論探測(cè)器信號(hào)屏蔽層接地的可靠性

周亞芳

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)，471000）

0 引言

通信電路電氣噪聲的降低依賴于整個(gè)通信設(shè)施各信號(hào)接地點(diǎn)與系統(tǒng)地的接地阻抗的減小。這將使各通信電路之間存在的電位差最小，從而防止噪聲源把噪聲引導(dǎo)至通信電路中。怎樣接地才能達(dá)到最佳效果，本文依托探測(cè)器信號(hào)的接地方式論證小信號(hào)屏蔽層通過(guò)螺紋咬合接地的不可靠性，并采用零件的轉(zhuǎn)化處理達(dá)到接地的穩(wěn)定性。

1 探測(cè)器信號(hào)的接地

如圖1 所示，探測(cè)器屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層焊接在模塊的金屬殼體凸起上，芯線通過(guò)凸起的中心孔穿入模塊殼體內(nèi)部，屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層與模塊殼體無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線的全段屏蔽。模塊通過(guò)兩個(gè)固定在骨架上的安裝凸臺(tái)固定在骨架上。屏蔽層接通過(guò)兩次金屬材料的轉(zhuǎn)接，與骨架相連，骨架與大地相連，探測(cè)器信號(hào)線屏蔽層實(shí)現(xiàn)了接地。

圖1 屏蔽層接地

從理論上看小信號(hào)傳輸路徑上有效的降低了電磁干擾，但產(chǎn)品裝配完成后測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)10%產(chǎn)品信號(hào)噪聲非常大，其噪聲的幅值接近于200mV，有效信號(hào)幅值為500mV，有效信號(hào)被噪聲淹沒(méi)。

2 原因分析

■2.1 電磁干擾的要素

電磁干擾的形成必須同時(shí)具備以下3 個(gè)因素：由電磁干擾源發(fā)出的電磁能量，經(jīng)過(guò)某種耦合通道傳輸至敏感設(shè)備，導(dǎo)致敏感設(shè)備岀現(xiàn)某種形式的響應(yīng)并產(chǎn)生效果。這一作用過(guò)程及其效果，稱為電磁干擾效應(yīng)。

通常將這3 個(gè)因素稱為電磁干擾三要素，為了消除電磁干擾的這三個(gè)要素，采用方法主要有：（1）降低干擾信號(hào)源的電平；（2）降低感受器的敏感性；（3）增加干擾源到感受器之間干擾傳播途徑衰減。

■2.2 原因排查

無(wú)論是對(duì)干擾源還是對(duì)感受器進(jìn)行電磁屏蔽，都可以有效的衰減由電磁場(chǎng)引起的輻射干擾信號(hào)，感受器探測(cè)器是金屬封裝的，其屏蔽性能良好，單獨(dú)測(cè)量均未出現(xiàn)干擾大的情況，干擾源模塊已經(jīng)整體用金屬外殼封裝，其它器件與探測(cè)器沒(méi)有直接電氣互聯(lián)，噪聲最大的電源模塊也為金屬封裝，而探測(cè)器輸出的信號(hào)為毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，當(dāng)外界存在交變的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)使探測(cè)器引線感應(yīng)的電信號(hào)與探測(cè)信號(hào)相當(dāng)，從而表現(xiàn)出測(cè)試時(shí)噪聲大，經(jīng)用高斯計(jì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在探測(cè)信號(hào)噪聲偏大時(shí)，未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在強(qiáng)磁場(chǎng)的情況，為此確定感受器及干擾源不是引起噪聲大的原因。

探測(cè)器引線連接探測(cè)器與模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，其電纜采用的是屏蔽導(dǎo)線 屏蔽層的屏蔽效能取決于金屬的導(dǎo)電率、編織層內(nèi)線股之間的接觸電阻、編織的角度和類型、線股的尺寸、屏蔽層覆蓋率以及孔眼的尺寸等，此為低頻信號(hào)，屏蔽材料為銅線編織網(wǎng)，理論上能實(shí)現(xiàn)屏蔽，導(dǎo)線屏蔽效能的降低，往往不是材料本身屏蔽性能不夠，而是屏蔽的不連續(xù)性及接地不良造成。

屏蔽層與導(dǎo)線分離后導(dǎo)線通過(guò)模塊金屬殼體凸起的過(guò)線孔進(jìn)行模塊內(nèi)部焊接，屏蔽層直接焊接在模塊金屬殼體提起上，電纜全段處于屏蔽狀態(tài)，所以電纜的屏蔽是連續(xù)的。

在屏蔽層上引一根地線與系統(tǒng)地相連，噪聲消失，因此認(rèn)為此故障為探測(cè)信號(hào)傳輸線路屏蔽層接地不良造成。

屏蔽層的接地對(duì)屏蔽效能非常關(guān)鍵，當(dāng)接地不良時(shí)，屏蔽層也會(huì)耦合電磁噪聲，比如電纜上的脈沖信號(hào)會(huì)在沒(méi)有接地的屏蔽層上形成環(huán)形電流，并導(dǎo)致屏蔽層不同點(diǎn)電勢(shì)差異，引起噪聲傳遞。再比如外部的電磁波會(huì)在沒(méi)有接地的屏蔽層上傳播（就和天線一樣），所以需要接地，接地的目的就是讓屏蔽層感應(yīng)的信號(hào)有低阻抗的通道導(dǎo)走。

而接地又分子系統(tǒng)地與系統(tǒng)地，從定義上來(lái)說(shuō)，電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)，直流電壓的零電位點(diǎn)或者零電位面，這時(shí)的這個(gè)地不一定為實(shí)際的大地（建筑地面），它是設(shè)備的外殼或其他金屬板或金屬帶、金屬線。接地平面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長(zhǎng)度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。此產(chǎn)品的子系統(tǒng)的地為模塊金屬殼體，系統(tǒng)地為金屬骨架，滿足作為接地平面的要求。

產(chǎn)品的屏蔽層直接連接在模塊的金屬外殼上，設(shè)計(jì)的接地方法是合理的，用低阻表測(cè)量屏蔽層與模塊殼體之間阻值都在10mΩ 以下，說(shuō)明焊接無(wú)問(wèn)題，產(chǎn)品模塊與探測(cè)器共地，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需進(jìn)一步檢查此地是否與整機(jī)系統(tǒng)共地。

系統(tǒng)地為金屬骨架，用低阻表測(cè)量整機(jī)金屬骨架與屏蔽層之間的阻值，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)噪聲小的阻值均在10mΩ 以下，而系統(tǒng)噪聲不佳的產(chǎn)品阻值達(dá)到了0.5Ω、5Ω、十幾Ω 等，進(jìn)一步檢查金屬殼體與骨架之間阻值，發(fā)現(xiàn)最大有十幾Ω，接地不良。

為此接地回路存在大的干擾，任何地線既有電阻又有電抗，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，地線上產(chǎn)生壓降，兩個(gè)不同接地點(diǎn)之間必然存在地電壓，整個(gè)系統(tǒng)存在多個(gè)子系統(tǒng)，所有的子系統(tǒng)地都是通過(guò)這種方式與整機(jī)系統(tǒng)接地，而各電路間又有信號(hào)線聯(lián)系時(shí)將構(gòu)成地環(huán)路，產(chǎn)生共模電流并在負(fù)載兩端產(chǎn)生差模電壓，對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成騷擾。

理想的接地回路應(yīng)為零阻抗，使其不形成地電流回路，避免使電路、設(shè)備受磁場(chǎng)和地電位差的影響，設(shè)計(jì)之初從原理上，探測(cè)器屏蔽地焊接在預(yù)處理模塊外殼，信息處理模塊殼體靠安裝凸臺(tái)2 與骨架共地。如果信息處理模塊殼體與骨架之間存在對(duì)地電阻，會(huì)造成探測(cè)信號(hào)地和系統(tǒng)地不共地，由于探測(cè)信號(hào)為弱信號(hào)，易受干擾，在產(chǎn)品調(diào)試、測(cè)試過(guò)程，會(huì)表現(xiàn)為探測(cè)信號(hào)上有疊加有噪聲。當(dāng)疊加到信號(hào)的噪聲幅值大于200mV，將會(huì)出現(xiàn)信號(hào)判斷異常。

從測(cè)量結(jié)果顯示接地不良是此次故障的原因。

■2.3 接地不良機(jī)理

裝配示意圖如圖2 所示，殼體與骨架連接相關(guān)的零部件及其表面的導(dǎo)電性能如表1所示。模塊與骨架通過(guò)螺釘、凸臺(tái)、安裝凸臺(tái)螺釘?shù)穆菁y咬合導(dǎo)通，其中的凸臺(tái)表面不導(dǎo)電。

表1 零部件及其表面的導(dǎo)電性能

圖2 模塊安裝圖

使用萬(wàn)用表FLUCK15B 自動(dòng)擋測(cè)試各零部件表面接觸電阻，凸臺(tái)表面電阻值∞，安裝凸臺(tái)螺釘表面電阻為0.0Ω，骨架表面電阻值為0.0Ω，模塊殼體電阻值為0.0Ω，螺釘表面電阻值為0.0Ω。

根據(jù)零部件的材料、表面處理要求及實(shí)測(cè)情況，凸臺(tái)采用烙酸陽(yáng)極氧化的表面處理方式，鍍覆層厚度為1.25～5.0μm，表面不導(dǎo)通，無(wú)法通過(guò)模塊殼體、凸臺(tái)、骨架的接觸面導(dǎo)通。

進(jìn)一步測(cè)量凸臺(tái)上的兩個(gè)安裝螺紋孔，兩個(gè)螺紋孔內(nèi)表面的導(dǎo)通電阻為0.0Ω，根據(jù)圖1、2 所示的裝配關(guān)系，模塊與骨架通過(guò)螺釘、凸臺(tái)2、安裝凸臺(tái)螺釘?shù)穆菁y咬合導(dǎo)通，屬于線連接，其接觸面積僅為20～30%，對(duì)于接地性能要求高的場(chǎng)合，這種接地方式不是可靠連接，電鏡檢測(cè)螺紋機(jī)械連接接觸情況，如圖3 所示，間隙清洗可見(jiàn)，而產(chǎn)品在裝配時(shí)為了保證螺紋連接的防松，在螺釘?shù)穆菁y表面及凸臺(tái)的螺孔內(nèi)腔涂有螺紋膠，螺紋膠固化后不導(dǎo)電，螺紋膠填充了螺釘與螺孔的所有間隙，進(jìn)一步降低導(dǎo)通性能，為此螺紋咬合導(dǎo)通并不可靠。

圖3 螺紋連接檢測(cè)

接地不良的根本原因?yàn)槲纯紤]子系統(tǒng)地與系統(tǒng)地之間的良好導(dǎo)通性，從表面上看屏蔽層接在模塊金屬殼體上，模塊金屬殼體裝配在金屬凸臺(tái)上，金屬凸臺(tái)安裝在金屬骨架上，整個(gè)導(dǎo)通鏈路是連續(xù)的，但忽視了凸臺(tái)表面進(jìn)行了可烙酸陽(yáng)極氧化處理，表面不導(dǎo)電。

3 改進(jìn)方式

■3.1 涂導(dǎo)電膠

在螺釘上涂適量導(dǎo)電膠，可將螺紋與螺紋連接處間隙100%填充，如圖4 所示，此種方式的導(dǎo)電機(jī)理在于導(dǎo)電性填料之間的接觸。

圖4 膠液連接

這種填料與填料的相互接觸是在粘料固化干燥后形成的，在粘料固化干燥前，粘料和溶劑中的導(dǎo)電性填料是分別獨(dú)立存在的，相互間不呈現(xiàn)連續(xù)接觸，故處于絕緣狀態(tài)。在粘料固化干燥后，由于溶劑蒸發(fā)和粘料固化的結(jié)果，導(dǎo)電填料相互間連結(jié)成鏈鎖狀，因此呈現(xiàn)導(dǎo)電性。

但如果粘料的量較導(dǎo)電性填料多得多，則即使在粘料固化后，導(dǎo)電性填料也不能連結(jié)成鏈鎖狀，或者完全不呈現(xiàn)導(dǎo)電性，或即使有導(dǎo)電性，它也是很不穩(wěn)定的，反之，若導(dǎo)電性填料的量明顯多于粘料，那么由粘結(jié)料決定的膠膜的物化穩(wěn)定性就將喪失，并且也不能獲得導(dǎo)電性填料之間的牢固連結(jié)。

因此采用導(dǎo)電膠的方式來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)電性能，導(dǎo)電膠的配比及填充量將非常關(guān)鍵，配比上可以用電子稱來(lái)控制，但什么樣的配比才能達(dá)到最優(yōu)導(dǎo)電，需要不斷的試驗(yàn)，攪拌均勻可以依靠攪拌器來(lái)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，但填充膠料的多少則需要靠操作工來(lái)定性的控制，為此單獨(dú)依靠導(dǎo)電膠來(lái)穩(wěn)定控制導(dǎo)電性能并不理想，這種方式通常為輔助增加導(dǎo)電性。

■3.2 凸臺(tái)表面轉(zhuǎn)化處理

根據(jù)Q/5S31-2002《常用金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》表3 鋁及鋁合金鍍覆層的選擇，烙酸陽(yáng)極氧化膜層、轉(zhuǎn)化處理膜層除膠接外應(yīng)用場(chǎng)合相同，可以選擇對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，轉(zhuǎn)化處理具有良好的導(dǎo)電性，模塊殼體安裝面直接與凸臺(tái)安裝面貼合，實(shí)現(xiàn)面接觸，只要螺釘裝配到位，導(dǎo)通性能就能穩(wěn)定。

表3 鋁及鋁合金鍍覆層的選擇

4 驗(yàn)證

凸臺(tái)只采用轉(zhuǎn)化處理，轉(zhuǎn)化處理后使用萬(wàn)用表FLUCK15B 自動(dòng)擋測(cè)量表面與螺紋內(nèi)孔的阻值，阻值穩(wěn)定顯示0.0Ω，裝配成整機(jī)后測(cè)量線束屏蔽層與系統(tǒng)地骨架的阻值，穩(wěn)定顯示0.0Ω，系統(tǒng)測(cè)試，探測(cè)器噪聲消失。

同時(shí)零件表面為了接地需要局部做轉(zhuǎn)化處理，這種應(yīng)用是一種典型應(yīng)用，在其他產(chǎn)品上也有過(guò)應(yīng)用，如圖5 所示，接地片上焊接屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層，地片通過(guò)螺釘擰緊固定在骨架上，在地片與固件接觸的表面對(duì)骨架表面進(jìn)行了局部的轉(zhuǎn)化處理，這種處理方式保證了產(chǎn)品接地的良好性。

圖5 零件局部轉(zhuǎn)化處理

也有采用導(dǎo)電膠與零件表面轉(zhuǎn)化處理同時(shí)采取的案例，選用的導(dǎo)電膠為HLG-4 環(huán)氧樹(shù)脂灌封料和球形鋁粉按7：3（重量比）制成，接地片與骨架連接沉頭螺釘上涂有適量導(dǎo)電膠，增強(qiáng)導(dǎo)電性能，且骨架上安裝接地片的地方做了局部轉(zhuǎn)化處理，整個(gè)導(dǎo)電性能穩(wěn)定，接地良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

屏蔽層的可靠接地，不光需要注意屏蔽層本身的接地是否良好，還需考慮與系統(tǒng)的接地是否良好，從文中的實(shí)例可以看出子系統(tǒng)的屏蔽層不管是連續(xù)性還是良好接地都考慮地很全面，但卻忽視了與系統(tǒng)的共地回路。

對(duì)于小信號(hào)來(lái)說(shuō)，靠螺紋咬合導(dǎo)通的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽層的最終接地是不穩(wěn)定的，為了解決這種結(jié)構(gòu)的接地需求，本文中論證了兩種處理方案，螺紋上涂導(dǎo)電膠，增加螺紋與螺紋之間的導(dǎo)通面積，凸臺(tái)轉(zhuǎn)化處理，用面接觸實(shí)現(xiàn)良好導(dǎo)通，這兩種方式均是增加金屬件接觸面積來(lái)達(dá)到良好導(dǎo)通目的。