周步鋒，沈博文

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電磁兼容(Electtromagnetic Compatibility，EMC)是研究電磁干擾的一門(mén)技術(shù)。GJB72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)》對(duì)“電磁兼容性”定義如下：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)。它包括以下兩個(gè)方面：(a)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)；(b)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會(huì)給環(huán)境(或其他設(shè)備)帶來(lái)不可接受的電磁干擾。

實(shí)踐證明，按照電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的屏蔽機(jī)柜一般很容易達(dá)到40～60 dB的屏蔽效能，但電纜布線設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成電子設(shè)備產(chǎn)生EMC問(wèn)題。這是因?yàn)殡娎|是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時(shí)也是干擾傳導(dǎo)的良好通道。電纜作為耦合途徑會(huì)導(dǎo)致GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中要求的CE102(傳導(dǎo)發(fā)射)和RE102(輻射發(fā)射)兩項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)。本文針對(duì)這兩個(gè)超標(biāo)的項(xiàng)目找到存在的問(wèn)題，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則。

1 EMC的基本原則

從EMC的定義中可以看出包含了3個(gè)部分：電磁干擾(EMI)、電磁敏感度(EMS)和電磁環(huán)境。因此，可以說(shuō)電磁干擾有3要素：干擾源、耦合途徑和敏感(接收)裝置。這3個(gè)要素缺一不可，少一個(gè)就構(gòu)不成電磁兼容問(wèn)題。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 電磁干擾3要素

首先要從這3個(gè)要素著手解決電磁兼容問(wèn)題?？梢钥闯觯詈贤緩皆谶@3個(gè)要素中處于重要的位置。對(duì)于電子設(shè)備，耦合途徑既是EMI信號(hào)的耦合途徑又是EMS信號(hào)的耦合途徑。電纜布線存在的電磁干擾主要屬于傳導(dǎo)干擾，是由公共阻抗耦合或通過(guò)某一組連接件相互作用產(chǎn)生電磁干擾。當(dāng)然布線也發(fā)射電磁波，也存在輻射干擾，尤其當(dāng)布線傳輸信號(hào)頻率超過(guò)30MHz時(shí)輻射干擾就比較明顯。所以，作為耦合途徑的電纜對(duì)于解決電磁兼容問(wèn)題有著很重要的意義。

2 電纜布線設(shè)計(jì)原則

試驗(yàn)證明，合理的電纜布線對(duì)電子設(shè)備電磁兼容性非常有利。機(jī)柜內(nèi)電纜布線原則如下：

(1) 要盡可能減小耦合，應(yīng)充分利用機(jī)柜的前后或?qū)强臻g對(duì)敏感線和干擾線進(jìn)行遠(yuǎn)距離敷設(shè)。

(2) 要考慮屏蔽、濾波和接地技術(shù)，保證其合理性。

(3) 要考慮電纜分類(lèi)，如干擾線和敏感線之類(lèi)，這樣就可成束近似相同及相似干擾類(lèi)型的電纜，干擾大的電線束與干擾小的電線束要保證對(duì)應(yīng)的隔離度。應(yīng)采用屏蔽和濾波的手段將不得不敷設(shè)在一起不同類(lèi)型的電纜進(jìn)行隔離。

(4) 要區(qū)分電源線和信號(hào)線、輸入線和輸出線。此兩類(lèi)線纜由于空間等因素不好分開(kāi)時(shí)盡可能使電纜敷設(shè)成垂直相交，避免平行走向。

(5) 應(yīng)優(yōu)先考慮將不同類(lèi)型的電纜從不同方向進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，減小電纜之間的耦合。

(6) 應(yīng)考慮使用有屏蔽濾波功能的電連接器，保證電纜不能成為耦合途徑。

3 電纜布線設(shè)計(jì)措施

3.1 電磁干擾的處理措施

電纜是引起干擾的重要原因，應(yīng)考慮正確布置電纜，從而減少各種寄生耦合。為了避免電纜上的干擾，應(yīng)優(yōu)先使用屏蔽線。屏蔽線分以下幾類(lèi)：在頻率30 kHz以下的普通屏蔽、在頻率100 kHz以下雙絞線和屏蔽雙絞線、在頻率100 MHz以下的同軸電纜、在更高頻率的波導(dǎo)管。此外，在軍用設(shè)備上的電纜一般采用雙層屏蔽電纜，以減小電源線和互聯(lián)線的輻射。在電磁兼容要求較高時(shí)，如當(dāng)傳輸信號(hào)較弱或傳輸線較長(zhǎng)時(shí)，除了盡量縮短信號(hào)線和傳輸線長(zhǎng)度外應(yīng)盡可能選用多層屏蔽電纜，以減小靜電噪聲和電磁波噪聲的干擾。

屏蔽電纜的屏蔽效能主要不是由發(fā)射和吸收所得到的，而是由屏蔽層接地所產(chǎn)生的。也就是說(shuō)，屏蔽電纜的屏蔽層必須接地后才能起到屏蔽作用。屏蔽電纜抑制干擾的能力除與屏蔽層本身的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān)外，還與屏蔽層的接地情況關(guān)系較大。以同軸電纜為例，傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，應(yīng)該使通過(guò)屏蔽層的電流與內(nèi)導(dǎo)體的電流相等而方向相反，使屏蔽層外圍的磁場(chǎng)能相互抵消，其屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地；在傳輸高頻信號(hào)時(shí)，屏蔽層應(yīng)雙點(diǎn)或多點(diǎn)接地，如果頻率大于1 MHz或電纜長(zhǎng)于0.05λ，由于集膚效應(yīng)的作用，使干擾產(chǎn)生的噪聲電流只在屏蔽層外表面通過(guò)，因此屏蔽層通常采用多點(diǎn)接地，應(yīng)隔0.05～0.1λ距離接一次地。

解決電纜上干擾的一個(gè)十分簡(jiǎn)單的方法是在電纜上套一個(gè)鐵氧體磁環(huán)，但這并不意味著只要一遇到電纜輻射的問(wèn)題就在電纜上套鐵氧體，其實(shí)效果往往會(huì)事與愿違。因?yàn)樵陔娎|上使用鐵氧體磁環(huán)時(shí)，應(yīng)注意下列一些問(wèn)題：①磁環(huán)的內(nèi)徑盡量小，且內(nèi)徑要與電纜緊密貼合，不要留太大的間隙；可以為增加阻抗把導(dǎo)線在磁環(huán)上多繞幾圈；②磁環(huán)的壁盡量厚；③磁環(huán)盡量長(zhǎng)；④磁環(huán)盡量靠近電纜的輸入端口處安裝。

3.2 貫穿導(dǎo)體的處理措施

電磁屏蔽的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，而另一個(gè)是不能貫穿屏蔽體的導(dǎo)體。電子設(shè)備電纜布線總是要面對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題。機(jī)柜上的電纜總會(huì)有很多電纜穿入或穿出，尤其是電纜長(zhǎng)度大于電磁波的二分之一時(shí)穿過(guò)屏蔽體的電纜危害大。實(shí)際中，很多結(jié)構(gòu)上很?chē)?yán)密的屏蔽設(shè)備就是由于電纜直接穿過(guò)而導(dǎo)致電磁兼容試驗(yàn)失敗。對(duì)貫穿導(dǎo)體的處理是電纜布線中電磁兼容設(shè)計(jì)最重要的內(nèi)容，其解決方法主要有兩種：

(1) 將導(dǎo)線屏蔽起來(lái)，并與屏蔽體可靠連接。這相當(dāng)于將屏蔽體延伸到導(dǎo)線端部。采用有EMC設(shè)計(jì)的電連接器能很好地解決這一個(gè)問(wèn)題。但是，應(yīng)注意的是，要確保電纜端部的屏蔽網(wǎng)夾在電連接器的套筒和壓環(huán)之間，通過(guò)螺帽上緊，確保屏蔽網(wǎng)與套筒緊緊貼在一起；當(dāng)需要更高屏蔽效果時(shí)，可另增加多層屏蔽網(wǎng)對(duì)電纜纏繞并焊接后與電連接器殼體連接。由于有些電纜要承擔(dān)大電流的輸送，只能用填料函的方式。以前的填料函結(jié)構(gòu)只能滿足密封要求，不能滿足EMC的要求。采用圖2的類(lèi)似結(jié)構(gòu)，用屏蔽環(huán)電磁屏蔽層緊緊壓在填料函座的殼體上來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠連接。要注意的是，可采用0.8 mm厚導(dǎo)電襯墊來(lái)減小接觸電阻，確保電連接器和填料函都要與設(shè)備殼體良好搭接。

(2) 對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行濾波處理，濾除導(dǎo)線上不必要的高頻成分。在電纜的端口處安裝低通濾波器，可以有效濾除電纜上的干擾，減小電纜產(chǎn)生的電磁輻射，因?yàn)楦哳l電流最容易產(chǎn)生輻射。

實(shí)際使用中，將上述兩種方法結(jié)合起來(lái)可帶來(lái)很好的屏蔽效果。但是，要重視在電纜端口安裝濾波器的方法，特別是在電源線的端口安裝電源線濾波器的方法：

(1) 首先選擇濾波性能好、階數(shù)高的電源濾波器。電源濾波器要裝在電源入口處，并對(duì)濾波器進(jìn)行屏蔽，屏蔽體一定要與設(shè)備殼體良好搭接。將輸入線和輸出線空間隔離。濾波器殼體用不銹鋼完全包裹。機(jī)殼用導(dǎo)電襯墊可靠連接，導(dǎo)線上的干擾在設(shè)備端口被濾除，因此濾波效果十分理想。同理，信號(hào)濾波器也可以采用這種方式。目前，在機(jī)殼上直接安裝濾波器已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。選用帶濾波功能的電連接器是最方便的辦法。它的每根插針或孔上都有一個(gè)低通濾波器，可以是簡(jiǎn)單的電容電路，也可以是復(fù)雜的電路。它的外形與普通電連接器外形完全相同，可以直接替換，經(jīng)濟(jì)實(shí)效。

(2) 濾波器的輸入線盡可能短，輸入、輸出線絕不能捆在一起，并盡量不要安排在同一屏蔽空間內(nèi)，否則引線間的耦合會(huì)降低濾波特性。

(3) 濾波器的殼體要直接在設(shè)備外殼上實(shí)現(xiàn)濾波器的接地，如需接地線則接地線越短越好。

(4) 濾波器附近盡量不要有強(qiáng)干擾源。

4 不合理電纜布線屏蔽性能影響實(shí)例

4.1 電纜布線對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射CE102的影響

在某配電機(jī)柜的電磁兼容試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電纜對(duì)指標(biāo)的影響較大。由于電源線屏蔽層未做360°端接，電源線旁鋪設(shè)的信號(hào)線作為干擾源耦合進(jìn)入電源線，導(dǎo)致CE102指標(biāo)超標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。按屏蔽插頭防電磁波泄漏裝接規(guī)定的工藝對(duì)電源線重新端接，指標(biāo)滿足要求，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

4.2 電纜布線對(duì)輻射發(fā)射RE102的影響

在某組件的電磁兼容試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電纜對(duì)指標(biāo)的影響較大。由于該設(shè)備無(wú)操作面板，并且蓋板采用導(dǎo)電襯墊后電子設(shè)備的電磁輻射能量較小，而電纜無(wú)屏蔽層，即使有屏蔽層尤其是金屬編織套，電磁泄露能量大，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。究其原因，電纜貫穿處未作濾波處理，電纜作為天線將組件內(nèi)部的信號(hào)輻射出來(lái)。所以，為了減少電纜的電磁輻射，加強(qiáng)電纜的屏蔽效能，在電纜上加裝防波套，同時(shí)做好接地，指標(biāo)滿足要求，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為電子機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，電纜按照電纜布線設(shè)計(jì)原則及相對(duì)應(yīng)措施做好屏蔽、濾波和接地處理后可使電子機(jī)箱屏蔽性能滿足設(shè)計(jì)要求。因此電，子設(shè)備設(shè)計(jì)中必須對(duì)電纜布線的電磁兼容予以重視，可提高其抗電磁干擾的能力。

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