封闭式桅杆内的电磁干扰试验研究

2014-11-12 08:05李艳龙严海妍王驹

中国舰船研究 2014年3期

李艳龙，严海妍，王驹

中国舰船研究设计中心，上海 201108

0 引言

雷达波隐身是现代舰船设计必须考虑的问题，而桅杆处于舰艇结构的最高位置，会导致强烈的雷达波反射，由此成为全舰结构外形隐身的重要组成部分。尤其是桅杆上布置了大量的舰载雷达和通信等天线，在设计时不仅要考虑桅杆自身的隐身性，更要考虑其上各种天线的布置方式。

封闭式桅杆技术通过将雷达、通信等射频设备的天线布置于由复合带通滤波层板组成的封闭桅杆结构内，层板与桅杆表面共形，使天线布置与桅杆隐身设计有机地结合起来，以达到大幅度提高舰船雷达波隐身性能的目的。在国外，如美国的先进封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S）、英国的先进技术桅杆（ATM）及集成天线、德国的多探测器桅杆（IMSEM）及集成天线、荷兰的综合桅杆等就是采用这种技术作为基础延伸而来［1-4］。但由于桅杆结构表面对天线带外能量的封闭特性，造成电磁能量无法向空间辐射，由此可能会带来不同设备间的电磁兼容性问题［5］。国内关于射频集成技术的相关文献中也提出了封闭桅杆内的谐振腔效应、串音干扰等电磁兼容性问题［6］。

由于封闭式桅杆多采用平面板阵天线，所以其电磁干扰防护还要考虑板阵天线的布置特点。在传统的舰船设计中，离散布置的天线，在存在谐波干扰情况下可将其分开布置，例如，分别布置于桅杆前、后，利用距离和桅杆的遮挡大幅增加天线之间的空间隔离度。但在封闭式桅杆的设计中，由于空间有限，大量的板阵天线要通过桅杆表面的带通复合层板进行对外辐射，且板阵天线之间的间隔距离由传统布置的十几米甚至几十米降到了几米，空间隔离度急剧减小，对减小天线间的电磁耦合极为不利。与此同时，由于平面阵天线是大功率辐射和高敏感共体，其固有特性对天线隔离度提出了更高的要求，从相关研究成果得到的结论是，要保证两个不同频段的平面阵天线不存在杂波干扰，必须提供大于150 dB的隔离度［7］。

国外对阵面天线间的隔离度已进行过一定的研究［8］。阵列A和B，其辐射单元个数分别为n和i，则两个阵列之间隔离度SAi的计算方法为

式中：Sni为阵列A中单元n与阵列B中单元i的耦合系数；In为单元n的激励振幅；ϕ～n为激励相位。就平面阵天线的布置而言，两天线不会存在主波束的直射，其直接的电磁耦合发生在两个阵面天线的边缘，对于这种情况，根据以上公式已进行了阵面天线间的干扰耦合计算和试验研究，得到天线同平面布置时电磁耦合，要比交错布置和不同平面布置时大的结论。该研究可以为封闭桅杆的电磁干扰控制提供借鉴。国内对舰载天线之间的耦合干扰解决措施也进行了相关的研究［9-10］。

为研究封闭式桅杆的电磁干扰特性，将设计相关的试验，观察在试验过程中出现的电磁干扰现象，并对干扰原因进行分析，以提出一些控制干扰的措施。

1 试验方案及过程

图1所示为试验用封闭式桅杆的部分截图。在桅杆表面分别贴壁安装测试天线1和测试天线2的复合带通滤波层板，与桅杆外形共形，同面上、下布置，两个平板测试天线分别安装于桅杆内部各自滤波层板的后端，桅杆上除两副带通复合层板由选频透波材料（FSS）等非金属材料构成外，其余均为钢结构。可见，测试天线位于带通复合层板与钢质桅杆组成的封闭空间内。

已知两副天线均为收发共用，其中测试天线1工作于S波段，其工作频率为f1；测试天线2工作于L波段，其工作频率为f2。

图1 试验桅杆布置示意图Fig.1 Arrangement of the mast for experiment

一般通过观察干扰设备发射前、后接收设备显示部分的变化来判断电磁干扰是否存在。考虑到电子设备本身的信号处理能力不同，同样的电磁干扰在不同设备的后端表现未必一致，因此在进行舰船总体电磁兼容设计时，暂不考虑设备后端的信号处理能力，只看天线射频端口进入的干扰信号大小，也即测试收发天线之间的隔离度，然后再结合天线的发射功率和接收机的敏感电平，即可判断出接收设备是否受到了电磁干扰。

本次试验主要验证测试天线1和测试天线2在一发一收状态下的电磁干扰特性。对于测试天线1对测试天线2的干扰研究，试验过程分两步：

1）测试天线1不发射时，测试天线2处于接收状态，用频谱仪扫描测试天线2的射频端口，得到此时测试天线2工作频带内的幅频特性；

2）测试天线1发射时，测试天线2仍处于接收状态，再次扫描测试天线2射频端口的幅频特性。

测试天线2对测试天线1的电磁干扰测试与上述方法相同。

由试验结果（图2和图3）发现：

1）在测试天线2对测试天线1的电磁干扰试验中，两个步骤的测试曲线基本相同，可以认为不存在电磁干扰；

2）但在测试天线1对测试天线2的干扰试验中，在测试天线2的工作频点f2处，测试天线1发射时产生了一个约-53.8 dBm的信号电平，而在测试天线1不发射时，此处的信号电平大约只有-92.18 dBm。

对测试天线1和测试天线2所对应的设备进行相应功能性验证，通过观察发现，在测试天线1发射时，测试天线2的设备功能出现了被干扰现象。

图3 测试天线1发射时测试天线2的接收电平Fig.3 Received power of No.2 antenna when No.1 antenna is working

在进行上述测试之前，为排除干扰（来自环境的电磁噪声），扫描了较宽频带范围内的电磁环境，发现在频率f2处背景环境较干净。综合以上试验测试，可以确定测试天线1对测试天线2造成了电磁干扰。

2 试验结果分析

由试验可以得到测试天线1对测试天线2造成了电磁干扰的结论。分析两副天线的工作频率，其频率之间正好存在四倍频关系，即f2=4×f1，所以判定是谐波干扰。谐波干扰是最普遍，也是最难抑制的一种电磁干扰现象，具体分析其耦合途径如下。

首先，测试天线1的谐波通过带通复合层板辐射出去后，再次通过复合带通滤波层板被测试天线2接收到的信号极小。这是因为两副天线不存在主波束直接照射的情况，在近场条件下，只能是两个阵面相邻的边沿单元的耦合干扰。

阵面天线由一定数量的辐射单元构成，每个辐射单元的能量和天线本身的辐射能量相比较小，而天线单元发射的谐波幅度又远小于其发射的主频幅度。实际中，在对测试天线1的复合带通滤波层板进行插入损耗试验时，得到的试验数据证明在非工作频段内电磁波通过带通复合层板发射到桅杆外部的能量很小。

图4为测试天线1对应的复合带通滤波层板的插入损耗测试曲线。在其工作频点f1处，插入损耗不超过2 dB；而在频率f2处，插入损耗超过了20 dB。分析认为，频率f2处复合带通滤波层板对测试天线1的信号是隔断的，而金属材料的屏蔽特性也造成了电磁波的无法射出；因此对以上设计方式而言，桅杆内部非带通频段的电磁能向外部空间释放的部分很小，可以忽略不计。

图4 复合带通滤波层板的插入损耗曲线Fig.4 The insert loss of FSS radome

所以少数阵面天线边缘辐射单元的谐波能量在通过测试天线1的选频透波天线罩层板超过20 dB的能量衰减后，已远低于接收天线的敏感门限，如果再加上测试天线1和测试天线2之间的路径衰减，测试天线2能被干扰到的几率就很小，就试验现象而言，这不会是主要的电磁干扰途径。

再从桅杆内部着手分析。由于测试天线1和测试天线2上、下布置的距离在1 m左右，且在同一方向布置，两者之间并无遮挡，其空间隔离度有限，因此如果测试天线1发射的谐波信号在桅杆内部通过较短的路径被测试天线2接收，将有可能会出现这样的干扰信号。由图1可以看出，封闭式桅杆内部电磁耦合的较短路径包括测试天线1的发射信号通过前壁的反射进入测试天线2，甚至有可能通过板阵天线的端射直接耦合。

桅杆内部的电磁干扰由集成桅杆的封闭特性所造成，它是不同功能和种类的天线封闭在射频综合系统内时，其中辐射或泄露的谐波无法向外空间辐射，通过内壁反射或直接耦合的方式，被受试天线接收即形成干扰。

集成桅杆由钢质主体和选频透波材料的天线罩组成，测试天线1和测试天线2分别置于桅杆内部。金属材料的桅杆内部壁板和各种结构对电磁波具有屏蔽特性，而选频透波材料理论上则只对测试天线1和测试天线2的工作频段进行选频透波。因对两天线非工作频段的电磁辐射来讲是一个封闭的空间，所以非复合带通滤波层板通带内的电磁波大部分会在封闭的桅杆内部进行多次反射，每次反射都会使电磁能的一部分转化为热量消耗掉。但如果这部分电磁能耦合进入电缆或是其它接收设备，则有可能会对其它设备的使用造成一定的干扰。

本文暂不考虑电缆与天线之间的电磁耦合。试验中采用的均为双层屏蔽电缆（分屏蔽和镀锡铜丝铠装，电缆型号JHQYJP85/SC），在实际中，屏蔽电缆受外界电磁耦合的能量很小。所以，电磁耦合主要发生在天线阵面或设备的电缆头接入端。

另外，电磁波的能量在封闭桅杆内壁的多次反射有可能会使干扰耦合的途径变得相当复杂而难以进行预测分析，同时也会加重桅杆内部的电磁干扰，因此必须采取措施加以防护。

3 电磁防护措施

在本文的试验方案中，两副天线均布置于封闭式桅杆内部，电磁干扰也可能通过桅杆内壁的反射耦合。当然,如果两副天线之间不存在谐波关系，那这种谐波干扰便不会存在，即使桅杆内部的电磁干扰被接收天线引入，由于不在接收设备的工作频带内，接收机的预选器即可将其滤除，所以不会造成干扰现象。但若为了消除谐波干扰而去改变设备的工作频率则不合适，而应通过优化天线布置去消除干扰。

电磁干扰的控制主要是通过阻断电磁耦合通道来实现。由干扰传递途径的分析可以看到，在端射情况下，实际是测试天线1的边缘单元辐射的谐波信号直接耦合到邻近的测试天线2的边缘单元。因此，可以在接收天线靠近发射天线的边缘按照图5所示加装尖劈型的吸波材料，这样就可以隔断端射路径，发射天线的干扰信号被吸波材料衰减掉后便不会到达接收天线阵面。但这样的方式一般在试验状态下才会采用，在实船状态下，考虑到布置的美观和持久性以及空间需求，尖劈状的吸波材料不符合要求，而采用涂敷式的吸波材料又势必会牺牲接收天线边缘的部分工作单元，因此也不适宜采用。

图5 天线边沿敷设吸波材料Fig.5 Absorbing material on the antenna

还可以在两天线阵面之间加装一金属挡板，这样端射的电磁波便能被金属挡板阻隔，可以改善边缘单元电磁耦合的情况。但考虑到电磁波的绕射影响，采用金属挡板遮挡电磁波的效果并不显著，这个结论在相关文献中也有理论推导［9］。由桅杆内壁的反射造成的电磁干扰也可以通过在两天线间的桅杆内壁上涂敷吸波材料来改善。

另外，也可通过两副天线的分层布置来解决电磁反射问题（图6）。电磁能被限制在本层的金属表面来回反射直至最终转化为热量，而收、发天线之间因为有了甲板的隔断，干扰信号的影响会显著改善。

图6 天线分层布置Fig.6 The antennas arranged at different decks

4 结语

针对试验结果进行分析，可以看到存在谐波关系的收发板阵天线采用封闭式桅杆的布置方式时，在同层、同面布置可能会产生电磁干扰，这种电磁干扰是由近距离布置的两副天线之间的边缘直接照射以及桅杆内壁的电磁反射所造成，它是封闭式桅杆的固有特点。

在实船设计时，可以通过对天线的优化布置来解决上述问题。可将具有谐波关系的收发天线分层布置，这样，便可通过金属甲板来加大两天线间的空间隔离度，进而减小甚至是消除谐波干扰现象。如果两天线间分层布置后仍然存在谐波干扰，可以采用再次增加天线间隔离度的方法，例如，将天线的上、下距离拉大或天线分层但不共面布置，以及在甲板及舱壁上涂敷吸波材料等。

封闭式桅杆为舰船的雷达波隐身性提供了较好的解决方案，但随之而来的电磁兼容性问题却带来了新的变化：天线间空间距离的减小使得离散天线时的布置方式不再胜任，阵面天线的大量布置与桅杆上空间有限的矛盾凸显。但对于设计而言，关键是要从干扰现象中分析出干扰耦合路径，通过天线的优化布置来解决干扰问题。

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