艦載機柜的電磁兼容設計

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

艦載機柜的電磁兼容設計

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

根據電磁兼容原理，從屏蔽、接地、濾波等方面對艦載機柜進行了電磁兼容設計。試驗結果表明，機柜所有指標均能達到國軍標的相關要求，證明該設計是合理有效的。

艦載機柜；電磁兼容；屏蔽；接地；濾波

艦載機柜是針對水面艦艇研制開發的新一代電子設備載體，機柜作為艦載電子設備的組成部分，其電磁兼容設計是實現整機系統技術性能的重要環節。隨著艦船武器裝備的發展，電子裝備日益增多，結構越來越緊湊，在狹小的空間里存在著各系統之間及系統內各分機之間的相互電磁干擾，這些干擾將導致故障，系統或將無法正常運行。因此在系統的方案設計中，必須充分考慮電磁兼容性問題。電磁兼容性設計應在機柜結構與電氣設計之前開展并伴隨整個機柜的設計。

作為一種艦載電子設備安裝載體，本文設計的艦載機柜在惡劣的電磁干擾環境條件下能為內部安裝的電子設備提供良好的屏蔽條件，為艦船電子系統的正常運行提供可靠保證，具有廣闊的應用前景。

1 屏蔽

電磁屏蔽是利用金屬板、網、蓋、罩、盒等屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播所采取的一種結構措施。艦載機柜有電源線、信號線、控制線等的穿入及穿出，還有散熱用的通風孔等。同時，機柜內設備是由多個零部件組裝而成的，各部分的連接難免有電磁泄漏，如何抑制電磁能量從上述因素中泄漏，就成了艦載機柜電磁兼容性設計的關鍵[1]。

1.1 縫隙的屏蔽

一個完全密閉的金屬殼很容易對高頻電磁場取得100 dB(10萬倍)以上的屏蔽效果。如果殼體上開有縫隙，電磁場會由縫隙漏出，則顯著降低屏蔽效果。從縫隙中泄漏出電磁場強度的估算公式為

而經金屬板吸收衰減后的磁場強度

式中，H0是在縫隙處被屏蔽的磁場強度；Hg為從縫隙處漏出的磁場強度；Hst為經金屬板吸收衰減后的磁場強度；t為金屬板的厚度，即縫隙深度；g是金屬板的縫隙寬度，δ為電磁場透入深度。

顯然，縫隙深而窄泄漏就小。因此，如果要求經縫隙漏出的磁場強度與經金屬板吸收衰減后的磁場強度相同，即(這相當于無縫隙時的屏蔽效果)，則由式（1）與式（2）可得

電磁場透入深度δ隨著頻率升高而降低。在縫隙尺寸一定的情況下，頻率越高縫隙泄漏的影響就越大[2]。因此，被屏蔽的場頻越高，就越要注意減小屏蔽體的縫隙。式（3）是長縫的泄漏公式。減小縫的長度也能減少泄漏。在本機柜實際屏蔽結構中，為減小縫隙的泄漏，應盡量使屏蔽體的縫隙數量最少，并且增加縫隙的深度，減小縫隙的寬度和長度。此外，在縫隙間可裝導電的彈性襯墊。導電彈性襯墊可用細銅絲編織而成，也可用導電材料混入塑料中制成。

1.2 通風孔洞的屏蔽

為了被屏蔽對象(設備、單元電路和元器件等)的通風散熱，必須在屏蔽體上開設通風孔洞。電磁能量會經通風孔洞泄漏，這是使屏蔽體屏蔽效能下降的又一重要原因。

圖1 通風蜂窩板

因此，必須在通風口安裝電磁防護罩，提供射頻衰減，又不妨礙通風的要求。本機柜利用波導管的截止頻率特性，在機柜的通風口安裝通風蜂窩板，以解決電磁屏蔽和通風散熱的問題，機柜出風口蜂窩板和截止波導蜂窩孔如圖1所示。

1.3 表頭孔、開關、指示燈的屏蔽

機柜設備的面板上往往裝有指示電參數的表頭、指示燈、電源開關或工作狀態的轉換開關，這些元器件安裝時需在面板上開設相應尺寸的孔。為防止從這類孔中泄漏電磁能量，通常需用附加的屏蔽措施。

本機柜設計上采取在面板和屏蔽體之間加入導電襯墊以減少縫隙，改善電接觸，屏蔽體的引線穿入處采用穿心電容或插針式濾波連接器，使引線感應的電磁干擾信號旁路到地，防止電磁能量通過引線泄漏[3]。結構如圖2所示。

圖2 屏蔽設計示意圖

2 接地

接地技術是任何電子電氣設備或系統正常工作時必須采取的重要技術，它不僅是抑制電磁干擾、保障設備或系統電磁兼容性、提高設備或系統可靠性的重要技術措施，也是保障人身安全的必要手段。

機柜采用數字地、模擬地、安全地三套接地系統，并從機柜、印制板、電纜直至地網加以實施[4]。

●數字地：用于數字信號接地。

●模擬地：用于模擬信號接地。若有高電平模擬信號，則應將高、低電平模擬信號地分開。若信號幅值超過數字電路開啟電壓，可視為高電平信號。反之，可視為低電平信號。

●安全地(機殼地)：用于設備機殼、機箱、機架和不帶電的金屬構件及噪聲干擾大的電動機、繼電器電路及高電平模擬信號接地。泄放機柜上積累的靜電電荷，避免靜電高壓導致設備內部放電而造成電磁干擾。

在本系統中，將模擬信號地與數字信號地分別設置，發射信號地與接收信號地分開，大信號地與小信號地分開，最后匯流到大地，以抑制系統內的電磁騷擾。

圖3為本機柜的接地示意圖。匯流條由3層鍍銀銅板與4層環氧酚醛層壓玻璃布板(涂清漆)組成，環氧玻璃布板將銅板絕緣開，形成3層不同的地:數字地、模擬地、機殼地。

圖3 機柜接地示意圖

3 濾波

實踐表明，即使一個經過良好設計并且具有正確的屏蔽和接地措施的產品，也仍然會有電磁傳導騷擾發射或傳導騷擾進入設備。濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法。當騷擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波器將無用的騷擾濾除。電磁干擾(EMI)濾波器屬于低通濾波器，包括電源線濾波器、信號線濾波器等。

在本機柜的設計中，恰當地采用了EMI濾波器，并充分考慮了其安裝位置與方法。如在電源出口處加以濾波，輸入與輸出側的配線屏蔽隔離，濾波器的輸入輸出引線不能并行或交叉，將濾波器的屏蔽體外殼直接安裝在設備的金屬外殼上等方法，都對電磁干擾達到了預期的濾波作用。

4 結論

機柜的電磁兼容設計是艦載設備電磁兼容性設計的重要內容之一，其屏蔽程度取決于結構材料的選擇和裝配中所用的設計技術兩個方面，設計者應綜合多方面考慮。按照文獻[5]對機柜測試后，所有指標均能達到文獻[5]的技術要求，證明電磁兼容性設計是合理且有效的。

[1]王定華.電磁兼容原理與設計[M].成都:電子科技大學出版社,1995.

[2]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[3]呂仁清,蔣全興.電磁兼容性結構設計[M].南京:東南大學出版社,1990.

[4]莫世禹.通信設備中的屏蔽和接地方法[J].電磁兼容性技術,2008,27(2):30-35.

[5]陳世鋼,湯仕平,胡旻森,等.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量:GJB151B-2013[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2013.