新型舰船系统电磁干扰分析、测量与防护

本书总结了作者及其团队多年来从事电磁兼容定量设计和电磁干扰防护工作的研究成果，以近年来舰船领域兴起的电磁发射装置、综合电力系统等高新电磁装备为对象，介绍了这一领域电磁兼容分析设计的新原理和新方法，并从工程应用的角度，结合典型样例重点阐述了新型舰船电磁装备和系统的电磁干扰预测分析、试验测量和抑制措施等内容。本书取材新颖、内容丰富，充分吸收了近年来国内外相关领域的*研究进展，是一部涉及新型舰船系统电磁兼容技术的一部重要论著。

孟进，海军工程大学研究员、博士生导师，从事舰船系统电磁兼容理论和电磁干扰防护技术研究，先后获国家科技进步奖、全国创新争先奖、军队科技进步奖等，发表论文100多篇，申请专利30项，出版专著1部。

第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 新型舰船系统的内涵和发展 2
1.2.1 世界先进舰船的最新发展 2
1.2.2 新型舰船系统概念及发展趋势 7
1.3 舰船高新电磁技术的发展 12
1.3.1 综合电力技术的发展现状及趋势 13
1.3.2 电磁发射技术的发展现状及趋势 17
1.4 新型舰船系统电磁兼容发展需求 20
第2章 传导电磁干扰分析 24
2.1 传导电磁干扰的基本模型及传播耦合模式 24
2.1.1 电磁干扰三要素 24
2.1.2 传导电磁干扰源的基本模型 27
2.1.3 传导电磁干扰的耦合模式及转化 29
2.2 舰船发供电系统传导电磁干扰分析 32
2.2.1 发电机本体谐波干扰计算 32
2.2.2 发电机AVR系统传导电磁干扰计算 38
2.2.3 供电电缆电磁干扰传播通道模型 54
2.3 舰船大功率电能变换装置传导电磁干扰分析 72
2.3.1 电能变换接口变压器的高频模型研究 72
2.3.2 大容量功率变流器多层复合母排电磁特性研究 79
第3章 辐射电磁干扰分析 97
3.1 辐射电磁场的基本知识 97
3.1.1 电流和电荷产生的场 97
3.1.2 线性天线产生的场 99
3.1.3 电偶极子和磁偶极子产生的场 101
3.1.4 辐射电磁场 105
3.2 舰船供电系统辐射电磁干扰分析 107
3.2.1 传输电缆辐射电磁干扰分析 107
3.2.2 大容量系统多相电缆辐射磁场分析 131
3.3 舰船通信系统辐射电磁干扰 170
3.3.1 舰船通信系统辐射电磁干扰源 170
3.3.2 舰船通信系统辐射电磁干扰传播途径 171
3.3.3 舰船通信系统辐射电磁干扰作用机理 172
第4章 舰船壳体地电流干扰分析 174
4.1 舰船接地系统 174
4.1.1 设备的信号地与安全地 174
4.1.2 设备和系统的接地方式 175
4.1.3 地电流干扰及抑制措施 176
4.2 舰船壳体地回路耦合阻抗模型 177
4.2.1 共模回路耦合阻抗模型 177
4.2.2 孤立钢板内部的电流分布 178
4.2.3 孤立钢板地回路阻抗 184
4.3 钢板地回路阻抗测量方法 190
4.3.1 测量线路互感的补偿修正方法 190
4.3.2 测量电缆的补偿修正方法 191
4.3.3 钢板地回路阻抗的实验验证 192
4.3.4 舰船壳体地回路阻抗特性 194
4.4 邻近效应对地回路阻抗的影响 194
4.4.1 邻近效应的共地耦合模型 195
4.4.2 邻近效应的近似分析 197
4.4.3 邻近效应对钢板耦合阻抗的影响 202
4.5 共模传导电磁干扰分析实例 206
第5章 传导电磁干扰测量 209
5.1 电磁兼容测量基础 209
5.1.1 电磁兼容标准与规范 209
5.1.2 电磁兼容测量分类 211
5.2 传导电磁干扰发射测量 212
5.2.1 传导电磁干扰 212
5.2.2 测量原理与测量设备 215
5.2.3 测量方法与相关标准 220
5.3 传导敏感度测量 226
5.3.1 敏感度测量与电磁发射测量 226
5.3.2 常见传导敏感度测量项目 227
5.3.3 提高设备传导抗扰度的方法 237
5.4 大功率设备的传导电磁干扰测量 239
5.4.1 大功率设备的传导电磁干扰及其危害 239
5.4.2 大功率设备的传导电磁干扰测量现状 240
5.4.3 大功率设备的传导电磁干扰测量方法 241
第6章 辐射电磁干扰测量 252
6.1 辐射电磁干扰的测量基础 252
6.1.1 天线测量的近场与远场 252
6.1.2 舰船系统辐射电磁干扰控制 253
6.1.3 电磁屏蔽基础 254
6.2 辐射电磁干扰测量的场地、设备、项目及方法 257
6.2.1 辐射电磁干扰测试场地 257
6.2.2 辐射电磁干扰测量设备 259
6.2.3 辐射电磁干扰测量项目 262
6.2.4 辐射电磁干扰测量方法 265
6.3 非周期瞬态辐射电磁干扰的测量及分析方法 268
6.3.1 0-SPAN测试方法 269
6.3.2 时频分析基础 271
6.3.3 时频分析方法 272
6.3.4 测试实例 279
第7章 舰船壳体地电流干扰测量 281
7.1 地电流测量原理 281
7.2 地电流测量探头 283
7.2.1 磁场测试技术简介 283
7.2.2 表面磁场测量探头 284
7.2.3 探头噪声 291
7.3 地电流分布测量 296
7.3.1 地电流的面密度测量 296
7.3.2 邻近效应的实验测试 297
7.3.3 地电流的方向测量 298
7.3.4 地电流干扰测试 301
第8章 传导电磁干扰抑制 302
8.1 舰船综合电力系统回路互感耦合干扰抑制 302
8.1.1 互感耦合的概念 302
8.1.2 两个回路的互感耦合 305
8.1.3 回路耦合干扰的抑制原理 307
8.1.4 回路耦合干扰的抑制方法 310
8.2 大功率电力电子装置的传导电磁干扰抑制 314
8.2.1 级联多电平H桥逆变器共模干扰抑制方法 315
8.2.2 大功率电力电子装置多端口均衡电磁干扰抑制方法 318
8.2.3 等效负电容共模干扰抑制方法 322
8.3 用于PWM谐波抑制的变频滤波电感 326
8.3.1 基于磁通补偿的频变电感设计 327
8.3.2 基于磁通补偿的频变电感特性分析 330
8.3.3 基于磁通补偿的频变电感实验测试 338
第9章 辐射电磁干扰防护技术 348
9.1 辐射电磁干扰对消技术 348
9.1.1 辐射电磁干扰对消技术的原理 348
9.1.2 辐射电磁干扰对消技术的数学模型 349
9.1.3 干扰对消关键技术 365
9.2 数字化对消技术 381
9.2.1 数模混合辐射电磁干扰对消技术 382
9.2.2 全数字辐射电磁干扰对消技术 388
9.3 辐射电磁干扰对消技术在舰船通信系统中的应用 396
9.3.1 在短波通信系统中的应用 396
9.3.2 在舰载超短波通信系统中的应用 399
9.3.3 在微波通信系统中的应用 401
第10章 工程实例及新技术发展 404
10.1 综合电力系统电磁干扰控制 404
10.1.1 舰船大功率电能变换系统的电磁兼容要求 405
10.1.2 舰船大功率电能变换系统的干扰源 406
10.1.3 舰船大功率电能变换系统的电磁兼容设计 408
10.2 瞬态脉冲系统的电磁敏感度设计 413
10.2.1 瞬态脉冲系统的电磁兼容要求 413
10.2.2 瞬态脉冲系统的干扰源和敏感器件 414
10.2.3 瞬态脉冲系统的电磁干扰诊断与防护设计 415
10.3 电磁兼容测量新技术 421
10.3.1 瞬态脉冲干扰频谱的测量技术 421
10.3.2 虚拟暗室技术 423
10.3.3 宽带时域电磁干扰测量技术 425
参考文献 433
缩略术语表 440

前言

进入21世纪以来，舰船、飞机、车辆等复杂信息化平台的电磁兼容问题受到了高度重视。由于传统的经验方法不足以描述电磁特性复杂的大系统，因此系统级电磁干扰分析、测量和防护问题一直是学术界和工业界公认的难题。
开展舰船系统电磁兼容研究工作是为了得到更好的理论工具来预估系统电磁兼容性，测量验证分析并确定电磁干扰抑制和防护措施。电磁兼容研究工作的技术驱动主要来源于三个事实：第一个事实是舰船系统中的电子设备的数量不断增加，以及新的信息化技术可以实现电子设备的小型化，这导致这些电子设备需要在更小的空间内工作于更高的频率上，大大增加了电磁干扰的风险。第二个事实与国防武器系统的独特性有关，即军事使用环境使国防武器系统主要关注涉及电磁敏感度及系统内操作功能的电磁兼容性，而对外部世界的关注较少，我们常称之为独立系统。舰船独立系统的电磁兼容问题一直是编者及其团队多年来工作的重点和方向。第三个事实是电磁发射、综合电力等高新电磁技术催生了下一代舰船系统的革命。相对于以机械能和化学能复合形式为主的传统舰船，新型舰船系统将电磁能量和信息控制高度融合并最大限度地加以利用，这为有限的舰船电力系统和电磁频谱均带来了复杂的电磁干扰和电磁兼容新问题和新挑战。
本书总结了海军工程大学电磁兼容研究团队10多年来从事电磁兼容定量设计和电磁干扰防护工作的研究成果，以近年来舰船领域兴起的电磁发射装置、综合电力系统等高新电磁装备为对象，介绍了这一领域电磁兼容分析设计的新原理和新方法。本书还从工程应用的角度，结合典型案例重点阐述了新型舰船电磁装备和系统的电磁干扰预测分析、试验测量和抑制措施等内容。
为了便于读者理解，本书共分为10章：第1章简要综述了世界发达国家新型舰船系统的内涵和最新发展，阐述了舰船高新电磁技术的发展情况，给出了新型舰船系统发展的电磁兼容设计新技术发展方向。第2章介绍了传导电磁干扰的通用分析方法，包括传导电磁干扰的基本模型、舰船发供电系统、大功率电能变换装置的传导电磁干扰分析。第3章回顾了辐射电磁场的基本知识，给出了传输电缆系统辐射电磁场的分析方法，简要介绍了舰船通信系统辐射电磁干扰的常见类型和作用机理。第4章介绍了舰船系统特有的壳体地电流干扰分析方法，主要介绍了舰船接地系统共地耦合阻抗模型和参数提取方法，分析了邻近效应对地回路阻抗的影响。第5章介绍了传导电磁干扰测量技术，重点阐述了中压大功率电力系统及其设备传导电磁干扰测量的新手段和新方法。第6章综述了标准规定的辐射电磁干扰测量场地、设备、项目及方法，介绍了非周期瞬态辐射电磁干扰的测量及分析新方法。第7章从舰船壳体地电流的产生机理入手，介绍了基于金属表面磁场测量获取壳体内部地电流干扰的测量探头设计方法，为系统级电磁兼容分析地电流干扰源定位及地电流传播途径确定提供了有效的实验验证手段。第8章阐述了舰船综合电力系统大功率电力电子装置的传导电磁干扰抑制方法，包括舰船电力系统特有的回路耦合干扰抑制方法、大功率电力电子装置传导电磁干扰抑制技术和变频滤波电感设计方法，为舰船系统电磁兼容性的设计奠定了技术基础。第9章介绍了辐射电磁干扰的自适应对消技术，从辐射电磁干扰对消技术的原理和数学模型出发，详细阐述了数字化对消技术的发展，最后给出了该技术在舰船通信系统抗干扰方面的应用实例。第10章给出了综合电力系统电磁干扰控制及瞬态脉冲系统电磁敏感度设计的工程实例，还介绍了发展中的瞬态脉冲干扰频谱的测量技术和虚拟暗室技术，以及日趋成熟的宽带时域电磁干扰测量技术。
本书由孟进编写了第1章、第2章、第3章和第8章的内容；张磊参与编写了第5章和第10章的内容；赵治华参与编写了第4章、第6章和第7章的内容；李毅参与编写了第9章的内容。本书在编写过程中还得到了何方敏、葛松虎、邢金岭、吴灏等同事的大力支持。另外，本书还引用了国内外有关学者的部分研究结论。
感谢中国工程院陆建勋院士为本书作序，感谢海军新军事变革丛书编委会，感谢电子工业出版社为本书出版做出的大量细致的工作。
限于著者学术水平和著书经验，书中的不足之处在所难免，恳请读者给予批评指正并提出宝贵意见。