蔣汶桓 王建輝 周運(yùn)福

（成都航天萬(wàn)欣科技有限公司，四川成都 610000）

自20世紀(jì)70年代，隨著微電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子信息產(chǎn)品在社會(huì)各領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，人類進(jìn)入了由工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)轉(zhuǎn)型的階段。在現(xiàn)代社會(huì)的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，方艙作為一種常見(jiàn)的且實(shí)用性較好的電子設(shè)備裝載平臺(tái)，具備強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性、快速反應(yīng)能力、同時(shí)具備一定的防護(hù)偽裝能力，能構(gòu)建地面戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、工程維修系統(tǒng)等諸多信息化互聯(lián)平臺(tái)。隨著微波武器與電磁干擾技術(shù)的日益強(qiáng)大，抗干擾電磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)電磁能流進(jìn)行反射、衰減等方式使電磁能量不隔絕在屏蔽區(qū)域以外，從而可以應(yīng)對(duì)敵對(duì)勢(shì)力的電子信息切斷、破壞、誤導(dǎo)，保障我方戰(zhàn)場(chǎng)信息權(quán)，是取得整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)勝利的必要條件。為了滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，研究軍用電磁屏蔽方艙的性能需求、增強(qiáng)方艙的電磁屏蔽性能勢(shì)在必行。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，從理論出發(fā)、計(jì)算機(jī)仿真輔助、實(shí)際運(yùn)用技術(shù)不斷突破。關(guān)于方艙的電磁屏蔽技術(shù)研究，不斷融入電子通信、機(jī)械、材料等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

1.方艙電磁兼容性研究

隨著現(xiàn)代電子科技的飛速發(fā)展，電磁能量源種類的增加惡化了方艙內(nèi)部的電磁環(huán)境，當(dāng)兩個(gè)電磁系統(tǒng)以接近的頻率與間距同時(shí)運(yùn)行時(shí)，易發(fā)生電磁干擾，從而影響各分系統(tǒng)性能。目前，研究方艙內(nèi)部的復(fù)雜電磁環(huán)境，降低方艙內(nèi)部電子設(shè)備間的電磁干擾，提升方艙電磁兼容性，包含了電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑或通道、敏感設(shè)備3個(gè)方面。方艙內(nèi)部的電磁干擾源以內(nèi)部裝載的電子設(shè)備為主，隨著計(jì)算電磁學(xué)的迅猛發(fā)展，無(wú)論是針對(duì)局部的電子器件還是組成的電子系統(tǒng)，借助計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行探索研究成為一種低成本，短周期、見(jiàn)效快的方式。

1.1 電磁能量的仿真耦合研究

在現(xiàn)代電磁能量研究領(lǐng)域之中，依靠計(jì)算機(jī)仿真建模研究電磁干擾源、電磁干擾傳播路徑或通道，對(duì)整個(gè)電磁兼容系統(tǒng)的分析預(yù)測(cè)具有重要意義。例如，張?zhí)m勇[1]在對(duì)PCB板電磁輻射規(guī)律的研究中實(shí)現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真分析預(yù)測(cè)的過(guò)程。其次，在眾多電磁元件中，肖芳等[2]針對(duì)電磁干擾源中常見(jiàn)的且較為明顯的功率變換器，提出基于IGBT模塊建立等效噪聲源模型并采用分區(qū)域預(yù)測(cè)其傳導(dǎo)電磁干擾的方法，提升了采用器件的物理特性模型和基于開(kāi)關(guān)動(dòng)作等效解析模型的高頻段預(yù)測(cè)精確度。而針對(duì)整車系統(tǒng)級(jí)的計(jì)算機(jī)電磁仿真建模的硬件難題，李旭等[3]利用不同仿真建模軟件的優(yōu)越性及特點(diǎn)，創(chuàng)新性使用采用多軟件聯(lián)合建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整車級(jí)天線的計(jì)算機(jī)電磁輻射發(fā)射仿真建模，降低了建模對(duì)計(jì)算機(jī)本身硬件的要求，提供了一種復(fù)雜情況計(jì)算機(jī)建?？尚蟹绞?。除此之外，對(duì)不同形式的電磁能量耦合路徑研究采用試驗(yàn)驗(yàn)證往往是一種最直接且效的方式，楊潔等[4]在無(wú)線電引信的電磁能量耦合路徑的系統(tǒng)研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)多種引信進(jìn)行不同形式的連續(xù)波、強(qiáng)電磁脈沖電磁輻照效應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈體或引信前端與電路共地的金屬部件是強(qiáng)電磁脈沖輻射環(huán)境的主要能量路徑，從而為無(wú)線電引信的抗電磁性能加固過(guò)程提供了相關(guān)試驗(yàn)依據(jù)。

1.2 電磁敏感度研究

電磁敏感度是在有外部電磁干擾源的情況下，裝置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。電磁敏感度越高，其抗干擾能力越低。采用計(jì)算機(jī)仿真建模研究設(shè)備或系統(tǒng)的電磁敏感度問(wèn)題，有利于在方艙的電磁屏蔽設(shè)計(jì)之初進(jìn)行更為完備的優(yōu)化完善。Yan Z等[5]在電磁敏感度行為級(jí)仿真建模研究中采用接收機(jī)簡(jiǎn)化Volterra級(jí)數(shù)模型求解敏感度閾值實(shí)現(xiàn)了對(duì)某雙頻GPS接收機(jī)的電磁敏感度分析。Gao X K等[6]在系統(tǒng)級(jí)傳導(dǎo)和輻射抗擾度研究過(guò)程中采用綜合應(yīng)用解析分析方法和數(shù)值計(jì)算方法提出了一種快速求解與建模方法，加快了計(jì)算機(jī)建模仿真研究預(yù)測(cè)分析進(jìn)度。程俊平等[7]在尋求改善電磁敏感度方法的研究中，通過(guò)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)耦合的FPGA電磁敏感特性分析發(fā)現(xiàn)在一定的干擾頻率范圍內(nèi)，LE冗余設(shè)計(jì)能有效改善邏輯功能單元的電磁敏感度，從而找到了改善電磁敏感度的設(shè)計(jì)方法。

1.3 外因素干擾研究

方艙的工作環(huán)境多位于自然環(huán)境下，除已知的人類生產(chǎn)生活中的電子電磁干擾源之外，ESD、雷電等來(lái)自自然環(huán)境的電磁干擾源對(duì)方艙整體的電磁環(huán)境也有著極大地影響，國(guó)內(nèi)外采用仿真建模分析預(yù)測(cè)的方式從側(cè)面進(jìn)行了大量研究，可在方艙的地磁屏蔽設(shè)計(jì)之初將自然環(huán)境因素考慮在內(nèi)，減低自然環(huán)境中的電磁干擾。Nieden F Z等[8]采CST三維全波仿真軟件和SPICE電路模型對(duì)二次ESD事件進(jìn)行了聯(lián)合仿真建模分析預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了依靠計(jì)算機(jī)仿真模擬研究自然因素對(duì)電磁屏蔽影響規(guī)律在一定情況下是可行的。張少卿等[9]利用改進(jìn)的時(shí)域有限差分法（Finite difference time domain，F(xiàn)DTD）計(jì)算了雷電電磁脈沖在地表下的衰減規(guī)律和分布特點(diǎn)，為地下設(shè)施的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論數(shù)據(jù)參考。方艙作為地表電磁屏蔽設(shè)施體，該研究對(duì)方艙內(nèi)部的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)抗雷電設(shè)計(jì)具有一定的參考依據(jù)。

2.方艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽研究

電磁屏蔽方艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿足艙體必要的的剛度、強(qiáng)度的同時(shí)，還需滿足一定要求的屏蔽效能指標(biāo)。電磁屏蔽方艙艙體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體六面分布，主要由前板、后板、左板、右板、頂板和底板6塊大板組成，這些大板由角件、邊梁等拼接成一個(gè)整體，每塊大板根據(jù)使用性能需要，分布門、窗、孔口和其他附件，共同組成一個(gè)方艙艙體。理論上，表面結(jié)構(gòu)連續(xù)且完全封閉金屬腔體，電氣連續(xù)性最好，其對(duì)腔體內(nèi)部的電磁屏蔽效果最佳。一個(gè)屏蔽性能優(yōu)異的電磁屏蔽方艙，其方艙整體趨于一個(gè)封閉電連續(xù)的導(dǎo)電體。在常規(guī)條件下，為提升電磁屏蔽效果，在不必要情況下，電磁屏蔽方艙在各大板表面應(yīng)盡量減少門、窗以及孔、口數(shù)量，小孔不集中排布。艙體的電源孔口和信號(hào)孔口之間的距離應(yīng)保持最大，盡可能不在同一面板上；艙體其風(fēng)機(jī)口與工作門應(yīng)盡可能地不在同一個(gè)面板上、風(fēng)機(jī)口與電源孔口之間的距離應(yīng)保持最大。而針對(duì)不同情況或需求，保證方艙的電磁屏蔽效果是方艙電磁屏蔽結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是驗(yàn)證電磁屏蔽方艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理性的首選措施。王屹煒等[10]從電磁屏蔽原理入手，利用 HFSS 軟件建立了方艙轉(zhuǎn)接壁盒開(kāi)窗的等效仿真模型，對(duì)開(kāi)窗面積及形式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明多個(gè)小面積的圓形開(kāi)窗屏蔽性能優(yōu)于單個(gè)大面積的矩形開(kāi)窗，為方艙的設(shè)計(jì)提供了方法參考，提高了設(shè)計(jì)效率。沈健等[11]應(yīng)用電磁仿真軟件FEKO導(dǎo)入CAD模型，并在不同天線各自的頻段進(jìn)行對(duì)比仿真，驗(yàn)證了車頂天線布局的合理性。劉君華等[12]在如何提高方艙機(jī)柜的屏蔽效能的研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電磁屏蔽方艙屏蔽效能的測(cè)試分析和CST仿真分析，定量分析了機(jī)柜布局對(duì)電磁屏蔽方艙屏蔽效能的影響。發(fā)現(xiàn)機(jī)柜的反射作用會(huì)使屏蔽效能降低，而機(jī)柜的遮擋作用能使屏蔽效能提高，為電磁屏蔽方艙內(nèi)部的機(jī)柜布局提供參考依據(jù)。

除了依靠計(jì)算機(jī)仿真模擬研究，方艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)踐研究同樣至關(guān)重要且直接有效。邱揚(yáng)等[13]從材料及門安裝幾何位置上進(jìn)行調(diào)整，前后檢測(cè)電磁屏蔽效果有提升；章琦等[14]通過(guò)從電磁屏蔽的基本屏蔽原理出發(fā)，結(jié)合電磁屏蔽的效能計(jì)算闡述其在方艙孔口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要思路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的可行性；趙征等[15]通過(guò)對(duì)方艙焊接過(guò)程中采用的電刷鍍銅和低溫釬焊技術(shù)進(jìn)行了綜合性分析研究，依靠改變焊接的方式方法制造出了高屏蔽效能的方艙大板結(jié)構(gòu)，在保證了方艙結(jié)構(gòu)上完整的基礎(chǔ)上解決了各大板間的電氣連接問(wèn)題。

3.方艙制造材料的電磁屏蔽研究

研究方艙制造的電磁屏蔽材料，方艙大板板體制造材料以及孔縫處涂覆的屏蔽材料的選擇對(duì)于保證電磁屏蔽指標(biāo)要求的保證有較大的影響。在采用普通的電磁屏蔽材料或結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足方艙本體的寬頻帶、高性能屏蔽要求時(shí)，根據(jù)電磁屏蔽方艙的結(jié)構(gòu)特性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合詳細(xì)考慮金屬艙體大板、孔縫處的電磁密封襯墊、屏蔽窗、空氣通風(fēng)板、導(dǎo)電化合物等電磁屏蔽材料的選擇。其中，對(duì)于高性能電磁屏蔽方艙，常用方艙大板的蒙皮材料有鋁板、鋼板；常見(jiàn)的襯墊有金屬編織網(wǎng)屏蔽襯墊、環(huán)境密封金屬網(wǎng)屏蔽襯墊、橡膠芯編織網(wǎng)屏蔽襯墊；常見(jiàn)的屏蔽窗類型有帶鍍層屏蔽窗、透光導(dǎo)電聚酯膜、高性能屏蔽窗；常見(jiàn)的空氣通風(fēng)板類型有鋁制蜂窩通風(fēng)板、鋼制銅制蜂窩通風(fēng)板；常用的導(dǎo)電化合物依據(jù)其使用方式的不同分為噴涂類和填充類，噴涂類的材料主要是導(dǎo)電涂料，填充類的材料依據(jù)其材料特性主要包含導(dǎo)電膠、導(dǎo)電脂和導(dǎo)電膩?zhàn)印？偟膩?lái)看，方艙電磁屏蔽效能的保證得益于包括金屬材料非金屬材料等在內(nèi)的多種形式的電磁屏蔽材料的研究。

3.1 電磁屏蔽金屬材料

常用的電磁屏蔽金屬材料主要有銅、鎳、鎂、鋁、坡莫合金等金屬材料。張志華等[16]測(cè)試了純Mg、純Al、純Cu及純Ni幾種金屬在30MHz～1500MHz頻率范圍內(nèi)的電磁屏蔽性能，發(fā)現(xiàn)相同厚度下，純Mg的屏蔽性能優(yōu)于純Al，但不如純 Cu、純 Ni。Pandey等[17]人研究了相同條件下鑄造得到的純Mg和純Al的電磁屏蔽性能。結(jié)果表明，電導(dǎo)率不是影響電磁屏蔽效能的高低來(lái)的單一因素。金屬粉末作為一定含量添加物對(duì)生物質(zhì)炭電磁屏蔽材料特性同樣有著影響，楊前勇等[18]研究發(fā)現(xiàn)添加金屬粉末，金屬密度較小且?guī)в休^好磁性，電磁屏蔽效能更佳。Xiao W M等[19]在羰基鐵粉上鍍銀40min，并制備了在100MHz～1500MHz內(nèi)屏蔽效能超過(guò)100dB的羰基鐵/Ag/導(dǎo)電硅橡膠電磁屏蔽材料，獲得了屏蔽性能優(yōu)異的金屬導(dǎo)電硅橡膠電磁屏蔽材料。

3.2 電磁屏蔽非金屬材料

常用的電磁屏蔽非金屬材料主要有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等高分子導(dǎo)電聚合物以及納米石墨、碳納米管、石墨、膨脹石墨、石墨烯、炭黑系及碳纖維系等碳系材料。

鄭永立等[19]為了兼具石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)磁性能，將硅烷偶聯(lián)劑改性石墨烯涂料噴涂橡膠，獲得了屏蔽效能達(dá)82dB的屏蔽性能良好的表面導(dǎo)電型電磁屏蔽材料；劉揚(yáng)等[20]采用鍍Ni-Cu-La-B玻璃纖維、片狀鎳粉以及丙烯酸樹(shù)脂制備了電磁屏蔽復(fù)合涂料，依靠玻璃纖維特性極大地提升了電磁能量的反射損耗，從而顯著改善電磁性能，試驗(yàn)獲得了在一定的電磁能量范圍內(nèi)，電磁屏蔽性能達(dá)64.28dB的填充復(fù)合型屏蔽材料；李克訓(xùn)等[21]采用電磁仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳納米復(fù)合電磁屏蔽材料進(jìn)行研究，獲得了8GHz～12GHz電磁波段屏蔽效能≥82.96dB的理想結(jié)構(gòu)模型；徐偉杰等[22]通過(guò)采用原位聚合法將T-ZnO/Ag粒子填充到環(huán)氧樹(shù)脂基體中以對(duì)導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂基電磁屏蔽材料的填料含量對(duì)體系電導(dǎo)率、電磁屏蔽性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)填料含量在一定范圍內(nèi)，材料的電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能均隨填料含量的提高而上升，拉伸性能則隨填料含量的提高而降低，試驗(yàn)最高獲得了電磁屏蔽效能為21dB，拉伸性能可保持35.4MPa的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂基電磁屏蔽材料。

4.方艙電磁屏蔽技術(shù)研究的前景與趨勢(shì)

目前，方艙電磁屏蔽技術(shù)研究已經(jīng)有了較大發(fā)展，但現(xiàn)階段研究局限于方艙電磁兼容、方艙電磁屏蔽結(jié)構(gòu)、電磁屏蔽材料等領(lǐng)域的研究，研究較為零散，實(shí)際運(yùn)用于方艙電磁屏蔽效能綜合提升的成果較少。如多系統(tǒng)的電磁兼容性遠(yuǎn)低于單系統(tǒng)，在艙體整體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮屏蔽結(jié)構(gòu)的性價(jià)比；在電磁屏蔽材料的選擇時(shí)，需考慮電磁波的二次污染。種種因素的限制形成了電磁屏蔽方艙技術(shù)突破的障礙。如何獲得綜合電磁屏蔽性能更好、屏蔽效果更穩(wěn)定的電磁屏蔽方艙是未來(lái)大的研究方向。隨著信息科技的進(jìn)步，對(duì)方艙電磁屏蔽效能的要求也有了更高的要求，在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁屏蔽方艙不斷耦合各學(xué)科領(lǐng)域的電磁屏蔽研究成果是未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)，也為高效能電磁屏蔽方艙的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造提供參考依據(jù)。