關(guān)于飛機(jī)電纜電磁屏蔽完整性的探討

王秉卓 于春風(fēng) 孟欣/海軍航空大學(xué)青島校區(qū)

0 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化戰(zhàn)場的主要特征之一，是裝備技術(shù)保障無法回避的客觀現(xiàn)實(shí)。強(qiáng)電磁輻射將可能損傷或直接摧毀目標(biāo)電子設(shè)備內(nèi)的各種敏感電子部件，癱瘓目標(biāo)計算機(jī)系統(tǒng)和信息指揮網(wǎng)絡(luò)。隨著電子對抗設(shè)備、高功率電磁脈沖武器（EMP）、高能級微波電磁脈沖武器（HPM）的發(fā)展，低效的電磁防護(hù)已無法支持戰(zhàn)場制電磁權(quán)的爭奪，將導(dǎo)致我方失去信息優(yōu)勢，甚至危害飛行安全[1]。

在為飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）設(shè)計電磁防護(hù)區(qū)時，應(yīng)優(yōu)先選用帶屏蔽保護(hù)的電纜。SAE AS50881[2]（Wiring，Aerospace Vehicle，航空航天飛行器布線）中規(guī)定：電纜或線束的外屏蔽層應(yīng)端接至電磁防護(hù)區(qū)的終端設(shè)備，在電磁暴露區(qū)使用引線的方式時，需采取額外的措施來保證電氣線路的電磁兼容性符 合MIL-STD-464[3]（Electromagnetic environmental effects requirements for systems，系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求）[4]。

若電纜屏蔽端接方式選用不當(dāng)且未采取額外措施時，將破壞電纜屏蔽的完整性，導(dǎo)致電磁屏蔽效能嚴(yán)重下降。本文主要針對部分現(xiàn)役飛機(jī)線束中多采用的“pigtail”引線及多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)接地的屏蔽端接方式，分析其電磁屏蔽性能，并結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，給出電纜屏蔽端接處理方式的 建議。

1 電磁屏蔽

1.1 輻射耦合

電磁波以λ/2π 為邊界劃分近場和遠(yuǎn)場，根據(jù)EMP、HPM 武器干擾頻帶特點(diǎn)（通常EMP 為1MHz 以下、HPM為1 ～100GHz）[1]，設(shè)備通常是在干擾源的遠(yuǎn)場（輻射場），以輻射耦合的方式接收干擾電磁場能量。具體的輻射耦合形式主要有場耦合至接收天線、場耦合至電纜等。無論是哪一種輻射耦合形式，接收設(shè)備接收電磁場能量都需要形成閉合回路[5]。

無論是通過負(fù)饋線還是飛機(jī)機(jī)體，機(jī)載設(shè)備電路通常需要構(gòu)成環(huán)（回）路才能正常工作。所有能構(gòu)成閉合環(huán)路的電路都相當(dāng)于等效天線，當(dāng)有交變的干擾電磁場通過環(huán)路時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，環(huán)路中會耦合產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并串入環(huán)路產(chǎn)生干擾。需要特別指出的是，當(dāng)電磁波（激勵源）的頻率足夠高時，即使導(dǎo)線沒有通過集中參數(shù)構(gòu)成閉合環(huán)路，也會通過電路中的分布參數(shù)形成環(huán)路。

1.2 環(huán)路接收性能

電磁波的遠(yuǎn)場可以看作平面波以簡化計算。如圖1 所示，電場和磁場方向相互垂直，沿坡印廷矢量S向前傳播，閉合環(huán)路處于電磁場中，U 是由于受到輻射耦合而在環(huán)路中產(chǎn)生的開路電 壓。

圖1 等效天線接收電磁波輻射干擾

圖1 所示閉合環(huán)路的接收性能可表示為[6]：

其中，A為環(huán)路接收面積；θ為環(huán)路平面法線 與磁場強(qiáng)度H間的夾角。

同樣地，接收電壓可以用電場強(qiáng)度E 表示：

從式（1）可見，環(huán)路通過輻射耦合接收到的開路電壓與環(huán)路面積成正比。需要指出，式（1）表明環(huán)路的開路接收性能，當(dāng)要預(yù)估干擾電磁波在負(fù)載兩端形成的電壓或環(huán)路電流時，必須說明環(huán)路的阻抗[6]。

1.3 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是指對以場形式造成的干擾進(jìn)行有效抑制。電磁屏蔽利用的是金屬屏蔽體（金屬機(jī)箱、電纜屏蔽層）對電磁能流的反射、吸收等作用。如圖2所示，假設(shè)介質(zhì)1 中有一電磁波從介質(zhì)2 的左側(cè)射入，在左分界面上發(fā)生反射（反射損耗）和透射，透射波在介質(zhì)2中傳播一段距離（其間會有吸收損耗），在介質(zhì)2 的右邊界又會發(fā)生反射和透 射[5]。

其中，反射損耗與波阻抗的選?。ㄔ谶h(yuǎn)場，按平面波的波阻抗計算）和屏蔽體相對電磁波的空間位置有關(guān)。吸收損耗是由于電磁波在金屬中產(chǎn)生渦流發(fā)熱而引起的損耗，且電磁波頻率較高時吸收損耗相當(dāng)大。透射電磁波能夠進(jìn)入金屬的趨膚深度（δ）一般僅在微米級，進(jìn)入趨膚深度后的場強(qiáng)已經(jīng)很小，可以忽略。

完整的金屬屏蔽體的屏蔽效能可達(dá)100dB 以上，即使在工程塑料上噴涂金屬材料，也可以達(dá)到60 ～70dB，但當(dāng)屏蔽體上有孔縫或者屏蔽端接不正確時，屏蔽效能將大大下降。

圖2 電磁波的反射、透射、傳播

2 屏蔽端接

在實(shí)際應(yīng)用中，電纜屏蔽端接的處理方式往往不能保證屏蔽的完整性，當(dāng)線束中存在多個或大量電纜單個屏蔽層需要同時接地時，所采取的屏蔽端接方式往往破壞了屏蔽的完整性，甚至造成更多的電磁輻射和干擾接收。

2.1 pigtail 效應(yīng)

pigtail 是指在電纜屏蔽端接設(shè)計中使用一根短引線（可以是一段編織帶，更普通的是一段導(dǎo)線），將屏蔽層與連接器尾附件或者金屬機(jī)箱端接[6]，如圖3 所示；另一種是將短引線與連接器的插針（接觸偶）連接，然后連到設(shè)備機(jī)箱端接。

如圖4 所示，相比電纜屏蔽層與金屬機(jī)箱完整端接（左側(cè)），pigtail（右側(cè)）使線路在電磁暴露區(qū)形成等效環(huán)路天線（陰影部分），根據(jù)式（1），干擾電磁場將在pigtail 處產(chǎn)生一個干擾電壓Uw與信號電壓Us串聯(lián)。pigtail 圍成的環(huán)路面積越大，產(chǎn)生的干擾電壓Uw越大。

圖3 電纜屏蔽層pigtail引線端接

pigtail 的存在相當(dāng)于在信號電路中串聯(lián)了一個數(shù)十納亨的電感[7]（pigtail上的分布電感的等效集中參數(shù)），當(dāng)屏蔽層上有干擾電流通過時，將在pigtail端接處產(chǎn)生共模干擾電壓并串聯(lián)入有用信號中，隨干擾頻率的升高而迅速增加。

2.2 多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)端接

多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)端接是指將線束中某一根電纜的屏蔽層的引線（跨接線）串聯(lián)到下一根的電纜屏蔽層上，以此類推，將最后一根電纜屏蔽引線端接于電連接器尾附件，或者通過電連接器內(nèi)預(yù)留的針孔端接至連接器（多根屏蔽層引線串聯(lián)后采用pigtail 方式與電連接器或機(jī)箱端接）。由于各屏蔽層是通過跨接線相連，因此也被稱為“手拉手”連接方式[2]，如圖5 所 示。

圖6 是多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)端接方式示意圖，可以看出這種端接方式大大增加了環(huán)路接收面積，同時較長的屏蔽引線折疊布線也將增加其分布電感。

圖4 電磁波的反射、透射、傳播

圖5 多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)端接

圖6 多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)端接示意圖

3 參考標(biāo)準(zhǔn)

3.1 HB6438-2005

HB6438-2005[8]《飛機(jī)線束加工通用要求》8.3.3 節(jié)對多根電纜屏蔽搭接引線的處理提出了要求，如圖7 所示，允許多根屏蔽引線串聯(lián)端接的屏蔽端接方式，電纜屏蔽層間使用跨接線相連，串聯(lián)后留出接地線（最后一根屏蔽層引線），要求其長度不宜小于150mm（考慮到跨接線斷線的可能情況，接地線通常應(yīng)有足夠的余量供跨接線快速修理使用）。

應(yīng)指出，8.3.3 節(jié)給出的圖示中多根電纜外是有總屏蔽層的，且在8.5 節(jié)指出，為保證屏蔽的連續(xù)性，可對多根電纜屏蔽層的抽頭處增加總屏蔽套以進(jìn)行接地處理。

可以說，HB6438-2005 允許了多根屏蔽引線串聯(lián)接地的屏蔽端接方式，并考慮到這種端接方式對屏蔽完整連續(xù)性的破壞而給出了改進(jìn)方法，但未要求強(qiáng)制執(zhí)行8.5 節(jié)。

3.2 MIL-HDBK419

美國軍用手冊MIL-HDBK419A[9]（Grounding Bonding and Shielding for Electronic Equipments and Facilities，Volume 1 of 2 Volumes Basic Theory，電子設(shè)備和設(shè)施的接地、連接和屏蔽，第1 卷基本理論，共2 卷）關(guān)于電纜屏蔽端接有具體的說明，8.8.1 節(jié)《電纜屏蔽（Cable Shields）》指出，如果要避免干擾，必須正確安裝電纜。

1）應(yīng)避免用一根引線將多個導(dǎo)體屏蔽體接到連接器的地腳上，特別是當(dāng)屏蔽到連接器、連接器到地引線長度超過1in 時，或在可能涉及不同電路相互作用的情況下。這種接地線是一種常見的阻抗元件，干擾電壓可通過它轉(zhuǎn)移到另一個電路。

2）如果要保持阻抗特性和屏蔽完整性，應(yīng)特別注意連接器。應(yīng)使用屏蔽殼來屏蔽連接器的各個插腳。設(shè)計良好的連接器有一個屏蔽殼來封閉其連接點(diǎn)。多個連接器的外殼應(yīng)與屏蔽連接。同軸線應(yīng)在屏蔽引腳中終止。使用同軸電纜的pigtail 連接易產(chǎn)生射頻泄漏。

3）當(dāng)屏蔽線或同軸電纜錯誤地端接在連接器上時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾問題。在必須將大量屏蔽線的單獨(dú)屏蔽層接地的情況下，建議使用環(huán)接技術(shù)（halo technique）。裸露的非屏蔽導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，以減少導(dǎo)體之間的電耦合。當(dāng)電纜進(jìn)入一個完全密封的盒子但內(nèi)部接地時，就會產(chǎn)生干擾。安裝屏蔽射頻電纜的正確方法是將屏蔽層放在連接器內(nèi)部，并將其連接在連接器外殼上。

以上分析指出，作為一種常見的阻抗元件，pigtail 在電路中可以產(chǎn)生干擾電壓，并從一個電路轉(zhuǎn)移到另一個電路，特別要避免使用一根引線將多個屏蔽層串聯(lián)到連接器的地腳上。推薦使用帶有能夠屏蔽連接器的各個連接點(diǎn)的屏蔽殼的連接器，同軸線應(yīng)在屏蔽引腳中終止。在必須將大量屏蔽線的單獨(dú)屏蔽層接地的情況下，應(yīng)采用其他技術(shù)手段。

MIL-HDBK419A 第1 卷 在8.8.2 節(jié)《端與連接器（Terminations and Connectors）》中不建議對這些屏蔽層進(jìn)行抽頭并將其連接到其中一個管腳上，而是給出了如圖7 所示的電纜屏蔽端接處理方式，連接器組件中，單獨(dú)的防護(hù)罩連接專門用于此目的的同軸銷，配合表面的屏蔽件在銷釘之前接觸。

4 解決方案

某公司提供了Star-Shield?零長度單體終端尾附件（Zero-Length Individual Termination Backshells）系列解決方案。如圖8 所示，該電纜屏蔽端接組件主要由圖中的1-7部分組成，0是壓接接觸偶。

Star-Shield?系列實(shí)現(xiàn)零長度單體屏蔽端接是將1 至2 根電纜的屏蔽層通過熱縮終止套管（內(nèi)含焊錫環(huán)和一段屏蔽編織套）與一個卡套（金屬箍）連接在一起，使用熱風(fēng)槍熔化焊錫環(huán)，使電纜屏蔽層、熱縮管屏蔽編織套、卡套三者間形成良好電接觸，如圖9 所示。

圖6 多根電纜屏蔽搭接引線的處理

圖7 電纜屏蔽連續(xù)性的連接器示意圖

圖8 零長度單體終端尾附件組成

圖9 電纜屏蔽層與卡套連接

圖10 卡套與星形卡套槽配合

圖11 星形卡套槽與錐形壓縮裝配環(huán)配合

圖12 緊固螺母與接頭組件配合

將卡套裝入一個星形卡套槽中，并將星形卡套槽嵌入錐形壓縮裝配環(huán)內(nèi)，如圖10、圖11 所示。

將緊固螺母與接頭組件以規(guī)定的扭矩值擰緊，完成卡套、星形卡套槽、錐形壓縮裝配環(huán)、接頭組件四者之間的緊密配合，如圖12 所示。

最后，將接頭組件的另一端與連接器配合，完成Star-Shield?的全部安裝。Star-Shield?使所有導(dǎo)電體表面360°端接于設(shè)備機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)了電纜與連接器之間暴露在外界電磁環(huán)境下未屏蔽電纜長度為零的目的，保證了屏蔽端接的完整性，消除了pigtail 效應(yīng)帶來的不良影 響。

5 結(jié)束語

通過分析環(huán)路對電磁波的接收性能，認(rèn)為pigtail 短引線、“手拉手”引線中存在的分布電感會放大屏蔽層電流引起的共模干擾，同時，增加的環(huán)路天線面積將加強(qiáng)對外界干擾的接收，對電纜電磁屏蔽產(chǎn)生較大不良影響。為保證電磁屏蔽的完整性，本文參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)資料，給出以下建議。

1）避免pigtail 引線的使用，在保證搭接電阻符合要求的前提下，建議電纜屏蔽應(yīng)盡可能選用帶有同軸銷的連接器，或者搭配類似Star-Shield?的尾附件。

2）若實(shí)在無法避免pigtail 引線，也應(yīng)杜絕屏蔽引線“手拉手”（多根電纜屏蔽層引線串聯(lián)）端接方式。同時，盡可能減小屏蔽引線的長度，采取屏蔽引線向后出線方式，連接到連接器針孔或尾附件，并且加裝360°搭接的總屏蔽套，以確保高效的電磁屏蔽效 能。