閆 鵬

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著艦船武器裝備的發(fā)展，電子裝備越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，在這狹小的空間里面，相互之間的干擾會(huì)很嚴(yán)重，電子設(shè)備產(chǎn)生的電子輻射干擾或傳導(dǎo)干擾等會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作。另一方面控制機(jī)柜功能要求越來(lái)越強(qiáng)大，機(jī)柜內(nèi)部安裝大量高精度、高靈敏度電子器件。電子環(huán)境逐步惡化，因此電磁兼容性設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，電磁兼容性設(shè)計(jì)還應(yīng)在機(jī)柜結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)之前開(kāi)展并伴隨整個(gè)機(jī)柜的設(shè)計(jì)。

國(guó)軍標(biāo)GJB72A－2002給出了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，即EMC）的概念：設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)[1]。包括以下兩個(gè)方面：

1）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；

2）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常的工作且不會(huì)給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來(lái)不可接受的電磁干擾。

艦船控制機(jī)柜的電磁兼容的設(shè)計(jì)不僅要考慮機(jī)柜在特定的電磁環(huán)境中能否正常工作，還要考慮機(jī)柜對(duì)周圍電磁環(huán)境的影響[2]。電磁兼容性已成為當(dāng)前機(jī)柜設(shè)計(jì)的重要的指標(biāo)，本文從機(jī)柜結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)上給出電磁兼容設(shè)計(jì)的幾種方法。

2 控制機(jī)柜

圖1 機(jī)柜結(jié)構(gòu)示意圖

本艦船控制機(jī)柜采用31U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，機(jī)柜由機(jī)架和6個(gè)分機(jī)組成。機(jī)架由骨架、頂蓋板、側(cè)板、底座、背部和底部減震器等組成。機(jī)柜采取分機(jī)抽拉式結(jié)構(gòu)，各分機(jī)為獨(dú)立機(jī)箱，分機(jī)與機(jī)架之間采用鋼制兩節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌、導(dǎo)向銷和六個(gè)松不脫螺釘互相連接，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。機(jī)柜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

自柜頂?shù)綑C(jī)柜底座為1＃～6＃分機(jī)，其中1＃分機(jī)安裝鉸鏈?zhǔn)矫姘?，拉出后可由上向下朝外翻轉(zhuǎn)，分機(jī)內(nèi)部安裝標(biāo)準(zhǔn)6U加固機(jī)機(jī)箱，其它五個(gè)機(jī)箱為滑軌抽屜式機(jī)箱，帶有蓋板，面板與分機(jī)為一個(gè)整體。

3 機(jī)箱EMC設(shè)計(jì)

滑軌抽屜式機(jī)箱為拼裝式，由底板、側(cè)板、蓋板用螺釘拼接而成，如圖2所示。由于加工、裝配等原因，機(jī)箱結(jié)合面處會(huì)形成很多電氣不連續(xù)的縫隙，該縫隙是電磁泄漏的主要通道，使機(jī)箱的屏蔽效能大大的降低。

對(duì)于滑軌抽屜式機(jī)箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)主要是針對(duì)機(jī)箱縫隙的電磁泄漏而采取的以下幾點(diǎn)措施：

1）提高結(jié)合面的光潔度，盡量減少結(jié)合面的縫隙；

2）利用屏蔽材料對(duì)縫隙處進(jìn)行屏蔽，使結(jié)合面具有良好的電氣連續(xù)性。在本機(jī)箱的設(shè)計(jì)中，在機(jī)箱的各結(jié)合面設(shè)計(jì)密封凹槽，在凹槽中填充金屬絲網(wǎng)包裹的導(dǎo)電橡膠，保證各側(cè)板的電氣連續(xù)性，減少縫隙電磁泄漏；

圖2 滑軌抽屜式機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

3）在機(jī)箱面板與機(jī)柜的結(jié)合處設(shè)計(jì)密封凹槽，在凹槽中填充金屬絲網(wǎng)包裹的導(dǎo)電橡膠，保證機(jī)柜與機(jī)箱的電氣連續(xù)性，減少縫隙電磁泄漏；

4）機(jī)箱具備良好的接地。

1＃分機(jī)是帶安裝鉸鏈?zhǔn)矫姘宓募庸虣C(jī)，加固機(jī)里裝有大功率的開(kāi)關(guān)電源、電路板、敏感電子元器件等。加固機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 加固機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)加固機(jī)安裝有開(kāi)關(guān)電源、電路板、敏感電子元器件采取了以下幾點(diǎn)電磁兼容設(shè)計(jì)。

1）加固機(jī)采取整體密封設(shè)計(jì)；

2）加固機(jī)內(nèi)部安裝電源濾波器，在AC220V輸入電源線上接入專用的電源EMI（電磁干擾）濾波器，可以有效的抑制電源線上的傳導(dǎo)干擾；

3）如圖3所示，在加固機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)擋板，將加固機(jī)分成兩個(gè)獨(dú)立密封的兩個(gè)腔，左邊安裝電源模塊，右邊安裝電路板，將干擾源與敏感器件分開(kāi)；

圖4 電源模塊和電路板示意圖

4）在加固機(jī)的接縫處使用帶屏蔽網(wǎng)的導(dǎo)電橡膠；

5）電源模塊和電路板使用單獨(dú)的屏蔽盒進(jìn)行屏蔽，屏蔽盒設(shè)計(jì)成迷宮多腔結(jié)構(gòu)，不同敏感級(jí)別的元器件分腔放置，電源模塊和電路板如圖4所示。

4 機(jī)柜EMC設(shè)計(jì)

控制機(jī)柜整體作為一臺(tái)設(shè)備，由各分機(jī)和柜體組成，所以機(jī)柜的EMC設(shè)計(jì)既包括分機(jī)的EMC設(shè)計(jì)，也包括柜體的EMC設(shè)計(jì)。以下就從機(jī)柜的面板指示燈和開(kāi)關(guān)開(kāi)孔、通風(fēng)口、觀察窗、機(jī)柜走線與接地、連接器的安裝等方面詳細(xì)介紹機(jī)柜EMC設(shè)計(jì)。

圖5 指示燈屏蔽設(shè)計(jì)示意圖

在機(jī)柜的面板上需要安裝一些指示燈、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)等，因此在面板上加工對(duì)應(yīng)的安裝孔。這些開(kāi)孔安裝指示燈、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)后可能造成電氣上的不連續(xù)性，安裝設(shè)備后存在縫隙，易造成電磁泄漏。設(shè)計(jì)中在機(jī)柜內(nèi)部加裝屏蔽罩將指示燈、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)等暴露在機(jī)柜外部的部分罩住，并在其與機(jī)柜結(jié)合部加裝導(dǎo)電襯墊，以減小縫隙和改善電接觸。引出線上加裝小型焊接型濾波電容（穿心電容），使引線所感應(yīng)的干擾信號(hào)被旁路接地實(shí)現(xiàn)機(jī)柜電氣上的連續(xù)性[3]，如圖5所示。

機(jī)柜里安裝有大功率模塊，需用通過(guò)風(fēng)冷對(duì)這些模塊進(jìn)行散熱，在機(jī)柜底部和背部設(shè)計(jì)的有進(jìn)、出風(fēng)口。通風(fēng)口一般采用開(kāi)圓孔或百葉窗，雖然能夠滿足通風(fēng)的需要，但此舉破壞了機(jī)柜整體的屏蔽性，通風(fēng)口是電磁干擾的主要泄露部位。必須在通風(fēng)口安裝電磁防護(hù)罩，由此提供射頻衰減，又不妨礙通風(fēng)的要求。本機(jī)柜利用波導(dǎo)管的截止頻率特性，在機(jī)柜的通風(fēng)口安裝通風(fēng)蜂窩板，以解決屏蔽和通風(fēng)散熱的問(wèn)題，機(jī)柜出風(fēng)口蜂窩板和截止波導(dǎo)蜂窩孔如圖6、7所示。

圖6 風(fēng)口蜂窩板示意圖

圖7 截止波導(dǎo)蜂窩孔示意圖

給定了六角形波導(dǎo)內(nèi)壁外接圓的直徑W（cm），可由式（1）算出蜂窩孔的截止頻率為

計(jì)算出蜂窩孔的截止頻率后，可由式（2）算出整個(gè)蜂窩板在各個(gè)頻率下的屏蔽效能，式（2）中f為電磁波頻率（Hz），L為波導(dǎo)長(zhǎng)度（cm），SE為屏蔽效能（dB），n為波導(dǎo)個(gè)數(shù)（孔數(shù)）。

由式（2）可以看出，在蜂窩板厚度不變的情況下，蜂窩板面積越大，波導(dǎo)孔越多，屏蔽效能越不好[4]。

機(jī)柜內(nèi)部的走線、接地、連接器的安裝、觀察窗的EMC設(shè)計(jì)對(duì)抑制各種耦合、串?dāng)_等有很大好處。本機(jī)柜在這些方面主要采取了如下措施：

1）機(jī)柜中各種裸露走線盡可能短；

2）模擬信號(hào)線、數(shù)字信號(hào)線、電源線應(yīng)分組捆扎，并保持適當(dāng)?shù)木嚯x；

3）對(duì)于信號(hào)線（如串口、網(wǎng)絡(luò)）將進(jìn)線與回線絞合在一起形成雙絞線；

4）對(duì)于輻射干擾較大的和敏感線路導(dǎo)線應(yīng)加以屏蔽；

5）對(duì)于外部進(jìn)入到機(jī)柜的電纜應(yīng)確保電纜屏蔽層與機(jī)柜柜體良好的接觸；

6）采用模擬地、數(shù)字地、機(jī)殼地三套系統(tǒng)，并貫徹到電路板、分機(jī)、機(jī)柜；

7）連接器安裝處不涂油漆，加裝導(dǎo)電襯墊，應(yīng)使電纜屏蔽層與連接器插頭尾夾良好接觸；

8）觀察窗選用EMC導(dǎo)電玻璃，在導(dǎo)電玻璃的四周涂上導(dǎo)電膠，使其與面板粘貼，通過(guò)鋁合金壓板將屏蔽玻璃的導(dǎo)電層與前面板緊固。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)柜的電磁兼容是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，在實(shí)際工程中有很多不確定的因素，很難對(duì)其進(jìn)行定量的計(jì)算，因此EMC設(shè)計(jì)要伴隨機(jī)柜整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。文章從多個(gè)方面給出了EMC的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，這些方法都可有效地抑制和減少電磁干擾，機(jī)柜的EMC性能滿足GJB151A－97中規(guī)定的部分項(xiàng)目的要求。

[1]GJB72A－2002，電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ) [S].

[2]GJB151A－1997，軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].

[3]呂仁清，蔣興權(quán).電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1990：25－27.

[4]王定華.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1995：88－90.