采光窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電磁屏蔽特性研究

和　婷，湯紅霞，唐曉偉，朱利華

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

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采光窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電磁屏蔽特性研究

和婷，湯紅霞，唐曉偉，朱利華

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

隨著對方艙電磁屏蔽性能要求越來越高，高屏蔽性能的采光窗成為方艙屏蔽的關(guān)鍵要素之一。通過分析影響采光窗屏蔽性能的因素，研究總結(jié)屏蔽采光窗的設(shè)計(jì)原則，來滿足高屏蔽效能的需求，并參照GJB 6785—2009對采光窗進(jìn)行了屏蔽測試，采光窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足方艙和系統(tǒng)的電磁屏蔽要求。

采光窗；電磁屏蔽；特性

隨著微波技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁屏蔽方艙成為防止己方電磁信息泄漏，保護(hù)己方人員和信息設(shè)備免受電磁波干擾和輻射危害的重要工具[1]。方艙的門、采光窗和轉(zhuǎn)接孔口[2]是影響方艙高屏蔽效能的主要因素，而采光窗的屏蔽設(shè)計(jì)一直是方艙電磁屏蔽設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重要環(huán)節(jié)。

1　采光窗的結(jié)構(gòu)和屏蔽特性

方艙的采光窗主要用于方艙的采光和透氣，從結(jié)構(gòu)上可以分為固定式采光窗和開啟式采光窗；從屏蔽要求可分為屏蔽采光窗和非屏蔽采光窗。采光窗的采光性和屏蔽性能是一對矛盾，當(dāng)要求屏蔽效能<40 dB時(shí)，方艙可開設(shè)采光窗。其中屏蔽固定式采光窗相對屏蔽開啟式采光窗而言，屏蔽設(shè)計(jì)較為簡單。本文針對開啟式采光窗的進(jìn)行屏蔽特性研究。采光窗的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　采光窗的結(jié)構(gòu)示意圖

采光窗主要由窗框和窗板組成，窗板又由雙層金屬蒙皮、壓框、屏蔽玻璃和框架組成。其屏蔽泄漏取決于窗框與窗板的導(dǎo)電連續(xù)性、窗板中屏蔽玻璃與窗板的導(dǎo)電連續(xù)性以及屏蔽玻璃的屏蔽性能。

1)窗框與窗板的導(dǎo)電連續(xù)性。為保證窗框與窗板的導(dǎo)電連續(xù)，首先對窗框與窗板的骨架和蒙皮進(jìn)行了導(dǎo)電處理，其次窗框與窗板的骨架與蒙皮連接采用了鉚釘鉚接，最后用屏蔽絲網(wǎng)橡膠襯墊將窗框與窗板連接。

2)窗板與屏蔽玻璃的導(dǎo)電連續(xù)性。為保證窗板與屏蔽玻璃的導(dǎo)電連續(xù)，首先將屏蔽玻璃的屏蔽絲網(wǎng)與框架用導(dǎo)電壓條連接，然后再用壓框?qū)⑵帘尾ＡУ钠帘谓z網(wǎng)與內(nèi)蒙皮連接，同時(shí)框架又與蒙皮通過鉚釘鉚接，進(jìn)一步保證點(diǎn)連續(xù)性。

3)屏蔽玻璃的屏蔽性能。屏蔽玻璃的屏蔽性能主要取決于屏蔽絲網(wǎng)的目數(shù)，屏蔽性與透光度是矛盾的，較高的屏蔽性能是以降低透光度為代價(jià)的。綜合考慮屏蔽性能與透光性能，一般屏蔽絲網(wǎng)的目數(shù)≤100目，并采用雙層呈45°疊放。

2　采光窗的屏蔽設(shè)計(jì)

2.1金屬蒙皮材料及厚度的設(shè)計(jì)

理想的屏蔽材料應(yīng)該具備高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率，而實(shí)際情況是同時(shí)具有高電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的材料并不存在。銅、鋁具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但磁導(dǎo)率卻非常低；而鐵鎳合金的磁導(dǎo)率很高，但導(dǎo)電性能卻一般[3]。當(dāng)電磁頻率和材料厚度確定時(shí)，材料的電導(dǎo)率越高，屏蔽效能越高；材料的磁導(dǎo)率越高，屏蔽效能越高。因此，進(jìn)行方艙電磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，選用的材料電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率越高，該材料的電磁屏蔽性能越好。另外。由于趨膚深度的影響，材料越厚吸收損耗越大，屏蔽效能越好。

電磁波在金屬傳播過程中會有衰減過程，當(dāng)電磁波場強(qiáng)衰減到表面原值的1/e或37%時(shí)所穿透的距離稱為趨膚深度。金屬的趨膚深度δ計(jì)算公式如下：

(1)式中，f是電磁波的頻率，單位為Hz；σr是材料相對電導(dǎo)率，單位為S/m；μr是材料相對磁導(dǎo)率，單位為H/m。

趨膚深度是設(shè)計(jì)過程中選擇屏蔽材料的理論依據(jù)。常用金屬的趨膚深度見表1。

表1　常用金屬的趨膚深度

當(dāng)屏蔽層厚度為δ時(shí)，場強(qiáng)將衰減為入射的36.8%；當(dāng)屏蔽層厚度為2.3δ時(shí)，場強(qiáng)衰減為原來的109%。本文屏蔽采光窗的頻率為100 kHz～10 GHz，當(dāng)頻率>100 kHz時(shí)，選擇1.2～1.5 mm的雙層鋁板作為窗框和窗板的蒙皮即可。為了避免鋁發(fā)生氧化造成屏蔽效能下降，應(yīng)對鋁板進(jìn)行Al/Ct·Ocd處理[4]。

2.2縫隙的處理

屏蔽采光窗不是一個(gè)完整的電連續(xù)體，在蒙皮和骨架之間、框架與窗板之間以及屏蔽玻璃與框架之間都會存在縫隙，縫隙就會破壞電連續(xù)，這些部位不僅是電磁泄漏的主要部位，同時(shí)也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，因此，這些縫隙應(yīng)著重處理一下?？p隙處屏蔽效能的估算公式[5]如下：

(2)

式中，AS是縫隙的吸收損耗，單位為dB；t是材料厚度或縫隙深度，單位為mm；l是縫隙長度，單位為mm；N是縫隙波阻抗與空間波阻抗的比值?？p隙的長度、深度以及搭接材料的厚度都會影響屏蔽效能，增加縫隙深度，減少縫隙長度以及增加材料厚度都可以提高屏蔽效能。通常理想的縫隙長度應(yīng)處于(1/50～1/20)波長。在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除縫隙中的不連續(xù)點(diǎn)，會采用焊接或鉚接。其中，連續(xù)焊接是最有效的措施，包括熔焊和釬焊。采用鉚接方式下，鉚釘間距的大小是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。在實(shí)踐工程中，鉚釘間距估算采用如下計(jì)算式：

(3)

因此，本文提到的縫隙，可以采用單排釘鉚接的方式，以減小縫隙的最大線性尺寸。當(dāng)鉚釘間距≤60 mm時(shí)，所形成的縫隙在頻率100 kHz～10 GHz內(nèi)，屏蔽效能>40 dB。

另外，在窗框和窗板之間形成的縫隙處可填充復(fù)合材料，包括橡膠導(dǎo)電襯墊、屏蔽絲網(wǎng)和簧片[6]。選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)接觸面特性、電磁波頻段和屏蔽效能要求均衡考慮。經(jīng)比較，該屏蔽采光窗可選用鍍錫銅包鋼編制的4層絲網(wǎng)橡膠條。安裝時(shí)，應(yīng)保證復(fù)合材料的受力均勻一致。為了達(dá)到最佳屏蔽效果，屏蔽絲網(wǎng)壓縮量應(yīng)取35%。為了保證良好的電連續(xù)性，應(yīng)保證搭接面的清潔度和平面度，其中油污對屏蔽效果的影響很大，因此，在安裝時(shí)應(yīng)使用酒精仔細(xì)擦拭搭接金屬表面。

2.3驗(yàn)證測試

參照GJB 6785—2009標(biāo)準(zhǔn)對采光窗進(jìn)行屏蔽測試，該采光窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足方艙和系統(tǒng)的電磁屏蔽要求。目前，該屏蔽采光窗已廣泛應(yīng)用在方艙中。

3　結(jié)語

屏蔽采光窗是屏蔽方艙中的重要部件，因此，屏蔽采光窗的設(shè)計(jì)原則很重要；同時(shí)，要想發(fā)揮屏蔽采光窗優(yōu)異的屏蔽性能，需要生產(chǎn)工藝和裝配工藝的共同配合。

[1] 芮平亮，王芳. 網(wǎng)絡(luò)電磁空間防御作戰(zhàn)能力需求分析[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2(1)：1-5,20.

[2] 閆國慶.軍用電磁屏蔽方艙孔口工藝過程的質(zhì)量控制[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(8)：119-121.

[3] 王學(xué)科，邱揚(yáng). 某電磁屏蔽方艙優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2006(1):49-52,69.

[4] 和婷，李喬. 淺析電磁屏蔽技術(shù)在電子方艙中的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝，2013(6)：121-123.

[5] 段玉康. 方艙電磁屏蔽技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2009.

[6] 劉傳貴，張同號. 方艙電磁屏蔽問題分析及改進(jìn)措施[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010，1(2)：78-80.

責(zé)任編輯鄭練

Electromagnetic Shielding Characteristic Analysis of Lighting Window

HE Ting, TANG Hongxia, TANG Xiaowei, ZHU Lihua

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

With the increasingly demanding on the electromagnetic shelter, high shielding lighting windows become one of the key elements of the electromagnetic shelter. In order to meet the requirement of the high shielding effectiveness, firstly analyze the shielding performance that affects the lighting windows, and summarize the design principles of the shielded lighting window. Finally, referring GJB 6785-2009 testing for windows electromagnetic shielding, the lighting window fully meets the shielding requirement.

lighting window, electromagnetic shielding, characteristic

TH 122

A

和婷(1985-)，女，工程師，主要從事方艙及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究。

2016-01-08