李艷龍，嚴海妍，王駒

中國艦船研究設計中心，上海 201108

0 引言

雷達波隱身是現(xiàn)代艦船設計必須考慮的問題，而桅桿處于艦艇結構的最高位置，會導致強烈的雷達波反射，由此成為全艦結構外形隱身的重要組成部分。尤其是桅桿上布置了大量的艦載雷達和通信等天線，在設計時不僅要考慮桅桿自身的隱身性，更要考慮其上各種天線的布置方式。

封閉式桅桿技術通過將雷達、通信等射頻設備的天線布置于由復合帶通濾波層板組成的封閉桅桿結構內，層板與桅桿表面共形，使天線布置與桅桿隱身設計有機地結合起來，以達到大幅度提高艦船雷達波隱身性能的目的。在國外，如美國的先進封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)（AEM/S）、英國的先進技術桅桿（ATM）及集成天線、德國的多探測器桅桿（IMSEM）及集成天線、荷蘭的綜合桅桿等就是采用這種技術作為基礎延伸而來［1-4］。但由于桅桿結構表面對天線帶外能量的封閉特性，造成電磁能量無法向空間輻射，由此可能會帶來不同設備間的電磁兼容性問題［5］。國內關于射頻集成技術的相關文獻中也提出了封閉桅桿內的諧振腔效應、串音干擾等電磁兼容性問題［6］。

由于封閉式桅桿多采用平面板陣天線，所以其電磁干擾防護還要考慮板陣天線的布置特點。在傳統(tǒng)的艦船設計中，離散布置的天線，在存在諧波干擾情況下可將其分開布置，例如，分別布置于桅桿前、后，利用距離和桅桿的遮擋大幅增加天線之間的空間隔離度。但在封閉式桅桿的設計中，由于空間有限，大量的板陣天線要通過桅桿表面的帶通復合層板進行對外輻射，且板陣天線之間的間隔距離由傳統(tǒng)布置的十幾米甚至幾十米降到了幾米，空間隔離度急劇減小，對減小天線間的電磁耦合極為不利。與此同時，由于平面陣天線是大功率輻射和高敏感共體，其固有特性對天線隔離度提出了更高的要求，從相關研究成果得到的結論是，要保證兩個不同頻段的平面陣天線不存在雜波干擾，必須提供大于150 dB的隔離度［7］。

國外對陣面天線間的隔離度已進行過一定的研究［8］。陣列A和B，其輻射單元個數(shù)分別為n和i，則兩個陣列之間隔離度SAi的計算方法為

式中：Sni為陣列A中單元n與陣列B中單元i的耦合系數(shù)；In為單元n的激勵振幅；?～n為激勵相位。就平面陣天線的布置而言，兩天線不會存在主波束的直射，其直接的電磁耦合發(fā)生在兩個陣面天線的邊緣，對于這種情況，根據(jù)以上公式已進行了陣面天線間的干擾耦合計算和試驗研究，得到天線同平面布置時電磁耦合，要比交錯布置和不同平面布置時大的結論。該研究可以為封閉桅桿的電磁干擾控制提供借鑒。國內對艦載天線之間的耦合干擾解決措施也進行了相關的研究［9-10］。

為研究封閉式桅桿的電磁干擾特性，將設計相關的試驗，觀察在試驗過程中出現(xiàn)的電磁干擾現(xiàn)象，并對干擾原因進行分析，以提出一些控制干擾的措施。

1 試驗方案及過程

圖1所示為試驗用封閉式桅桿的部分截圖。在桅桿表面分別貼壁安裝測試天線1和測試天線2的復合帶通濾波層板，與桅桿外形共形，同面上、下布置，兩個平板測試天線分別安裝于桅桿內部各自濾波層板的后端，桅桿上除兩副帶通復合層板由選頻透波材料（FSS）等非金屬材料構成外，其余均為鋼結構?？梢姡瑴y試天線位于帶通復合層板與鋼質桅桿組成的封閉空間內。

已知兩副天線均為收發(fā)共用，其中測試天線1工作于S波段，其工作頻率為f1；測試天線2工作于L波段，其工作頻率為f2。

圖1 試驗桅桿布置示意圖Fig.1 Arrangement of the mast for experiment

一般通過觀察干擾設備發(fā)射前、后接收設備顯示部分的變化來判斷電磁干擾是否存在?？紤]到電子設備本身的信號處理能力不同，同樣的電磁干擾在不同設備的后端表現(xiàn)未必一致，因此在進行艦船總體電磁兼容設計時，暫不考慮設備后端的信號處理能力，只看天線射頻端口進入的干擾信號大小，也即測試收發(fā)天線之間的隔離度，然后再結合天線的發(fā)射功率和接收機的敏感電平，即可判斷出接收設備是否受到了電磁干擾。

本次試驗主要驗證測試天線1和測試天線2在一發(fā)一收狀態(tài)下的電磁干擾特性。對于測試天線1對測試天線2的干擾研究，試驗過程分兩步：

1）測試天線1不發(fā)射時，測試天線2處于接收狀態(tài)，用頻譜儀掃描測試天線2的射頻端口，得到此時測試天線2工作頻帶內的幅頻特性；

2）測試天線1發(fā)射時，測試天線2仍處于接收狀態(tài)，再次掃描測試天線2射頻端口的幅頻特性。

測試天線2對測試天線1的電磁干擾測試與上述方法相同。

由試驗結果（圖2和圖3）發(fā)現(xiàn)：

1）在測試天線2對測試天線1的電磁干擾試驗中，兩個步驟的測試曲線基本相同，可以認為不存在電磁干擾；

2）但在測試天線1對測試天線2的干擾試驗中，在測試天線2的工作頻點f2處，測試天線1發(fā)射時產生了一個約-53.8 dBm的信號電平，而在測試天線1不發(fā)射時，此處的信號電平大約只有-92.18 dBm。

對測試天線1和測試天線2所對應的設備進行相應功能性驗證，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在測試天線1發(fā)射時，測試天線2的設備功能出現(xiàn)了被干擾現(xiàn)象。

圖3 測試天線1發(fā)射時測試天線2的接收電平Fig.3 Received power of No.2 antenna when No.1 antenna is working

在進行上述測試之前，為排除干擾（來自環(huán)境的電磁噪聲），掃描了較寬頻帶范圍內的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在頻率f2處背景環(huán)境較干凈。綜合以上試驗測試，可以確定測試天線1對測試天線2造成了電磁干擾。

2 試驗結果分析

由試驗可以得到測試天線1對測試天線2造成了電磁干擾的結論。分析兩副天線的工作頻率，其頻率之間正好存在四倍頻關系，即f2=4×f1，所以判定是諧波干擾。諧波干擾是最普遍，也是最難抑制的一種電磁干擾現(xiàn)象，具體分析其耦合途徑如下。

首先，測試天線1的諧波通過帶通復合層板輻射出去后，再次通過復合帶通濾波層板被測試天線2接收到的信號極小。這是因為兩副天線不存在主波束直接照射的情況，在近場條件下，只能是兩個陣面相鄰的邊沿單元的耦合干擾。

陣面天線由一定數(shù)量的輻射單元構成，每個輻射單元的能量和天線本身的輻射能量相比較小，而天線單元發(fā)射的諧波幅度又遠小于其發(fā)射的主頻幅度。實際中，在對測試天線1的復合帶通濾波層板進行插入損耗試驗時，得到的試驗數(shù)據(jù)證明在非工作頻段內電磁波通過帶通復合層板發(fā)射到桅桿外部的能量很小。

圖4為測試天線1對應的復合帶通濾波層板的插入損耗測試曲線。在其工作頻點f1處，插入損耗不超過2 dB；而在頻率f2處，插入損耗超過了20 dB。分析認為，頻率f2處復合帶通濾波層板對測試天線1的信號是隔斷的，而金屬材料的屏蔽特性也造成了電磁波的無法射出；因此對以上設計方式而言，桅桿內部非帶通頻段的電磁能向外部空間釋放的部分很小，可以忽略不計。

圖4 復合帶通濾波層板的插入損耗曲線Fig.4 The insert loss of FSS radome

所以少數(shù)陣面天線邊緣輻射單元的諧波能量在通過測試天線1的選頻透波天線罩層板超過20 dB的能量衰減后，已遠低于接收天線的敏感門限，如果再加上測試天線1和測試天線2之間的路徑衰減，測試天線2能被干擾到的幾率就很小，就試驗現(xiàn)象而言，這不會是主要的電磁干擾途徑。

再從桅桿內部著手分析。由于測試天線1和測試天線2上、下布置的距離在1 m左右，且在同一方向布置，兩者之間并無遮擋，其空間隔離度有限，因此如果測試天線1發(fā)射的諧波信號在桅桿內部通過較短的路徑被測試天線2接收，將有可能會出現(xiàn)這樣的干擾信號。由圖1可以看出，封閉式桅桿內部電磁耦合的較短路徑包括測試天線1的發(fā)射信號通過前壁的反射進入測試天線2，甚至有可能通過板陣天線的端射直接耦合。

桅桿內部的電磁干擾由集成桅桿的封閉特性所造成，它是不同功能和種類的天線封閉在射頻綜合系統(tǒng)內時，其中輻射或泄露的諧波無法向外空間輻射，通過內壁反射或直接耦合的方式，被受試天線接收即形成干擾。

集成桅桿由鋼質主體和選頻透波材料的天線罩組成，測試天線1和測試天線2分別置于桅桿內部。金屬材料的桅桿內部壁板和各種結構對電磁波具有屏蔽特性，而選頻透波材料理論上則只對測試天線1和測試天線2的工作頻段進行選頻透波。因對兩天線非工作頻段的電磁輻射來講是一個封閉的空間，所以非復合帶通濾波層板通帶內的電磁波大部分會在封閉的桅桿內部進行多次反射，每次反射都會使電磁能的一部分轉化為熱量消耗掉。但如果這部分電磁能耦合進入電纜或是其它接收設備，則有可能會對其它設備的使用造成一定的干擾。

本文暫不考慮電纜與天線之間的電磁耦合。試驗中采用的均為雙層屏蔽電纜（分屏蔽和鍍錫銅絲鎧裝，電纜型號JHQYJP85/SC），在實際中，屏蔽電纜受外界電磁耦合的能量很小。所以，電磁耦合主要發(fā)生在天線陣面或設備的電纜頭接入端。

另外，電磁波的能量在封閉桅桿內壁的多次反射有可能會使干擾耦合的途徑變得相當復雜而難以進行預測分析，同時也會加重桅桿內部的電磁干擾，因此必須采取措施加以防護。

3 電磁防護措施

在本文的試驗方案中，兩副天線均布置于封閉式桅桿內部，電磁干擾也可能通過桅桿內壁的反射耦合。當然,如果兩副天線之間不存在諧波關系，那這種諧波干擾便不會存在，即使桅桿內部的電磁干擾被接收天線引入，由于不在接收設備的工作頻帶內，接收機的預選器即可將其濾除，所以不會造成干擾現(xiàn)象。但若為了消除諧波干擾而去改變設備的工作頻率則不合適，而應通過優(yōu)化天線布置去消除干擾。

電磁干擾的控制主要是通過阻斷電磁耦合通道來實現(xiàn)。由干擾傳遞途徑的分析可以看到，在端射情況下，實際是測試天線1的邊緣單元輻射的諧波信號直接耦合到鄰近的測試天線2的邊緣單元。因此，可以在接收天線靠近發(fā)射天線的邊緣按照圖5所示加裝尖劈型的吸波材料，這樣就可以隔斷端射路徑，發(fā)射天線的干擾信號被吸波材料衰減掉后便不會到達接收天線陣面。但這樣的方式一般在試驗狀態(tài)下才會采用，在實船狀態(tài)下，考慮到布置的美觀和持久性以及空間需求，尖劈狀的吸波材料不符合要求，而采用涂敷式的吸波材料又勢必會犧牲接收天線邊緣的部分工作單元，因此也不適宜采用。

圖5 天線邊沿敷設吸波材料Fig.5 Absorbing material on the antenna

還可以在兩天線陣面之間加裝一金屬擋板，這樣端射的電磁波便能被金屬擋板阻隔，可以改善邊緣單元電磁耦合的情況。但考慮到電磁波的繞射影響，采用金屬擋板遮擋電磁波的效果并不顯著，這個結論在相關文獻中也有理論推導［9］。由桅桿內壁的反射造成的電磁干擾也可以通過在兩天線間的桅桿內壁上涂敷吸波材料來改善。

另外，也可通過兩副天線的分層布置來解決電磁反射問題（圖6）。電磁能被限制在本層的金屬表面來回反射直至最終轉化為熱量，而收、發(fā)天線之間因為有了甲板的隔斷，干擾信號的影響會顯著改善。

圖6 天線分層布置Fig.6 The antennas arranged at different decks

4 結 語

針對試驗結果進行分析，可以看到存在諧波關系的收發(fā)板陣天線采用封閉式桅桿的布置方式時，在同層、同面布置可能會產生電磁干擾，這種電磁干擾是由近距離布置的兩副天線之間的邊緣直接照射以及桅桿內壁的電磁反射所造成，它是封閉式桅桿的固有特點。

在實船設計時，可以通過對天線的優(yōu)化布置來解決上述問題?？蓪⒕哂兄C波關系的收發(fā)天線分層布置，這樣，便可通過金屬甲板來加大兩天線間的空間隔離度，進而減小甚至是消除諧波干擾現(xiàn)象。如果兩天線間分層布置后仍然存在諧波干擾，可以采用再次增加天線間隔離度的方法，例如，將天線的上、下距離拉大或天線分層但不共面布置，以及在甲板及艙壁上涂敷吸波材料等。

封閉式桅桿為艦船的雷達波隱身性提供了較好的解決方案，但隨之而來的電磁兼容性問題卻帶來了新的變化：天線間空間距離的減小使得離散天線時的布置方式不再勝任，陣面天線的大量布置與桅桿上空間有限的矛盾凸顯。但對于設計而言，關鍵是要從干擾現(xiàn)象中分析出干擾耦合路徑，通過天線的優(yōu)化布置來解決干擾問題。

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