孫暢 韓允

(1. 中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北 宜昌 443003；2 海軍飛行學(xué)院教研部，遼寧 葫蘆島 125003)

1 引言

隨著科技的進步，現(xiàn)代電子設(shè)備對電磁兼容性的要求越來越高。為提高屏蔽效能降低其對控制設(shè)備的影響，對保證艦船安全，提高戰(zhàn)斗力有著重要的作用。據(jù)報道，艦載控制系統(tǒng)發(fā)生的故障50﹪以上是由環(huán)境因素造成的，隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的提高，使用環(huán)境的惡劣，可靠性問題就顯的越來越突出。因此，提高電磁兼容及環(huán)境保護，加強可靠性設(shè)計是非常重要的。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計思路及目標(biāo)

2.1 設(shè)計思路

從控制系統(tǒng)的使用環(huán)境出發(fā)提高其電磁兼容性；

在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取措施提高電磁屏蔽效能；

對控制系統(tǒng)內(nèi)部的敏感部件采用多重屏蔽設(shè)計。

2.2 設(shè)計目標(biāo)

針對艦船控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，提高艦船控制臺的抗電磁干擾能力，在一定的使用環(huán)境下,一定的平面波場內(nèi)，使控制臺的屏蔽效能達到最佳工作狀態(tài)。

3 環(huán)境保護設(shè)計

由于艦載控制系統(tǒng)使用條件苛刻，過去精力主要集中在技術(shù)方面，對環(huán)境影響的考慮較少。為使艦載設(shè)備適應(yīng)海洋環(huán)境，須采用環(huán)境技術(shù)及相應(yīng)的解決方法。

3.1 加固及散熱技術(shù)[2]

加固技術(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及模塊成組與組合均應(yīng)立足于自身特征的保護，對于設(shè)備加固主要體現(xiàn)在選材上，一般選用耐腐蝕、高強度的金屬材料，對線路板級選用經(jīng)應(yīng)力篩選后的器件；對模塊級采取組合、隔振、罐封及去應(yīng)力制作工藝，提高器件自身的環(huán)境適應(yīng)能力。

散熱設(shè)計：艦船控制系統(tǒng)一般為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部留有空間，對棧接后的系統(tǒng)有利空氣流通。此類結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是中間鏤空，空氣在系統(tǒng)中為上下流動，從而使熱量散發(fā)；對內(nèi)部模塊可通過散熱設(shè)計，根據(jù)環(huán)境情況選擇不同溫度級別的模塊；對密封設(shè)備的散熱，如單元密封，一般采用冷板式散熱；對整機密封，一般采用氣－氣對流散熱。

3.2 密封性設(shè)計[1]

過去艦船電子設(shè)備多為開放式結(jié)構(gòu)，雖然采用了“三防”措施，但大量潮氣、鹽霧、霉菌仍腐蝕設(shè)備及器件，為此艦船電子設(shè)備在設(shè)計階段應(yīng)考慮密封性設(shè)計，原則如下：

a) 艙外露天設(shè)備采用水密結(jié)構(gòu)形式；

b) 艙內(nèi)設(shè)備采用防滴式或全封閉結(jié)構(gòu)，對要求高的局部設(shè)備采用氣密式；

c) 對于抗惡劣環(huán)境有要求的設(shè)備，不用或少采用防濺式。

3.3 表面防護設(shè)計[1]

艦船控制系統(tǒng)工作在惡劣的海洋環(huán)境下，高濃度氯離子對金屬材料會產(chǎn)生腐蝕，不僅影響外觀，而且影響設(shè)備的使用壽命。在設(shè)計階段采用優(yōu)質(zhì)耐腐蝕的涂料及熱噴涂金屬技術(shù)對控制系統(tǒng)外表進行防護。

881 聚氨酯系列防護涂層：其工藝是對設(shè)備外表面進行吹沙處理后，對表面噴涂環(huán)氧底漆，干燥后再涂覆881聚氨酯系列防護涂料，一般用于高強度鋁合金表面防護。

無機富鋅片鋅涂料：該防護涂層具有優(yōu)異的抗潮濕、耐海水與鹽霧腐蝕性，其噴涂工藝與881聚氨酯系列防護涂層類似，一般用于普通碳素鋼及不銹鋼表面防護。

3.4 抗磁場設(shè)計[3]

艦船控制系統(tǒng)中的通風(fēng)口一般是電磁干擾源的主要泄露部位，一般用金屬網(wǎng)屏蔽，其性能在頻率高于 100 MHz時急劇下降，不能滿足GJB151A-97的要求，如用波導(dǎo)管的截止頻率特性，當(dāng)電磁波頻率低于截止頻率時，將產(chǎn)生很大的衰減特性。通風(fēng)口是電磁干擾的主要泄露部位，在控制系統(tǒng)的通風(fēng)孔上安裝通風(fēng)蜂窩板，也可解決屏蔽與通風(fēng)散熱問題。例如：若蜂窩板的厚度為L，截止頻率為：

式中:w為六角形波導(dǎo)內(nèi)壁外接圓直徑(cm)。

計算出截止頻率后，依據(jù)下式計算出任一頻率的波導(dǎo)屏蔽效能為：

式中：f—電磁波頻率（Hz）；L—波導(dǎo)長度（cm）；A—屏蔽效能（dB）

18 Hz時，屏蔽效能為：

強磁屏蔽技術(shù)是抗強磁設(shè)計中常用的方法，其手段是采用高導(dǎo)磁金屬材料，對設(shè)備或器件加屏蔽罩，使磁力線在屏蔽罩內(nèi)形成磁回路，使設(shè)備得到有效防護。但加屏蔽罩會使整體體積、重量增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于維護保養(yǎng)。因此，屏蔽罩應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境，結(jié)合設(shè)備自身的特點及要求而定。選擇屏蔽材料厚度，屏蔽罩的形狀應(yīng)根據(jù)設(shè)備的裝艦要素確定。在設(shè)計中應(yīng)對設(shè)備中的磁敏感器件，如顯像管、霍爾元件等可能受強磁場的影響而不能正常工作的器件進行局部屏蔽；也可采用整體屏蔽后，進行強磁沖擊試驗，再確定二級或更高級別屏蔽的部位。大多數(shù)艦船設(shè)備采取局部屏蔽后就能滿足使用要求，但有些重要設(shè)備需多級屏蔽才能滿足要求，如抗強磁型導(dǎo)航雷達的強磁屏蔽設(shè)計就采取了多級屏蔽。

4 電磁兼容性設(shè)計

4.1.1 機柜殼體屏蔽設(shè)計[4]

一般情況下由鋼和鋁制成的電子設(shè)備機殼能達到屏蔽作用，是因為鋼和鋁都具有較高的導(dǎo)電率（鋼=0.1，鋁=0.61），鋁的相對磁導(dǎo)率為1，鋼的相對磁導(dǎo)率為 140，這使得鋼為理想的適用于磁場屏蔽的材料。雖然增加屏蔽體材料的厚度也能提高屏蔽效能，但更大厚度將受到尺寸、重量的限制，而重量增加將使設(shè)備變得無法使用。實心導(dǎo)電屏蔽體的屏蔽效能是反射、吸收和多次反射損耗的總和。

當(dāng)f=50 Hz時，電子設(shè)備內(nèi)部主要為磁場干擾。鋼的相對電導(dǎo)率為σr= 0.1，相對磁導(dǎo)率μr=1000，距離r=0.1 m。由于鋼低頻段的高導(dǎo)磁性，對磁場已沒有反射損耗，可認為50 Hz的反射損耗Rm=0。

吸收損耗：

反射損耗：

由于A＞10 dB，多次反射修正系數(shù)B可不記。

因此1.5 mm厚的鋼板對100 MHz干涉波的屏蔽效能為：

事實上，機柜內(nèi)部的主要功能模塊一般都經(jīng)過多次屏蔽，例如計算機電源模塊內(nèi)部的線圈一般要經(jīng)過電源模塊殼、計算機機箱、機柜殼體屏蔽，它產(chǎn)生的電磁場已衰減到很小，有此可見，采用1.5 mm厚的10號鋼板焊接成整體，通過機架把整個系統(tǒng)屏蔽起來，利用機架對電磁干擾反射和吸收損耗，切斷機箱內(nèi)外干擾信號的傳播來減弱或者消除電磁干擾對系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備的干擾。

4.1.2 線路板的電磁兼容性設(shè)計

控制系統(tǒng)是由各類電路板、傳感器及其它檢測設(shè)備等組成。線路板是構(gòu)成電子設(shè)備的基礎(chǔ)，保證線路板的電磁兼容性是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。由對稱原理可知，一個電路的電磁輻射和接受能力是一致的，即一個電路的電磁輻射效率越高，往往接收效率也高。在設(shè)計中抑制線路板的電磁輻射，同時也提高了線路板的抗干擾能力。

抑制線路板上電源線和地線干擾

a) 不用的門電路輸入端不懸空，不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出端。

b) 線路板用45折線，以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

c) 線路板上的噪聲元件與非噪聲元件距離盡量遠，電源線、地線盡量粗。

4.1.3 元件布置合理分區(qū)及布局

元件在線路板上的排列位置，充分考慮抗電磁干擾問題，各元件之間的引線盡量短，并把模擬信號與高速數(shù)字電路合理分開，使其相互間的信號耦合最小。布局時，強輻射電路要盡量遠離I/O接口電路；I/O接口電路的電源線、地線最好能與線路板上其它電路的地面和電源線面隔離，這樣可以減小線路板通過 I/O電路耦合到電纜上，可以減小電纜產(chǎn)生的共模輻射。

4.2 內(nèi)部布線原則

4.2.1 線間電磁耦合的抑制方法[5]

對磁場耦合：使用雙絞線和屏蔽線減小干擾；增大線間距離(使互感減小)。盡可能使干擾源線路與受感應(yīng)線路呈直角布線。

對電容耦合：增大線間距離；屏蔽層接地；降低敏感線路的輸入阻抗；在敏感電路采用平衡線路作輸入，利用平衡線路固有的共模抑制能力克服干擾。

4.2.2 采用的布線方法

按功率分類，不同分類的導(dǎo)線分別捆扎，分開敷設(shè)的線束間距離為50～75 mm。

4.3 電纜的選用

一般控制設(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線，設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射都是通過各種導(dǎo)線實現(xiàn)的，而外界的干擾往往也是首先被導(dǎo)線接收到，然后流入設(shè)備中的，因此信號電纜選用帶屏蔽的雙絞線，信號電流在兩根內(nèi)導(dǎo)線上流動，噪聲電流在屏蔽層里流動，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時感應(yīng)到兩根導(dǎo)線上，使噪聲相消。

4.4 對靜電的防護

靜電放電通過直接傳導(dǎo)、電容耦合、電感耦合三種方式進入控制系統(tǒng)的電子線路。對電路直接放電會導(dǎo)致電路損壞。對鄰近物體放電，通過電容或電感耦合會影響到電路工作的穩(wěn)定性。防護方法：(1)使用帶有接地的金屬屏蔽殼體將放電電流釋放到地。金屬外殼接地可限制外殼電位的升高，造成內(nèi)部電路與外殼之間的放電。(2)內(nèi)部電路用單點接地與金屬外殼相連，防止放電電流流過內(nèi)部電路。

5 結(jié)束語

對艦船控制系統(tǒng)可靠性的要求在不斷提高，針對其電子設(shè)備的某些特殊要求，在設(shè)計階段對其進行有效地環(huán)境保護及電磁兼容性設(shè)計，是提高系統(tǒng)可靠性及抗惡劣環(huán)境的重要手段。

[1] 張曉云，郭玉海等.便攜式拉伸應(yīng)力腐蝕試驗器的研制[J].裝備環(huán)境工程，2004，1（2）：18-22.

[2] 吳晗平.艦載電子設(shè)備可靠性與環(huán)境防護技術(shù)[J]. 裝備環(huán)境工程，2004，1（2）：64-68.

[3] 白云同.電磁兼容設(shè)計[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[4] 呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計.東南大學(xué)出版社，1990.

[5] 張志華，北京瑞特電子技術(shù)公司EMC部，電磁兼容與電磁干擾抑制技術(shù)[M].1999.