【永不消逝的电波】 永不消逝的电波原型
时间：2020-03-03 07:34:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[编者按]1945年7月底，美国陆军航空兵第392轰炸机中队受领了一个绝密任务――在日本本土投放核弹。为保证杀伤效果，这2颗原子弹使用了无线电引信，向地面发射410-420兆赫兹的电磁波，不断测算出离地高度，以便在570米的空中精确引爆。但是。这种引信有一个致命的弱点。由于雷达波功率要远高于无线电引信的功率，如果日军有频率相近的雷达工作，那么核弹极有可能提前或延后引爆。所以，在投放前，美军进行了大量的情报搜集和技术测试，投放当天不间断地还对核弹载机飞临的区域进行电子监视，最终确保了核弹的顺利投放。随着科技发展，武器装备的电子化程度越来越高，结构也越来越复杂。但是。电磁波天生就是块“吃独食”的料，如果挨得太近，它们就会互不相让地打起架来，丝毫不顾忌“本是同根生”的亲戚关系。今天。我们就聊一聊电磁兼容的故事。首先让我们来看三份“病历”。
三份病历
病历一
姓名：“谢菲尔德”号驱逐舰
原籍：英国
状态：不治身亡
病情描述：1982年5月4日，这艘被英国皇家海军誉为“闪光谢菲”的主力战舰在马岛北部海域执行警戒巡逻任务时，被阿根廷的“飞鱼”反舰导弹击中，身负重伤。经过医护人员6天的全力抢救，这艘价值2亿美元的战舰仍没有挽回沉入洋底的命运。死者家属认为，装备有远程防空警戒雷达和当时颇为先进的“海标枪”防空导弹的“谢菲尔德”号，不应被区区两架“超级军旗”轻易击沉。
病理分析：孤立来看，该舰的确装备了众多先进的指挥、通信、火控及电子战系统，但这些设备集中在舰艇狭小高密度的电磁环境之中，各自效能还能不能充分发挥就要打上一个问号。“谢菲尔德”号驱逐舰上的警戒雷达与其卫星通信系统就不兼容，两者不能同时使用，而恰恰在该舰关闭雷达使用卫星通信终端收发电文时，阿军战机成功完成突防，造成了致命的后果。
病历二
姓名：“福莱斯特”号航空母舰
原籍：美国
状态：重伤
病情描述：1967年7月29日，该舰入役以来首次执行战斗巡航任务，参加了对越南的空袭。抵达战区后的第五天，上午10点52分，一架F-4舰载战斗机翼下挂载的“祖尼人”火箭突然自动点火，穿过飞行甲板，不偏不倚击中了一架A-4“天鹰”攻击机的400加仑副油箱，引起剧烈爆炸。几秒钟后，熊熊大火吞噬了整个飞行甲板，21架战机被炸毁或焚毁，134人丧生，161人受伤。
病理分析：事后，美国调集大批专家进行调查，结果发现造成这次战后航母所遭遇的最重大事故的元凶竟是“福莱斯特”自己装备的SPS-48型雷达。理论上说，任何一个高频电路都有接收电磁辐射的能力，只不过有强弱之分。由于SPS-48功率非常强大，频率也比较特殊，以致引起火箭弹点火电路误动作，终酿大祸。
病历三
姓名：E-2T型预警机
出生地：美国
状态：病灶很深，难以根治
病情描述：E-2T到位之初，就产生了严重的“水土不服”。这种预警机在部署地的工作模式是：将雷达获得的情报由数据链经固定频道下传至地面台站，进而传至“强网”防空系统。但在实际使用中却发现，这个固定频道经常被一些岛内的非法电子信号占据，致使下传速率大减，有时还会产生信道窜扰，严重影响作战效能。离谱的是，还发生过这些精英飞行员无可奈何地在预警机上集体收听了一个小时买药节目的事情。
病理分析：这涉及一个整体的电磁频谱规范化管理的问题。岛上的非法电台有2000家之多，而且很多都在山区。这些地下电台的老板为躲避侦察，往往用最大功率播一小时节目就停止，还经常转移发射台位置。从技术角度而言，E-2T不失为一款优秀的预警机，它成功地保证了机上59种不同航电设备良好的兼容性。但由于E-2T本身是海军的预警机，设计上对地面复杂的电磁环境考虑不足，也是造成其性能打折的原因之一。
感言电波的世界太“拥挤”
假设你站在战场中央，有一双可以侦听超宽无线电频带的超级耳朵，你将会听到什么?敌人的干扰?不!最先传入你耳中的应当是己方大功率通信电台的“震撼”；然后是转动的雷达天线发出的音调忽高忽低的雷达波，它们被广泛用于空中交通管制、监视、跟踪、武器制导及火力控制；紧跟着分布于各地的无线电导航信标向四面八方发射的各具特色的声响：还有连续不断的“滋滋”声，那是电力传输线带来的工频寄生辐射；还有每一支汽油机火花塞发出的短促而密集的脉冲辐射……“拥挤”不堪的电磁频谱，让一切变得糟糕透了，不是吗?
国家军用标准将电磁兼容性定义为：设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。在横跨陆海空天的未来战场上，交战双方各式各样的战场监视系统、通信指挥系统、武器控制系统等等电子设备齐聚一堂，被集中在十分有限的地理空间内，如果己方的电磁信号都不能“和平共处”，就更不要谈对敌攻击了，所以，武器装备对电磁兼容性能的要求也日渐突出。一名优秀的电磁兼容工程师要比通信工程师多拿三倍的薪水，也正是这个原因。
抑制己方电磁干扰的无能将意味着战斗行动灾难性的失败。除了对通信产生反作用，辐射指挥和控制结构外，还可能影响以下至关重要的领域。
――雷达失去判断力以及监视系统崩溃。
――导航系统破坏。
――如果点火电路感应到足够强度的信号，会过早引爆弹药。相反的，也可能发生炸药成为哑弹的情况。
――如果有人员在场的区域存在大功率电磁辐射，将对人体器官造成伤害。
――涉密电脑从各种接口泄露的电磁波会被间谍用专用设备接收，引发失密。
治疗方案
有序管理让电波和谐共处
第一疗程：优化装备设计
让战场上空的电磁频谱变得清晰而明朗是每一个电磁兼容工程师的美好愿望。若想令其尽善尽美，首要的一步就是――设计好你的电子设备。如果你我就是新一代兵器的设计师，那咱们就按下面的思路DIY一下。
首先要注意的是，严格依据技术要求筛选元件。整个设计必须确保筛选出到目前为止产生最小不良辐射的元件，以保证元件的抗扰度。否则动起手来你会发现麻烦重重。
然后我们为选好的元件选择一些必要的滤波器。为抵制固态器件本身的内部耦合或外部点线连接引起“串话”，在严格筛选继电器和激活半导体后，不可避免地要在电流瞬变过程中加入滤波器。
下一步是进行印刷电路板的线路布置。这要求互联的电线长度尽可能短，因为他们往往会像天线一样极尽辐射之能事；用去耦技术隔离产生高辐射的高速电路。
之后我们开始为设备设置屏蔽。最简单的屏蔽莫过于中学物理中所学的“法拉第笼”，其实就是一个金属导体网罩，可以减少不必要的辐射和检取噪声到最小程度。我们从元件一级开始屏蔽，进而升级到插件和系统，甚至屏蔽掉 整栋建筑物。外接的视频电缆、网络电缆上都要安装铁氧体磁环电子设备，内部线缆需要分别捆扎，而且线扎间距应大于5厘米。
紧接着我们将在设备和大地之间建立电流通路，也就是接地。请大家注意，接地这一步经常被忽视，如果接地使用恰当，可以挽救设备、预防电击事故。它同样可以确保因电磁干扰聚集的寄生电荷畅通无阻地奔泻到大地。
最后，我们适当地使用滤波器降低干扰级别。为了使其更有效，应该在干扰的源头而不是在受害的终端使用滤波器。
现在，我们已经有效抑制了装备自身产生的寄生辐射，下一步该做什么呢?
第二疗程：增强操作兼容
在上一疗程中，某些设计特点可能会增加设备的成本或加大尺寸和重量到无法接受的程度，而且可能有一些“顽固”的装备无论你怎么设计也无法令其电磁兼容性达到理想的程度。比如说，一架预警机上同时会有有源探测设备和无源侦察设备，总不能为保证侦察设备的工作就把探测设备给屏蔽掉，这就对设备的操作兼容性提出了要求。
频率操纵 频率是应用最广泛的参数，它允许设备识别并提高对于其信号的反映，提供某种程度的对其它频率干扰信号的防护。在联合演习中最常遇到的问题就是频率“撞车”，这使得导演组不得已做出某些先进装备退出演习的决定。设计在某一频率上有输出或反映，但在其它频率上却完全没有输出或反映的设备时，它并不切实可行。
时间管理 时间是第二个参数，它可在预期信号和干扰信号间提供某些辨别力。信号可能以某种预定时间序列或程序传输，接收设备可以同样的方式关闭，这样，接收设备将只对正确时间序列做出反应。波音公司最新研制的EA-18G“咆哮者”电子战机便大量应用了此项技术，以保证在实施干扰时仍能对敌方信号进行监听。然而，当有干扰信号或干扰信号的组合偶然进入正确时间序列时，干扰仍会存在。
布局和天线管理 限制辐射以及功能信号的传导到其所需区域，可以更深层次的控制干扰。可利用天线的特性局部限制特殊方向上的辐射和电磁能量的接收。比如说，利用定向天线。
这一步，我们已经试图运用“凭感觉试验”的方法来做到操作兼容性，但是要从根本上避免己方电磁干扰的影响，还需要进行下面这一步。
第三疗程：加强预测分析
前面的治疗均只解决了短期和片面的问题，仅仅治标而不治本。未来战争中电设备和电子设备密度大量增加，用经验的方法将无法解决电磁干扰的破坏性影响。比如，在战术军队的操作区域内存在上万个发射器和接收器的话，你无法预知它们将会产生什么样的后果。除非我们能采取早已预备好的手段――科学分析和研究的结果来确保抑制电磁干扰，否则它们不可能有效工作。这需要以下两方面数据的输入。
设备数据 尽管某些像功率输出、辐射、带宽、接收器灵敏度、接收器带宽和天线增益等设备数据可以很容易的从技术手册中获得，但电磁兼容性分析中至关重要的数据结果像设计寄生辐射带宽度、接收器方面的寄生响应以及天线的分类功能模式却无从得知，这些必须经过实验室的严格测量之后才能有定论。所以，当今和未来的电子设备都必须采用电磁干扰预测和分析。
地形和传播数据 战争可能发生，环境中的地形和周围电磁环境是确保战场电磁兼容性详细分析的要素。在和平时期得到统一地形方面的数据是必须的，这样，才能在电磁干扰预测分析中使用同样的数据。
电磁兼容性的主要范围是频谱管理。在未来战场上，因为相关的设备和系统数量过于庞大，所以传统的频谱管理方法是行不通的。根据收集到的综合数据，必须研究具有频谱管理功能的自动化或计算机技术，作战计划中必须包括这种由计算机生成的频谱管理图表。由于实际操作中不可能在战场区域配置所有的发射器和接收器，以及在战场操作区域激活所有设备，因此在和平时期，必须从数学上模拟电磁环境，并研究用计算机配置好的各个系统间的相互作用，以能够利用电磁干扰预测，并提出补救措施以对抗电磁干扰。
许多武器装备的设计者正逐渐意识到忽视电磁兼容性的严重后果，无论成本有多大，进入未来战场的每一部电子设备都必须符合近乎苛刻的电磁兼容性规范。只有这样，才能算真正掌握了电波的控制权，而不是让己方的电波“打成一片”。
回顾电波走进历史的一百余年，从马可尼实验室进发的一个火花开始，点燃了通往一个全新技术领域的指路灯：在能否跨越大洋的争论中度过了稚嫩的童年，人们开始依稀认识到它的作用；在两次大战的烈焰中经历了躁动的青春期，各种军事应用形式井喷式地增长；最终在战后几十年中，通信、导航、探测等诸多领域开枝散叶，深刻影响着作战样式的改变。在战场上，它们可能是无声的战友，也可能是无形的敌人。一成不变的是，它们永远裹挟着无数人对胜利的渴望，在依旧神秘的，电磁空间中马不停蹄地疾速穿行。
(全文完)
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