田建學(xué)，魏俊淦，趙 波

（海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266041）

機(jī)箱作為機(jī)載設(shè)備的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)整機(jī)（系統(tǒng)）技術(shù)性能的重要環(huán)節(jié)。尤其是隨著航空電子技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的功能不斷擴(kuò)展，致使機(jī)上電磁環(huán)境十分復(fù)雜。為了保證機(jī)載設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作，機(jī)載設(shè)備的機(jī)箱除具有機(jī)械支撐和保護(hù)作用外，還要具有很好的屏蔽效能，以確保機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性。因此，進(jìn)行機(jī)載設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)同時開展電磁屏蔽設(shè)計。

1 機(jī)箱電磁屏蔽設(shè)計要求

電磁屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。機(jī)載設(shè)備機(jī)箱屏蔽的目的主要體現(xiàn)在兩個方面，一是利用機(jī)箱作為屏蔽體將機(jī)載設(shè)備內(nèi)部的元器件、線路、連接器等電路系統(tǒng)包圍起來，限制機(jī)箱內(nèi)部的電磁場向外擴(kuò)散，干擾外部的其他設(shè)備；二是用機(jī)箱作為屏蔽體防止外部的電磁能量進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部，造成對機(jī)箱內(nèi)部敏感器件及電路系統(tǒng)的影響。因為機(jī)箱作為屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元器件、電路或系統(tǒng)等機(jī)箱外部的干擾電磁波和機(jī)箱內(nèi)部的電磁波均具有吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以機(jī)箱具有減弱干擾的作用[1]。

為了達(dá)到理想的屏蔽效果，要求機(jī)箱必須良好接地，并保證機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性。理想的屏蔽機(jī)箱應(yīng)該是由金屬或噴涂導(dǎo)電材料的面板組成的金屬籠。在高頻下，通常金屬材料有一定的集膚深度，會產(chǎn)生信號的衰減，有助于提高屏蔽效率。但是，機(jī)載設(shè)備要正常工作，機(jī)箱上必須為電源線、控制線、信號線等留下電連接器安裝孔，基于散熱、通風(fēng)等原因，還需要在殼體上開孔開窗，這就造成電氣不連續(xù)，使機(jī)箱屏蔽效能大大降低，造成機(jī)箱泄漏或易受干擾。所以，機(jī)載設(shè)備機(jī)箱的屏蔽設(shè)計包括選擇屏蔽材料和采取保證屏蔽完整性的技術(shù)措施兩方面[2]。

機(jī)載設(shè)備機(jī)箱在適應(yīng)飛機(jī)工作環(huán)境的前提下，其電磁兼容性應(yīng)滿足GJB151A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》 的規(guī)定， 能夠通過 CE101、CE102、CS101、CS114、RE101、RE102等電磁兼容試驗項目。

2 機(jī)箱屏蔽材料設(shè)計

根據(jù)場源性質(zhì)的不同、離場源距離的遠(yuǎn)近，應(yīng)采取不同的屏蔽方式。根據(jù)電磁場的波長λ和場點(diǎn)到場源的距離d，大致可將場域分為近場區(qū)（d＜λ）和遠(yuǎn)場區(qū)（d＞λ）兩部分。近場區(qū)是似穩(wěn)電場或磁場，不對外輻射能量；遠(yuǎn)場區(qū)是輻射場，向外輻射能量。

理論與實踐證明，由于存在趨膚效應(yīng)，屏蔽材料的厚度一般來說只需要1.2 mm左右。因此，在設(shè)計時可作如下考慮：在近場區(qū)設(shè)計屏蔽時，要分別考慮電場屏蔽和磁場屏蔽；屏蔽電場時使用高導(dǎo)電材料，屏蔽體盡量靠近騷擾源；屏蔽磁場時使用高導(dǎo)磁材料，屏蔽體盡量原理騷擾源；一般情況下，材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高[3]。

機(jī)載設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的場主要是近場，對于高電壓、小電流的場源，其作用以電場為主，應(yīng)采取電場屏蔽。對于低電壓、大電流的場源，其作用以磁場為主，應(yīng)采取磁場屏蔽。對于外部的干擾磁場，可能是電場、磁場、電磁場，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境來確定。

良導(dǎo)體（如鋁合金）作為屏蔽材料，可以屏蔽電場，其屏蔽機(jī)理主要是反射作用而不是吸收。良導(dǎo)體也可以屏蔽磁場，其屏蔽機(jī)理主要是吸收而不是反射，對于低頻磁場的屏蔽，需要使用鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率的合金或鐵。對于電磁場，則使用良導(dǎo)體，利用其反射和吸收作用進(jìn)行屏蔽。

根據(jù)常用金屬材料的性能，目前機(jī)載設(shè)備屏蔽機(jī)箱使用的材料大多是鍍鋅冷軋鋼板或鎂鋁合金。鍍鋅冷軋鋼板機(jī)箱屏蔽效能較高，抗腐蝕能力也較好；鋁鎂合金機(jī)箱有更好的屏蔽效能以及抗腐蝕能力，但成本較高[4]。

3 機(jī)箱的屏蔽設(shè)計方法

實際的屏蔽機(jī)箱都有必要的穿孔、孔洞和縫隙，造成屏蔽完整性損失，使屏蔽效能遠(yuǎn)低于屏蔽材料的理論計算值。因此，機(jī)箱屏蔽設(shè)計的關(guān)鍵就是如何保證屏蔽完整性，做到屏蔽體表面為導(dǎo)電連續(xù)，使屏蔽效能盡量接近理論計算值。由于機(jī)箱的屏蔽效果主要受縫隙、開口、導(dǎo)線穿透的影響，所以，對屏蔽進(jìn)行完整性設(shè)計需要考慮蓋板、通風(fēng)孔、測量儀表的指示窗、顯示窗、電位器軸、指示燈、保險絲、開關(guān)、電源線和信號線連接器等因素[5-7]。

1）蓋板

為了進(jìn)行測試、校準(zhǔn)或維護(hù)，很多機(jī)載設(shè)備在結(jié)構(gòu)上都需要設(shè)計蓋板以便打開。對于金屬蓋板來說，最常用的電磁兼容方法是使用導(dǎo)電填料或硅樹脂填料。一般來講，最好的方法是采用編織導(dǎo)線網(wǎng)或加有金屬微粒的硅樹脂填料。

如果出入口是臨時使用，那么可以考慮導(dǎo)電填料。當(dāng)移去蓋板后，重新蓋上之前，需要把已有的導(dǎo)電填料刮除報廢，露出配件干凈的接觸表面，再仔細(xì)填入新的填料以保證結(jié)合的完整性。

2）通風(fēng)孔和開口

為了滿足機(jī)箱內(nèi)部通風(fēng)散熱的要求，有時必須在箱體上開設(shè)通風(fēng)孔，因此也必須對通風(fēng)孔進(jìn)行電磁屏蔽。對屏蔽機(jī)箱而言，既需要對流通風(fēng)，有時也需要風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)，所以必須從射頻衰減和空氣對流的阻力來綜合考慮通風(fēng)口所用電磁屏蔽材料。

在開設(shè)通風(fēng)孔的情形下，可采用以下途徑提高機(jī)箱屏蔽效能：

通風(fēng)孔的處理一般采用兩種方法，一種是采用屏蔽蓋板，另一種是采用蜂窩狀蓋板。通常，對于屏蔽室和屏蔽機(jī)箱，既需要對流通風(fēng)，也需要風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)。因為必須從射頻衰減和空氣對流的阻力來綜合考慮通風(fēng)口所用電磁屏蔽材料。屏蔽蓋板相對較便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流還會影響空氣的流動。蜂窩狀蓋板既能提供較高的屏蔽效能，又具有重量輕、空氣阻力小的優(yōu)點(diǎn)，因此常常被采用。

①窗口上覆蓋金屬絲網(wǎng)：金屬絲網(wǎng)覆蓋在通風(fēng)孔上的結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是采用焊接方式安裝，這種方法使金屬網(wǎng)與屏蔽體之間有良好的電接觸，但工藝復(fù)雜，金屬網(wǎng)性能變壞以后又難以更換，且焊接時易破壞周圍的保護(hù)層，所以很少采用這種方法。另一種是采用環(huán)形壓圈通過緊固螺釘把金屬網(wǎng)安裝在屏蔽體的通風(fēng)孔上。安裝之前，應(yīng)把配合面上的絕緣層、氧化層、油垢等不導(dǎo)電物質(zhì)除去，并應(yīng)安裝足夠數(shù)量的螺釘以獲得連續(xù)的接觸。這種安裝方式，只要在結(jié)構(gòu)和工藝上仔細(xì)考慮，即可使金屬網(wǎng)與屏蔽體之間獲得良好的電接觸，所以應(yīng)用比較廣泛。

②用穿孔金屬板作通風(fēng)孔：用許多小孔代替大口徑的通風(fēng)孔是提高屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽體上開許多小孔，亦可單獨(dú)制成穿孔金屬板安裝到屏蔽體的通風(fēng)孔上。與金屬網(wǎng)相比，穿孔金屬板的特點(diǎn)是屏蔽體性能穩(wěn)定，因為它不存金屬編織網(wǎng)固有的網(wǎng)絲交叉點(diǎn)接觸電阻不穩(wěn)定的問題。在屏蔽壁上直接開小口徑通風(fēng)孔，具有結(jié)構(gòu)與工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，實際應(yīng)用已較普遍。

③采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗：金屬絲網(wǎng)和穿孔金屬板在較高頻下屏蔽效能都要下降，特別是當(dāng)孔眼尺寸與電磁波波長可比擬時，則孔眼將引起嚴(yán)重的泄漏。在較高頻以上，欲有高的屏蔽性能，且通風(fēng)良好，可采用截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔板（如蜂窩狀通風(fēng)孔板），它與金屬絲網(wǎng)和穿孔金屬板相比有如下優(yōu)點(diǎn)：工作的頻段寬，即便到微波頻段仍有較高的屏蔽性能；對空氣的阻力小，風(fēng)壓損失少；機(jī)械強(qiáng)度高，工作可靠穩(wěn)定。

此外，在機(jī)箱上為指示燈、顯示器等設(shè)置的開口，也應(yīng)當(dāng)考慮采取屏蔽措施。一種是在指示燈、顯示器的前面加波導(dǎo)管、金屬網(wǎng)或?qū)щ姴ＡнM(jìn)行屏蔽；另一種是在指示燈、顯示器后面加屏蔽，并對所有引線用穿心電容器進(jìn)行濾波。

3）機(jī)箱導(dǎo)線穿透

導(dǎo)線穿過機(jī)箱會使其屏蔽效能嚴(yán)重下降，為減小這種屏蔽效能下降，可用以下方法進(jìn)行解決：①對于傳輸較低頻率信號的電纜，在電纜的端口處使用低通濾波器，濾除電纜上不必要的高頻成分，既減小電纜產(chǎn)生的電磁輻射（因為高頻電流更容易輻射），也能防止電纜上感應(yīng)到的環(huán)境噪聲耦合進(jìn)設(shè)備內(nèi)部電路中。②對于傳輸較高頻率信號的電纜，低通濾波器可能會導(dǎo)致信號失真，這時只能采用屏蔽的方法，但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接，這往往是很難做到的。

在電源線進(jìn)入機(jī)箱時，應(yīng)采取濾波措施。盡量使濾波器的一端在機(jī)箱外，另一端在機(jī)箱內(nèi)。如果濾波器結(jié)構(gòu)上不是機(jī)箱安裝式的，則應(yīng)在電源線入口處為濾波器設(shè)置一隔艙。

對于信號線、控制線，在出入機(jī)箱時，也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。在電纜端口安裝低通濾波器時，可以將低通濾波器安裝在線路板上，也可以安裝在機(jī)箱面板上。將低通濾波器安裝在線路板上的優(yōu)點(diǎn)是方便而且經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是高頻濾波效果欠佳，這個缺點(diǎn)是十分致命的，因為使用濾波器的目的就是濾除容易導(dǎo)致輻射的高頻信號或者濾除高頻電磁波在電纜上感應(yīng)的高頻信號。將低通濾波器安裝在機(jī)箱面板上時，可采用濾波陣列板、濾波電連接器等。這種方式將濾波器直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入、輸出之間完全隔離，接地良好，導(dǎo)線上的干擾在機(jī)箱端口被濾除，濾波效果比較好，缺點(diǎn)是安裝時需要一定的結(jié)構(gòu)配合。

4）機(jī)箱縫隙處理

屏蔽體上的接縫處由于結(jié)合表面不平、清洗不干凈、有油污、焊接質(zhì)量不好、緊固螺釘之間或鉚釘之間存在縫隙等原因會在接縫處造成縫隙。若電磁波垂直入射穿過縫隙，它在縫隙的傳輸特性和自由空間的傳輸特性是不一樣的，這是因為縫隙形狀窄長而較深。當(dāng)縫長小于四分之一波長時，根據(jù)波導(dǎo)理論可以認(rèn)為，在平面波作用下，縫隙中的波阻抗將大于自由空間波阻抗。在縫隙入口處由于波阻抗的突變而引起反射損耗。入射波通過縫隙時會發(fā)生反射損耗和傳輸損耗，從而產(chǎn)生屏蔽作用，縫隙中的電磁傳播過程既不同于金屬整體內(nèi)部傳播，又不同于自由空間傳播。因此，它會造成帶有縫隙的金屬屏蔽體的屏蔽效能下降。

當(dāng)金屬屏蔽體縫隙的縫長大約等于3倍金屬板的集膚深度時，縫隙的吸收損耗和金屬板的吸收損耗相等，縫隙基本上不降低屏蔽效能。若縫長大于3倍金屬板的集膚深度時，則縫隙屏蔽效能就會減小。

因此，為提高機(jī)箱的屏蔽效能，必須盡量減少結(jié)構(gòu)上的電不連續(xù)性，以減小輻射泄漏。對于縫隙的處理可以采用以下幾種方法來提高屏蔽效能。

①增加縫隙的深度

殼體中活動端面的接合處存在著最常見的屏蔽體的縫隙，縫隙深度往往主要取決于屏蔽體的壁厚。若在連接處加上邊，不但增加接觸面、便于緊固，而且還增加了縫隙深度，這使吸收損耗增加，從而提高總的屏蔽效能。

②提高結(jié)合面加工精度

提高結(jié)合面的加工精度是減小縫隙的有效方法，但采用精密加工方法會使成本驟增，通常采用鑄造成型加工、端面磨平加工、電焊加工等可以取得較好效果。例如，為了提高屏蔽效能，現(xiàn)代的很多機(jī)載設(shè)備都采用整體精密鑄造和焊接的機(jī)箱。

③加裝導(dǎo)電襯墊

一般來說，用薄板材料以鈑金加工制成的屏蔽機(jī)箱，其接合面很難做到不留縫隙，因而只有通過在縫隙中加裝導(dǎo)電襯墊來提高屏蔽效能。

④在接縫處涂導(dǎo)電涂料

導(dǎo)電涂料流動性好，容易滲透進(jìn)入接合表面以填補(bǔ)縫隙。使用導(dǎo)電涂料時，必須對接縫表面進(jìn)行清理。

⑤增加接縫處的重疊尺寸

在使用螺釘或鉚釘緊固接合部位的許多縫隙中，縫長主要取決于螺釘或鉚釘?shù)拈g距，因此調(diào)整緊固螺釘或鉚釘?shù)拈g距可以改善屏蔽效果。兩個接合面的重疊是縫隙深度的主要決定因素，因此縫隙深度也是影響屏蔽效能的參量之一。重疊量越多，屏蔽效能就越好。在同樣重疊量情況下，在螺釘間距不變、縫長一定時，屏蔽效能隨頻率升高而下降。

⑥搭接處理

在機(jī)箱的縫隙和電不連續(xù)處，要做好搭接處理，保證縫隙兩側(cè)良好接觸。接縫應(yīng)盡可能采用連續(xù)焊接，如條件受到限制，也應(yīng)采用點(diǎn)焊、小間距鉚接或螺釘連接，在不加電磁襯墊時，螺釘間距應(yīng)小于最高工作頻率對應(yīng)波長的1/20。在接縫不平整、可移動面板等地方，最好使用電磁襯墊。

4 結(jié)束語

機(jī)箱的電磁屏蔽設(shè)計是機(jī)載設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的重要內(nèi)容之一，其屏蔽程度取決于結(jié)構(gòu)材料的選擇和裝配中所用的設(shè)計技術(shù)兩個方面，設(shè)計者應(yīng)在接縫、開口、穿透和對底板及機(jī)箱的搭接等方面多加考慮。總之，應(yīng)在機(jī)箱設(shè)計階段將電磁兼容問題綜合考慮，以采取切實可行的具體措施，同時還應(yīng)充分考慮電磁兼容設(shè)計措施的穩(wěn)定性和持久性，避免由于這方面問題導(dǎo)致的返工和費(fèi)用增加，為達(dá)到機(jī)載設(shè)備的設(shè)計效果奠定良好基礎(chǔ)。

[1]區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計理論與實踐 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]呂文紅.電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]白云同.電磁兼容設(shè)計實踐 [M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]楊文昌.電子設(shè)備的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計 [J].機(jī)電工程技術(shù)，2007（8）：47-48，116.

YANG Wen-chang.Electromagnetic compatibility design for electronic equipment[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology，2007（8）：47-48，116.

[5]田建學(xué).機(jī)載設(shè)備電磁兼容設(shè)計與實施[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[6]龔雅娟，胡遠(yuǎn).某型艦載機(jī)箱電磁屏蔽的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計[J].艦船電子工程，2010（4）:185-187.

GONG Ya-juan，HU Yuan.Structure and technical design of electromagnetic shield for a certain shipborne case[J].Ship Electronic Engineering，2010（4）:185-187.

[7]郝曉冬，喬恩明.電源系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.