艦載機(jī)柜的電磁兼容設(shè)計(jì)

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

艦載機(jī)柜的電磁兼容設(shè)計(jì)

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

根據(jù)電磁兼容原理，從屏蔽、接地、濾波等方面對艦載機(jī)柜進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)柜所有指標(biāo)均能達(dá)到國軍標(biāo)的相關(guān)要求，證明該設(shè)計(jì)是合理有效的。

艦載機(jī)柜；電磁兼容；屏蔽；接地；濾波

艦載機(jī)柜是針對水面艦艇研制開發(fā)的新一代電子設(shè)備載體，機(jī)柜作為艦載電子設(shè)備的組成部分，其電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)技術(shù)性能的重要環(huán)節(jié)。隨著艦船武器裝備的發(fā)展，電子裝備日益增多，結(jié)構(gòu)越來越緊湊，在狹小的空間里存在著各系統(tǒng)之間及系統(tǒng)內(nèi)各分機(jī)之間的相互電磁干擾，這些干擾將導(dǎo)致故障，系統(tǒng)或?qū)o法正常運(yùn)行。因此在系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，必須充分考慮電磁兼容性問題。電磁兼容性設(shè)計(jì)應(yīng)在機(jī)柜結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)之前開展并伴隨整個(gè)機(jī)柜的設(shè)計(jì)。

作為一種艦載電子設(shè)備安裝載體，本文設(shè)計(jì)的艦載機(jī)柜在惡劣的電磁干擾環(huán)境條件下能為內(nèi)部安裝的電子設(shè)備提供良好的屏蔽條件，為艦船電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供可靠保證，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 屏蔽

電磁屏蔽是利用金屬板、網(wǎng)、蓋、罩、盒等屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播所采取的一種結(jié)構(gòu)措施。艦載機(jī)柜有電源線、信號(hào)線、控制線等的穿入及穿出，還有散熱用的通風(fēng)孔等。同時(shí)，機(jī)柜內(nèi)設(shè)備是由多個(gè)零部件組裝而成的，各部分的連接難免有電磁泄漏，如何抑制電磁能量從上述因素中泄漏，就成了艦載機(jī)柜電磁兼容性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。

1.1 縫隙的屏蔽

一個(gè)完全密閉的金屬殼很容易對高頻電磁場取得100 dB(10萬倍)以上的屏蔽效果。如果殼體上開有縫隙，電磁場會(huì)由縫隙漏出，則顯著降低屏蔽效果。從縫隙中泄漏出電磁場強(qiáng)度的估算公式為

而經(jīng)金屬板吸收衰減后的磁場強(qiáng)度

式中，H0是在縫隙處被屏蔽的磁場強(qiáng)度；Hg為從縫隙處漏出的磁場強(qiáng)度；Hst為經(jīng)金屬板吸收衰減后的磁場強(qiáng)度；t為金屬板的厚度，即縫隙深度；g是金屬板的縫隙寬度，δ為電磁場透入深度。

顯然，縫隙深而窄泄漏就小。因此，如果要求經(jīng)縫隙漏出的磁場強(qiáng)度與經(jīng)金屬板吸收衰減后的磁場強(qiáng)度相同，即(這相當(dāng)于無縫隙時(shí)的屏蔽效果)，則由式（1）與式（2）可得

電磁場透入深度δ隨著頻率升高而降低。在縫隙尺寸一定的情況下，頻率越高縫隙泄漏的影響就越大[2]。因此，被屏蔽的場頻越高，就越要注意減小屏蔽體的縫隙。式（3）是長縫的泄漏公式。減小縫的長度也能減少泄漏。在本機(jī)柜實(shí)際屏蔽結(jié)構(gòu)中，為減小縫隙的泄漏，應(yīng)盡量使屏蔽體的縫隙數(shù)量最少，并且增加縫隙的深度，減小縫隙的寬度和長度。此外，在縫隙間可裝導(dǎo)電的彈性襯墊。導(dǎo)電彈性襯墊可用細(xì)銅絲編織而成，也可用導(dǎo)電材料混入塑料中制成。

1.2 通風(fēng)孔洞的屏蔽

為了被屏蔽對象(設(shè)備、單元電路和元器件等)的通風(fēng)散熱，必須在屏蔽體上開設(shè)通風(fēng)孔洞。電磁能量會(huì)經(jīng)通風(fēng)孔洞泄漏，這是使屏蔽體屏蔽效能下降的又一重要原因。

圖1 通風(fēng)蜂窩板

因此，必須在通風(fēng)口安裝電磁防護(hù)罩，提供射頻衰減，又不妨礙通風(fēng)的要求。本機(jī)柜利用波導(dǎo)管的截止頻率特性，在機(jī)柜的通風(fēng)口安裝通風(fēng)蜂窩板，以解決電磁屏蔽和通風(fēng)散熱的問題，機(jī)柜出風(fēng)口蜂窩板和截止波導(dǎo)蜂窩孔如圖1所示。

1.3 表頭孔、開關(guān)、指示燈的屏蔽

機(jī)柜設(shè)備的面板上往往裝有指示電參數(shù)的表頭、指示燈、電源開關(guān)或工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，這些元器件安裝時(shí)需在面板上開設(shè)相應(yīng)尺寸的孔。為防止從這類孔中泄漏電磁能量，通常需用附加的屏蔽措施。

本機(jī)柜設(shè)計(jì)上采取在面板和屏蔽體之間加入導(dǎo)電襯墊以減少縫隙，改善電接觸，屏蔽體的引線穿入處采用穿心電容或插針式濾波連接器，使引線感應(yīng)的電磁干擾信號(hào)旁路到地，防止電磁能量通過引線泄漏[3]。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 屏蔽設(shè)計(jì)示意圖

2 接地

接地技術(shù)是任何電子電氣設(shè)備或系統(tǒng)正常工作時(shí)必須采取的重要技術(shù)，它不僅是抑制電磁干擾、保障設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性、提高設(shè)備或系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)措施，也是保障人身安全的必要手段。

機(jī)柜采用數(shù)字地、模擬地、安全地三套接地系統(tǒng)，并從機(jī)柜、印制板、電纜直至地網(wǎng)加以實(shí)施[4]。

●數(shù)字地：用于數(shù)字信號(hào)接地。

●模擬地：用于模擬信號(hào)接地。若有高電平模擬信號(hào)，則應(yīng)將高、低電平模擬信號(hào)地分開。若信號(hào)幅值超過數(shù)字電路開啟電壓，可視為高電平信號(hào)。反之，可視為低電平信號(hào)。

●安全地(機(jī)殼地)：用于設(shè)備機(jī)殼、機(jī)箱、機(jī)架和不帶電的金屬構(gòu)件及噪聲干擾大的電動(dòng)機(jī)、繼電器電路及高電平模擬信號(hào)接地。泄放機(jī)柜上積累的靜電電荷，避免靜電高壓導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部放電而造成電磁干擾。

在本系統(tǒng)中，將模擬信號(hào)地與數(shù)字信號(hào)地分別設(shè)置，發(fā)射信號(hào)地與接收信號(hào)地分開，大信號(hào)地與小信號(hào)地分開，最后匯流到大地，以抑制系統(tǒng)內(nèi)的電磁騷擾。

圖3為本機(jī)柜的接地示意圖。匯流條由3層鍍銀銅板與4層環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板(涂清漆)組成，環(huán)氧玻璃布板將銅板絕緣開，形成3層不同的地:數(shù)字地、模擬地、機(jī)殼地。

圖3 機(jī)柜接地示意圖

3 濾波

實(shí)踐表明，即使一個(gè)經(jīng)過良好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì)有電磁傳導(dǎo)騷擾發(fā)射或傳導(dǎo)騷擾進(jìn)入設(shè)備。濾波是壓縮信號(hào)回路騷擾頻譜的一種方法。當(dāng)騷擾頻譜成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用濾波器將無用的騷擾濾除。電磁干擾(EMI)濾波器屬于低通濾波器，包括電源線濾波器、信號(hào)線濾波器等。

在本機(jī)柜的設(shè)計(jì)中，恰當(dāng)?shù)夭捎昧薊MI濾波器，并充分考慮了其安裝位置與方法。如在電源出口處加以濾波，輸入與輸出側(cè)的配線屏蔽隔離，濾波器的輸入輸出引線不能并行或交叉，將濾波器的屏蔽體外殼直接安裝在設(shè)備的金屬外殼上等方法，都對電磁干擾達(dá)到了預(yù)期的濾波作用。

4 結(jié)論

機(jī)柜的電磁兼容設(shè)計(jì)是艦載設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，其屏蔽程度取決于結(jié)構(gòu)材料的選擇和裝配中所用的設(shè)計(jì)技術(shù)兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合多方面考慮。按照文獻(xiàn)[5]對機(jī)柜測試后，所有指標(biāo)均能達(dá)到文獻(xiàn)[5]的技術(shù)要求，證明電磁兼容性設(shè)計(jì)是合理且有效的。

[1]王定華.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1995.

[2]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[3]呂仁清,蔣全興.電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1990.

[4]莫世禹.通信設(shè)備中的屏蔽和接地方法[J].電磁兼容性技術(shù),2008,27(2):30-35.

[5]陳世鋼,湯仕平,胡旻森,等.軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量:GJB151B-2013[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2013.