分工作就是干扰机发射干扰信号的同时给侦察机一个发射脉冲，侦察机在发射脉冲时间内不侦收任何信号，这样保证系统能够正常工作。

由于在干扰工作时侦察机完全停止工作，干扰信号的频率、周期等参数完全是采用记忆的方式进行，一旦雷达参数变化，这种记忆跟踪的方式可能很快就会偏离真实的雷达信号，从而影响系统的干扰效果。

为了克服完全时分的缺点，可以采用灵敏度时分、方位时分及频率时分的办法，分别介绍如下：

3.2.1 灵敏度时分

所谓灵敏度时分，就是在时分工作的干扰时段内，将干扰机输出的干扰波门送到侦察机去控制侦察接收机的灵敏度，在干扰波门内，侦察机采用中低灵敏度工作；在干扰波门外，侦察机采用正常灵敏度工作。采用这种方法最大限度地发挥了侦察机的能力。

3.2.2 方位时分

所谓方位时分，就是在时分工作的干扰时段内，将干扰机输出的干扰波门送到侦察机去控制侦察接收机的方位接收支路。

这项工作在电子对抗系统装舰后的电磁兼容摸底试验中就可以完成，方法是通过干扰机在向α方向发射干扰信号时，找到侦察机受到最严重干扰的方向β，建立α和β的对应表。在干扰波门内，侦察机在β方向的接收之路采用中低灵敏度工作；在干扰波门外，侦察机采用正常灵敏度工作。

3.2.3 频率时分

所谓频率时分，就是在时分工作的干扰时段内，将干扰机输出的干扰波门送到侦察机去控制侦察机的测频接收机，在干扰波门内，侦察机对干扰频段内的信号采用中低灵敏度工作，在干扰频段外的雷达信号，侦察机采用正常灵敏度工作。采用这种方法也能最大限度地发挥侦察机的能力。

4 结束语

本文针对舰载电子对抗系统的特点，论述了从电子对抗设备内部到电子对抗系统设备之间可能采取的一些电磁兼容性措施，希望能对实际装舰的电子对抗系统和设备在处理电磁兼容问题方面有所帮助。

［1］ 何宏，张宝峰，张大建，等.电磁兼容与电磁干扰［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［2］ 朱文立.电磁兼容设计与整改对策［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［3］ 苏东林，王冰切.电子战特种飞机电磁兼容预设计技术［J］.北京航空航天大学学报，2006，32（1）：1241-1245.