彈上電子設(shè)備小結(jié)構(gòu)體屏效測試與優(yōu)化

董 煬，戴洪浪，秦普亮

(北京控制與電子技術(shù)研究所，北京100038)

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彈上電子設(shè)備小結(jié)構(gòu)體屏效測試與優(yōu)化

董 煬，戴洪浪，秦普亮

(北京控制與電子技術(shù)研究所，北京100038)

針對彈上小尺寸結(jié)構(gòu)體由于尺寸原因?qū)е缕帘涡茈y以量化評價的問題，提出了兩種小尺寸屏蔽體屏蔽效能的測量方法：輻射發(fā)射法、輻射敏感度法。在研究測試方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了屏蔽體屏蔽效能優(yōu)化的工作，采用改變搭接型式、改進(jìn)涂敷工藝等方法，以改善屏蔽體的屏效，并測試驗(yàn)證優(yōu)化效果。

小尺寸屏蔽體；屏蔽效能；測試與優(yōu)化

0 引言

小尺寸屏蔽體廣泛應(yīng)用于航天器電子設(shè)備的電磁屏蔽外殼，對電子設(shè)備的電磁兼容性具有重要影響。準(zhǔn)確衡量小尺寸屏蔽體屏蔽效能有助于對電子設(shè)備進(jìn)行更好的電磁兼容性設(shè)計(jì)。由于尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁場與屏蔽體的耦合作用、內(nèi)置傳感器的種類和參考位置等問題的建模和計(jì)算十分復(fù)雜，對小尺寸屏蔽體屏蔽效能的測試方法缺乏可重復(fù)性和可比性，至今還沒有針對小尺寸屏蔽體(?1m)屏蔽效能的測試標(biāo)準(zhǔn)。

本文根據(jù)電磁場理論及試驗(yàn)室條件提出了兩種對小尺寸屏蔽體的測試方法：電場輻射發(fā)射法和電場輻射敏感度法。通過對某彈上工藝機(jī)箱的分析測試，給出兩種測試方法的適用性，并對機(jī)箱屏效進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 屏蔽基本原理

屏蔽技術(shù)是抑制電磁波輻射的關(guān)鍵技術(shù)之一。屏蔽是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播的一種措施。屏蔽體是用以阻止或減少電磁能傳輸，而對裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或者帶有非金屬吸收填料的。對干擾源或感受器(敏感設(shè)備、電路或組件)進(jìn)行屏蔽，能有效地抑制干擾，并提高系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性，是電子設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須要考慮的重要因素。

1.1 屏蔽效能

屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效果主要由屏蔽效能SE(dB)表示，其定義為

(1)

式中，E0和H0為未屏蔽時測得的場強(qiáng)，E1和H1為屏蔽后測得的場強(qiáng)。屏蔽效能SE即對給定輻射騷擾源進(jìn)行屏蔽時，在某一場點(diǎn)上，屏蔽體安裝前后的電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度的比值。

測量屏蔽效能的方法有很多種，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。屏蔽效能測試方法的選擇要考慮諸多因素，如頻率范圍、測量誤差、動態(tài)范圍、樣本制備、試驗(yàn)重復(fù)性、試驗(yàn)時間和試驗(yàn)成本等。

1.2 屏蔽效能的測量

電子設(shè)備在交付使用之后，總在一定的電磁環(huán)境中工作。在電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)備之間除按預(yù)期目的進(jìn)行有用信號傳遞之外，難免會出現(xiàn)不希望有的能量傳遞。如果干擾能量足夠大，受干擾對象又比較敏感，加之時間和頻率上的重合，受干擾對象輕則性能降級，重則遭受損壞。為了確保設(shè)備或系統(tǒng)正常工作，必須在產(chǎn)品研制過程和交付使用之前按標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行全面的電磁兼容測試。

小尺寸屏蔽殼體的屏蔽效能是電磁兼容領(lǐng)域的重要內(nèi)容，絕大多數(shù)彈上和地面的通信儀器、電子器件、電子測量儀器都屬于小尺寸屏蔽殼體。

進(jìn)行電磁兼容性測試的主要目的在于：

1)通過測試鑒別產(chǎn)品是否符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范；

2)通過測試暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中在電磁兼容性方面的薄弱環(huán)節(jié)，以便在進(jìn)行后續(xù)程序之前，及早采取改進(jìn)措施；

3)提供產(chǎn)品實(shí)際的電磁發(fā)射和敏感度數(shù)據(jù)，以便用戶日后進(jìn)行全壽命監(jiān)控。

按照各種屏蔽效能理論計(jì)算公式所得出的值，往往遠(yuǎn)大于實(shí)際能達(dá)到的屏蔽效能，因此，實(shí)際屏蔽體屏蔽效能的測量是工程上需要解決的問題。

根據(jù)屏蔽效能的定義，先分別測出同一點(diǎn)場強(qiáng)在屏蔽前和屏蔽后的值，再由兩者的比值確定屏蔽效能。然而實(shí)際要測量一點(diǎn)的絕對場強(qiáng)是較為困難的，屏蔽效能測量中，往往需要根據(jù)被測屏蔽對象的尺寸和屏蔽的性質(zhì)選擇相應(yīng)的探頭或者天線，而這類探頭往往是未經(jīng)標(biāo)定的，因此場強(qiáng)儀所測量的值只是施加在其輸入端口的電壓值。為了將場強(qiáng)值按比例轉(zhuǎn)換為電壓，探頭和天線必須是線性的，這種情況下，屏蔽效能可以用屏蔽前后傳感器感應(yīng)電壓之比表示。即：

SE=20lg(u0/u1)

(2)

本文主要根據(jù)GJB152A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》中的RE102電場輻射發(fā)射和RS103電場輻射敏感度、GJB5185-2003《小屏蔽體屏蔽效能測試方法》、GJB1217A-2009《電連接器實(shí)驗(yàn)方法》來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)原理過程以及結(jié)果，為以后小尺寸結(jié)構(gòu)體的電磁兼容設(shè)計(jì)測試提供理論依據(jù)。

1.3 參試設(shè)備

參試設(shè)備為彈上設(shè)備工藝機(jī)箱，如圖1所示，外形尺寸約為230mm×200mm×136mm。該機(jī)箱為彈上機(jī)箱典型結(jié)構(gòu)層——疊式結(jié)構(gòu)，由3個模塊層組成，通過螺釘將頂蓋板、中間層模塊和底層模塊串接在一起，上蓋板上裝有一個長波導(dǎo)管用于試驗(yàn)時安裝測試電纜。

圖1 參試設(shè)備Fig.1 Test equipment

2 輻射發(fā)射法

此種方法類似GJB152A中規(guī)定的RE102的測試方法，或者GJB5185中的內(nèi)置源法。在屏蔽體內(nèi)置一個發(fā)射源產(chǎn)生輻射場，同時在屏蔽體外部用接收天線測量有無屏蔽體時接收到的信號強(qiáng)度，由屏蔽效能的定義可知，比較這兩個接收強(qiáng)度即可得到屏蔽體的屏蔽效能。

測試原理如圖2所示，被測試設(shè)備的內(nèi)置輻射源為梳狀譜發(fā)生器，接收天線在1MHz～30MHz時使用拉桿天線，30MHz～200MHz時使用雙錐天線，200MHz～1GHZ時使用大喇叭天線，1GHz～18GHz時使用小喇叭天線。

圖2 輻射發(fā)射法測試原理Fig.2 Principle of method of radiation emission

由于尺寸的限制，小于30MHz時無法找到合適的內(nèi)置源，因此測量從30MHz開始。

2.1 測試過程

1)此試驗(yàn)在屏蔽試驗(yàn)室里進(jìn)行，按圖2連接測試系統(tǒng)。

2)將發(fā)射天線按圖示位置用絕緣墊支撐放置在受試機(jī)箱的中心位置上，接收天線正對發(fā)射天線測試時，發(fā)射天線與接收天線的極化方向應(yīng)保持一致，測試結(jié)果記為P1。

3)去掉受試機(jī)箱，將發(fā)射天線放置在有受試樣品時的相應(yīng)位置，也用絕緣材料支撐，天線方位以及所使用的測試設(shè)備和儀器設(shè)置均應(yīng)與測試有受試機(jī)箱時條件保持一致，測試結(jié)果記為P0。

4)P0-P1(dB)即為機(jī)箱的屏蔽效能值。

2.2 測試結(jié)果

按2.1節(jié)中過程進(jìn)行試驗(yàn)，測得機(jī)箱屏效結(jié)果如圖3所示。

圖3 輻射發(fā)射法測量結(jié)果Fig.3 Result of method of radiation emission

從圖3中可以看出，除個別點(diǎn)外，機(jī)箱的屏蔽效能基本在40dB左右振蕩。在低頻段，屏蔽層處于近場區(qū)，吸收損耗小，屏蔽機(jī)理以反射損耗為主。同時，在近區(qū)磁場中，由于屏蔽層波阻抗和空氣波阻抗都比較低，差值小，反射損耗也比較小，所以低頻時屏蔽效能不高。隨著頻率的上升，高頻段為遠(yuǎn)區(qū)磁場，這時反射損耗隨著頻率的上升而下降，但是吸收損耗增加很快，所以高頻端屏蔽效能轉(zhuǎn)化為以吸收損耗為主。

3 輻射敏感度法

此種方法類似GJB152A中規(guī)定的RS103的測試方法，或者相當(dāng)于GJB5185中的外置源法(圖4)，即在被測屏蔽體外部產(chǎn)生一個輻射場，用接收探頭測量有無屏蔽體時的場強(qiáng)，兩次測量所得的數(shù)值，由屏蔽效能的定義可以由這兩個數(shù)值求出屏蔽體的屏蔽效能。

圖4 輻射敏感度法測量原理圖Fig.4 Principle of method of radiation sensitivity

3.1 測試過程

1)此試驗(yàn)在混響室里進(jìn)行，按圖4連接測試系統(tǒng)。

2)根據(jù)測量要求設(shè)置信號源的頻率，調(diào)節(jié)信號源的輸出電平，使接收設(shè)備上有適當(dāng)?shù)男盘栔甘尽?/p>

3)調(diào)整被測設(shè)備姿態(tài)，使接收設(shè)備收到的信號最大，記錄信號源的輸出電平和開蓋時接收設(shè)備內(nèi)探頭測量值A(chǔ)1和合蓋后接收設(shè)備內(nèi)的探頭測量值A(chǔ)2。

4)改變信號源頻率，重復(fù)前面兩步，直到測量完所有需要的頻點(diǎn)。

5)根據(jù)各個頻點(diǎn)的A1和A2，由定義計(jì)算各個頻點(diǎn)處被測屏蔽體的屏蔽效能。

3.2 測試結(jié)果

采用此種方法測試時，在探頭的測量范圍內(nèi)始終得不到讀數(shù)。使用4422的探頭最小量程為1V/m，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)體內(nèi)部場強(qiáng)小于1V/m，受測量器材限制，使用的混響室最高可提供200V/m的場強(qiáng)，可知機(jī)箱屏效不小于46dB。

4 測試方法對比

經(jīng)過實(shí)際的測試與分析，對比兩種測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性見表1。

表1 兩種測量屏效方法對比Tab.1 Comparison of two testing methods

5 屏蔽機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化提高設(shè)備的屏蔽效能，重新設(shè)計(jì)了該機(jī)箱的搭接型式并改進(jìn)了涂敷工藝，如圖5。

只要采用了如下三項(xiàng)措施：

1)為了增加縫隙路徑，縫隙四周用鋁板封住并在搭接位置增加了旁邊；

2)涂覆工藝由Al/Ct·Ocd改為導(dǎo)電率更高的Al/Ep·Ni；

3)原設(shè)計(jì)中波導(dǎo)管采用截止波導(dǎo)的原理進(jìn)行屏蔽，改進(jìn)設(shè)計(jì)中去掉了波導(dǎo)管孔，改用全封閉轉(zhuǎn)接頭以達(dá)到更好的屏蔽效果。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)箱Fig.5 Optimized equipment

為了檢驗(yàn)優(yōu)化效果，測得的機(jī)箱屏效如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)在1GHz～6GHz的頻段內(nèi)，機(jī)箱屏效有明顯改善，最小可以提高7.1dB，最高可提高約17.9dB。

圖6 優(yōu)化效果Fig.6 Result of optimization

6 結(jié)束語

本文在研究兩種測試方法基礎(chǔ)上，又對該設(shè)備屏效進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)有效地提升了彈上設(shè)備結(jié)構(gòu)體的屏蔽效能。

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會．GJB151A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997.

[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會．GJB5185-2003小屏蔽體屏蔽效能測試方法[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2003.

[3] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會．GJB1217A-2009電連接器試驗(yàn)方法[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[4] M P Robinson，T M Benson，C Christopoulos，et al.Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures[C]//.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility.1998.

[5] Marvin A C，Dawson J F，Ward S，Dawson L，Clegg J，Weissenfeld，A.A proposed new definition and measurement of the shielding effect of equipment enclosures[C]//. Electromagnetic Compatibility.IEEE Transactions on，2004.

Measuring and Optimization of Shielding Effectiveness of Small-sized Shield Configurations on Missile

DONG Yang，DAI Hong-lang，QIN Pu-liang

(Beijing Institute of Control & Electronic Technology，Beijing 100038，China)

Two methods，method of radiation emission and method of radiation sensitivity，are proposed to settle down the difficulty of quantitatively measuring shielding effectiveness of small-sized shield configurations on aircraft.On the basis of researching test method，optimization of shielding effectiveness is accomplished by changing lap jonit and coating process，and optimization results are examined by previous methods.

Small-sized shield configuration；Shielding effectiveness；Measuring and optimization

2015 - 05 - 12；

2015 - 06 - 24。

董煬(1989 - )，男，碩士，工程師，主要從事電磁兼容方面的研究。

E-mail：dongyang555@yeah.net

TN80

A

2095-8110(2015)05-0076-05