方艙電磁屏蔽技術研究現(xiàn)狀及展望

蔣汶桓 王建輝 周運福

（成都航天萬欣科技有限公司，四川成都 610000）

自20世紀70年代，隨著微電子信息技術的迅猛發(fā)展，電子信息產品在社會各領域有了廣泛的應用，人類進入了由工業(yè)社會向信息社會轉型的階段。在現(xiàn)代社會的信息化戰(zhàn)爭中，方艙作為一種常見的且實用性較好的電子設備裝載平臺，具備強大的機動性、快速反應能力、同時具備一定的防護偽裝能力，能構建地面戰(zhàn)場雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、工程維修系統(tǒng)等諸多信息化互聯(lián)平臺。隨著微波武器與電磁干擾技術的日益強大，抗干擾電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁能流進行反射、衰減等方式使電磁能量不隔絕在屏蔽區(qū)域以外，從而可以應對敵對勢力的電子信息切斷、破壞、誤導，保障我方戰(zhàn)場信息權，是取得整個戰(zhàn)場勝利的必要條件。為了滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展，研究軍用電磁屏蔽方艙的性能需求、增強方艙的電磁屏蔽性能勢在必行。

隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，從理論出發(fā)、計算機仿真輔助、實際運用技術不斷突破。關于方艙的電磁屏蔽技術研究，不斷融入電子通信、機械、材料等多個技術領域。

1.方艙電磁兼容性研究

隨著現(xiàn)代電子科技的飛速發(fā)展，電磁能量源種類的增加惡化了方艙內部的電磁環(huán)境，當兩個電磁系統(tǒng)以接近的頻率與間距同時運行時，易發(fā)生電磁干擾，從而影響各分系統(tǒng)性能。目前，研究方艙內部的復雜電磁環(huán)境，降低方艙內部電子設備間的電磁干擾，提升方艙電磁兼容性，包含了電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑或通道、敏感設備3個方面。方艙內部的電磁干擾源以內部裝載的電子設備為主，隨著計算電磁學的迅猛發(fā)展，無論是針對局部的電子器件還是組成的電子系統(tǒng)，借助計算機仿真模擬技術進行探索研究成為一種低成本，短周期、見效快的方式。

1.1 電磁能量的仿真耦合研究

在現(xiàn)代電磁能量研究領域之中，依靠計算機仿真建模研究電磁干擾源、電磁干擾傳播路徑或通道，對整個電磁兼容系統(tǒng)的分析預測具有重要意義。例如，張?zhí)m勇[1]在對PCB板電磁輻射規(guī)律的研究中實現(xiàn)了由計算機進行仿真分析預測的過程。其次，在眾多電磁元件中，肖芳等[2]針對電磁干擾源中常見的且較為明顯的功率變換器，提出基于IGBT模塊建立等效噪聲源模型并采用分區(qū)域預測其傳導電磁干擾的方法，提升了采用器件的物理特性模型和基于開關動作等效解析模型的高頻段預測精確度。而針對整車系統(tǒng)級的計算機電磁仿真建模的硬件難題，李旭等[3]利用不同仿真建模軟件的優(yōu)越性及特點，創(chuàng)新性使用采用多軟件聯(lián)合建模技術實現(xiàn)了整車級天線的計算機電磁輻射發(fā)射仿真建模，降低了建模對計算機本身硬件的要求，提供了一種復雜情況計算機建?？尚蟹绞?。除此之外，對不同形式的電磁能量耦合路徑研究采用試驗驗證往往是一種最直接且效的方式，楊潔等[4]在無線電引信的電磁能量耦合路徑的系統(tǒng)研究過程中，通過對多種引信進行不同形式的連續(xù)波、強電磁脈沖電磁輻照效應試驗，發(fā)現(xiàn)彈體或引信前端與電路共地的金屬部件是強電磁脈沖輻射環(huán)境的主要能量路徑，從而為無線電引信的抗電磁性能加固過程提供了相關試驗依據。

1.2 電磁敏感度研究

電磁敏感度是在有外部電磁干擾源的情況下，裝置、設備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。電磁敏感度越高，其抗干擾能力越低。采用計算機仿真建模研究設備或系統(tǒng)的電磁敏感度問題，有利于在方艙的電磁屏蔽設計之初進行更為完備的優(yōu)化完善。Yan Z等[5]在電磁敏感度行為級仿真建模研究中采用接收機簡化Volterra級數(shù)模型求解敏感度閾值實現(xiàn)了對某雙頻GPS接收機的電磁敏感度分析。Gao X K等[6]在系統(tǒng)級傳導和輻射抗擾度研究過程中采用綜合應用解析分析方法和數(shù)值計算方法提出了一種快速求解與建模方法，加快了計算機建模仿真研究預測分析進度。程俊平等[7]在尋求改善電磁敏感度方法的研究中，通過對供電網絡傳導耦合的FPGA電磁敏感特性分析發(fā)現(xiàn)在一定的干擾頻率范圍內，LE冗余設計能有效改善邏輯功能單元的電磁敏感度，從而找到了改善電磁敏感度的設計方法。

1.3 外因素干擾研究

方艙的工作環(huán)境多位于自然環(huán)境下，除已知的人類生產生活中的電子電磁干擾源之外，ESD、雷電等來自自然環(huán)境的電磁干擾源對方艙整體的電磁環(huán)境也有著極大地影響，國內外采用仿真建模分析預測的方式從側面進行了大量研究，可在方艙的地磁屏蔽設計之初將自然環(huán)境因素考慮在內，減低自然環(huán)境中的電磁干擾。Nieden F Z等[8]采CST三維全波仿真軟件和SPICE電路模型對二次ESD事件進行了聯(lián)合仿真建模分析預測，驗證了依靠計算機仿真模擬研究自然因素對電磁屏蔽影響規(guī)律在一定情況下是可行的。張少卿等[9]利用改進的時域有限差分法（Finite difference time domain，F(xiàn)DTD）計算了雷電電磁脈沖在地表下的衰減規(guī)律和分布特點，為地下設施的電磁防護設計提供了理論數(shù)據參考。方艙作為地表電磁屏蔽設施體，該研究對方艙內部的電磁屏蔽結構抗雷電設計具有一定的參考依據。

2.方艙內部結構的電磁屏蔽研究

電磁屏蔽方艙內部結構在設計時，除了滿足艙體必要的的剛度、強度的同時，還需滿足一定要求的屏蔽效能指標。電磁屏蔽方艙艙體結構為長方體六面分布，主要由前板、后板、左板、右板、頂板和底板6塊大板組成，這些大板由角件、邊梁等拼接成一個整體，每塊大板根據使用性能需要，分布門、窗、孔口和其他附件，共同組成一個方艙艙體。理論上，表面結構連續(xù)且完全封閉金屬腔體，電氣連續(xù)性最好，其對腔體內部的電磁屏蔽效果最佳。一個屏蔽性能優(yōu)異的電磁屏蔽方艙，其方艙整體趨于一個封閉電連續(xù)的導電體。在常規(guī)條件下，為提升電磁屏蔽效果，在不必要情況下，電磁屏蔽方艙在各大板表面應盡量減少門、窗以及孔、口數(shù)量，小孔不集中排布。艙體的電源孔口和信號孔口之間的距離應保持最大，盡可能不在同一面板上；艙體其風機口與工作門應盡可能地不在同一個面板上、風機口與電源孔口之間的距離應保持最大。而針對不同情況或需求，保證方艙的電磁屏蔽效果是方艙電磁屏蔽結構研究的重點。

采用計算機仿真技術是驗證電磁屏蔽方艙內部結構合理性的首選措施。王屹煒等[10]從電磁屏蔽原理入手，利用 HFSS 軟件建立了方艙轉接壁盒開窗的等效仿真模型，對開窗面積及形式進行了研究，結果表明多個小面積的圓形開窗屏蔽性能優(yōu)于單個大面積的矩形開窗，為方艙的設計提供了方法參考，提高了設計效率。沈健等[11]應用電磁仿真軟件FEKO導入CAD模型，并在不同天線各自的頻段進行對比仿真，驗證了車頂天線布局的合理性。劉君華等[12]在如何提高方艙機柜的屏蔽效能的研究過程中，通過對電磁屏蔽方艙屏蔽效能的測試分析和CST仿真分析，定量分析了機柜布局對電磁屏蔽方艙屏蔽效能的影響。發(fā)現(xiàn)機柜的反射作用會使屏蔽效能降低，而機柜的遮擋作用能使屏蔽效能提高，為電磁屏蔽方艙內部的機柜布局提供參考依據。

除了依靠計算機仿真模擬研究，方艙內部結構實踐研究同樣至關重要且直接有效。邱揚等[13]從材料及門安裝幾何位置上進行調整，前后檢測電磁屏蔽效果有提升；章琦等[14]通過從電磁屏蔽的基本屏蔽原理出發(fā)，結合電磁屏蔽的效能計算闡述其在方艙孔口結構設計的重要思路，并通過試驗驗證了設計思路的可行性；趙征等[15]通過對方艙焊接過程中采用的電刷鍍銅和低溫釬焊技術進行了綜合性分析研究，依靠改變焊接的方式方法制造出了高屏蔽效能的方艙大板結構，在保證了方艙結構上完整的基礎上解決了各大板間的電氣連接問題。

3.方艙制造材料的電磁屏蔽研究

研究方艙制造的電磁屏蔽材料，方艙大板板體制造材料以及孔縫處涂覆的屏蔽材料的選擇對于保證電磁屏蔽指標要求的保證有較大的影響。在采用普通的電磁屏蔽材料或結構無法滿足方艙本體的寬頻帶、高性能屏蔽要求時，根據電磁屏蔽方艙的結構特性，在設計時應綜合詳細考慮金屬艙體大板、孔縫處的電磁密封襯墊、屏蔽窗、空氣通風板、導電化合物等電磁屏蔽材料的選擇。其中，對于高性能電磁屏蔽方艙，常用方艙大板的蒙皮材料有鋁板、鋼板；常見的襯墊有金屬編織網屏蔽襯墊、環(huán)境密封金屬網屏蔽襯墊、橡膠芯編織網屏蔽襯墊；常見的屏蔽窗類型有帶鍍層屏蔽窗、透光導電聚酯膜、高性能屏蔽窗；常見的空氣通風板類型有鋁制蜂窩通風板、鋼制銅制蜂窩通風板；常用的導電化合物依據其使用方式的不同分為噴涂類和填充類，噴涂類的材料主要是導電涂料，填充類的材料依據其材料特性主要包含導電膠、導電脂和導電膩子?？偟膩砜矗脚撾姶牌帘涡艿谋ＷC得益于包括金屬材料非金屬材料等在內的多種形式的電磁屏蔽材料的研究。

3.1 電磁屏蔽金屬材料

常用的電磁屏蔽金屬材料主要有銅、鎳、鎂、鋁、坡莫合金等金屬材料。張志華等[16]測試了純Mg、純Al、純Cu及純Ni幾種金屬在30MHz～1500MHz頻率范圍內的電磁屏蔽性能，發(fā)現(xiàn)相同厚度下，純Mg的屏蔽性能優(yōu)于純Al，但不如純 Cu、純 Ni。Pandey等[17]人研究了相同條件下鑄造得到的純Mg和純Al的電磁屏蔽性能。結果表明，電導率不是影響電磁屏蔽效能的高低來的單一因素。金屬粉末作為一定含量添加物對生物質炭電磁屏蔽材料特性同樣有著影響，楊前勇等[18]研究發(fā)現(xiàn)添加金屬粉末，金屬密度較小且?guī)в休^好磁性，電磁屏蔽效能更佳。Xiao W M等[19]在羰基鐵粉上鍍銀40min，并制備了在100MHz～1500MHz內屏蔽效能超過100dB的羰基鐵/Ag/導電硅橡膠電磁屏蔽材料，獲得了屏蔽性能優(yōu)異的金屬導電硅橡膠電磁屏蔽材料。

3.2 電磁屏蔽非金屬材料

常用的電磁屏蔽非金屬材料主要有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等高分子導電聚合物以及納米石墨、碳納米管、石墨、膨脹石墨、石墨烯、炭黑系及碳纖維系等碳系材料。

鄭永立等[19]為了兼具石墨烯優(yōu)異的導電和導磁性能，將硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯涂料噴涂橡膠，獲得了屏蔽效能達82dB的屏蔽性能良好的表面導電型電磁屏蔽材料；劉揚等[20]采用鍍Ni-Cu-La-B玻璃纖維、片狀鎳粉以及丙烯酸樹脂制備了電磁屏蔽復合涂料，依靠玻璃纖維特性極大地提升了電磁能量的反射損耗，從而顯著改善電磁性能，試驗獲得了在一定的電磁能量范圍內，電磁屏蔽性能達64.28dB的填充復合型屏蔽材料；李克訓等[21]采用電磁仿真優(yōu)化設計構筑三維導電網絡結構的方式對環(huán)氧樹脂基碳納米復合電磁屏蔽材料進行研究，獲得了8GHz～12GHz電磁波段屏蔽效能≥82.96dB的理想結構模型；徐偉杰等[22]通過采用原位聚合法將T-ZnO/Ag粒子填充到環(huán)氧樹脂基體中以對導電環(huán)氧樹脂基電磁屏蔽材料的填料含量對體系電導率、電磁屏蔽性能和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)填料含量在一定范圍內，材料的電導率和電磁屏蔽性能均隨填料含量的提高而上升，拉伸性能則隨填料含量的提高而降低，試驗最高獲得了電磁屏蔽效能為21dB，拉伸性能可保持35.4MPa的導電環(huán)氧樹脂基電磁屏蔽材料。

4.方艙電磁屏蔽技術研究的前景與趨勢

目前，方艙電磁屏蔽技術研究已經有了較大發(fā)展，但現(xiàn)階段研究局限于方艙電磁兼容、方艙電磁屏蔽結構、電磁屏蔽材料等領域的研究，研究較為零散，實際運用于方艙電磁屏蔽效能綜合提升的成果較少。如多系統(tǒng)的電磁兼容性遠低于單系統(tǒng)，在艙體整體設計時需考慮屏蔽結構的性價比；在電磁屏蔽材料的選擇時，需考慮電磁波的二次污染。種種因素的限制形成了電磁屏蔽方艙技術突破的障礙。如何獲得綜合電磁屏蔽性能更好、屏蔽效果更穩(wěn)定的電磁屏蔽方艙是未來大的研究方向。隨著信息科技的進步，對方艙電磁屏蔽效能的要求也有了更高的要求，在復雜電磁環(huán)境下的電磁屏蔽方艙不斷耦合各學科領域的電磁屏蔽研究成果是未來的研究發(fā)展趨勢，也為高效能電磁屏蔽方艙的設計、生產、制造提供參考依據。