机载设备机箱的电磁屏蔽设计

田建学，魏俊淦，赵 波

（海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛 266041）

机箱作为机载设备的重要组成部分，其结构设计实现整机（系统）技术性能的重要环节。尤其是随着航空电子技术的迅速发展，机载设备的功能不断扩展，致使机上电磁环境十分复杂。为了保证机载设备在复杂电磁环境中正常工作，机载设备的机箱除具有机械支撑和保护作用外，还要具有很好的屏蔽效能，以确保机载设备的电磁兼容性。因此，进行机载设备机箱结构设计时，应同时开展电磁屏蔽设计。

1 机箱电磁屏蔽设计要求

电磁屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。机载设备机箱屏蔽的目的主要体现在两个方面，一是利用机箱作为屏蔽体将机载设备内部的元器件、线路、连接器等电路系统包围起来，限制机箱内部的电磁场向外扩散，干扰外部的其他设备；二是用机箱作为屏蔽体防止外部的电磁能量进入机箱内部，造成对机箱内部敏感器件及电路系统的影响。因为机箱作为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等机箱外部的干扰电磁波和机箱内部的电磁波均具有吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以机箱具有减弱干扰的作用[1]。

为了达到理想的屏蔽效果，要求机箱必须良好接地，并保证机箱的导电连续性。理想的屏蔽机箱应该是由金属或喷涂导电材料的面板组成的金属笼。在高频下，通常金属材料有一定的集肤深度，会产生信号的衰减，有助于提高屏蔽效率。但是，机载设备要正常工作，机箱上必须为电源线、控制线、信号线等留下电连接器安装孔，基于散热、通风等原因，还需要在壳体上开孔开窗，这就造成电气不连续，使机箱屏蔽效能大大降低，造成机箱泄漏或易受干扰。所以，机载设备机箱的屏蔽设计包括选择屏蔽材料和采取保证屏蔽完整性的技术措施两方面[2]。

机载设备机箱在适应飞机工作环境的前提下，其电磁兼容性应满足GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》 的规定， 能够通过 CE101、CE102、CS101、CS114、RE101、RE102等电磁兼容试验项目。

2 机箱屏蔽材料设计

根据场源性质的不同、离场源距离的远近，应采取不同的屏蔽方式。根据电磁场的波长λ和场点到场源的距离d，大致可将场域分为近场区（d＜λ）和远场区（d＞λ）两部分。近场区是似稳电场或磁场，不对外辐射能量；远场区是辐射场，向外辐射能量。

理论与实践证明，由于存在趋肤效应，屏蔽材料的厚度一般来说只需要1.2 mm左右。因此，在设计时可作如下考虑：在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场屏蔽和磁场屏蔽；屏蔽电场时使用高导电材料，屏蔽体尽量靠近骚扰源；屏蔽磁场时使用高导磁材料，屏蔽体尽量原理骚扰源；一般情况下，材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高[3]。

机载设备内部产生的场主要是近场，对于高电压、小电流的场源，其作用以电场为主，应采取电场屏蔽。对于低电压、大电流的场源，其作用以磁场为主，应采取磁场屏蔽。对于外部的干扰磁场，可能是电场、磁场、电磁场，应根据实际应用环境来确定。

良导体（如铝合金）作为屏蔽材料，可以屏蔽电场，其屏蔽机理主要是反射作用而不是吸收。良导体也可以屏蔽磁场，其屏蔽机理主要是吸收而不是反射，对于低频磁场的屏蔽，需要使用铁磁材料，如高导磁率的合金或铁。对于电磁场，则使用良导体，利用其反射和吸收作用进行屏蔽。

根据常用金属材料的性能，目前机载设备屏蔽机箱使用的材料大多是镀锌冷轧钢板或镁铝合金。镀锌冷轧钢板机箱屏蔽效能较高，抗腐蚀能力也较好；铝镁合金机箱有更好的屏蔽效能以及抗腐蚀能力，但成本较高[4]。

3 机箱的屏蔽设计方法

实际的屏蔽机箱都有必要的穿孔、孔洞和缝隙，造成屏蔽完整性损失，使屏蔽效能远低于屏蔽材料的理论计算值。因此，机箱屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽完整性，做到屏蔽体表面为导电连续，使屏蔽效能尽量接近理论计算值。由于机箱的屏蔽效果主要受缝隙、开口、导线穿透的影响，所以，对屏蔽进行完整性设计需要考虑盖板、通风孔、测量仪表的指示窗、显示窗、电位器轴、指示灯、保险丝、开关、电源线和信号线连接器等因素[5-7]。

1）盖板

为了进行测试、校准或维护，很多机载设备在结构上都需要设计盖板以便打开。对于金属盖板来说，最常用的电磁兼容方法是使用导电填料或硅树脂填料。一般来讲，最好的方法是采用编织导线网或加有金属微粒的硅树脂填料。

如果出入口是临时使用，那么可以考虑导电填料。当移去盖板后，重新盖上之前，需要把已有的导电填料刮除报废，露出配件干净的接触表面，再仔细填入新的填料以保证结合的完整性。

2）通风孔和开口

为了满足机箱内部通风散热的要求，有时必须在箱体上开设通风孔，因此也必须对通风孔进行电磁屏蔽。对屏蔽机箱而言，既需要对流通风，有时也需要风扇强制通风，所以必须从射频衰减和空气对流的阻力来综合考虑通风口所用电磁屏蔽材料。

在开设通风孔的情形下，可采用以下途径提高机箱屏蔽效能：

通风孔的处理一般采用两种方法，一种是采用屏蔽盖板，另一种是采用蜂窝状盖板。通常，对于屏蔽室和屏蔽机箱，既需要对流通风，也需要风扇强制通风。因为必须从射频衰减和空气对流的阻力来综合考虑通风口所用电磁屏蔽材料。屏蔽盖板相对较便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流还会影响空气的流动。蜂窝状盖板既能提供较高的屏蔽效能，又具有重量轻、空气阻力小的优点，因此常常被采用。

①窗口上覆盖金属丝网：金属丝网覆盖在通风孔上的结构形式有两种，一种是采用焊接方式安装，这种方法使金属网与屏蔽体之间有良好的电接触，但工艺复杂，金属网性能变坏以后又难以更换，且焊接时易破坏周围的保护层，所以很少采用这种方法。另一种是采用环形压圈通过紧固螺钉把金属网安装在屏蔽体的通风孔上。安装之前，应把配合面上的绝缘层、氧化层、油垢等不导电物质除去，并应安装足够数量的螺钉以获得连续的接触。这种安装方式，只要在结构和工艺上仔细考虑，即可使金属网与屏蔽体之间获得良好的电接触，所以应用比较广泛。

②用穿孔金属板作通风孔：用许多小孔代替大口径的通风孔是提高屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽体上开许多小孔，亦可单独制成穿孔金属板安装到屏蔽体的通风孔上。与金属网相比，穿孔金属板的特点是屏蔽体性能稳定，因为它不存金属编织网固有的网丝交叉点接触电阻不稳定的问题。在屏蔽壁上直接开小口径通风孔，具有结构与工艺简单、成本低等优点，实际应用已较普遍。

③采用截止波导式通风窗：金属丝网和穿孔金属板在较高频下屏蔽效能都要下降，特别是当孔眼尺寸与电磁波波长可比拟时，则孔眼将引起严重的泄漏。在较高频以上，欲有高的屏蔽性能，且通风良好，可采用截止波导式通风孔板（如蜂窝状通风孔板），它与金属丝网和穿孔金属板相比有如下优点：工作的频段宽，即便到微波频段仍有较高的屏蔽性能；对空气的阻力小，风压损失少；机械强度高，工作可靠稳定。

此外，在机箱上为指示灯、显示器等设置的开口，也应当考虑采取屏蔽措施。一种是在指示灯、显示器的前面加波导管、金属网或导电玻璃进行屏蔽；另一种是在指示灯、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容器进行滤波。

3）机箱导线穿透

导线穿过机箱会使其屏蔽效能严重下降，为减小这种屏蔽效能下降，可用以下方法进行解决：①对于传输较低频率信号的电缆，在电缆的端口处使用低通滤波器，滤除电缆上不必要的高频成分，既减小电缆产生的电磁辐射（因为高频电流更容易辐射），也能防止电缆上感应到的环境噪声耦合进设备内部电路中。②对于传输较高频率信号的电缆，低通滤波器可能会导致信号失真，这时只能采用屏蔽的方法，但要注意屏蔽电缆的屏蔽层要360°搭接，这往往是很难做到的。

在电源线进入机箱时，应采取滤波措施。尽量使滤波器的一端在机箱外，另一端在机箱内。如果滤波器结构上不是机箱安装式的，则应在电源线入口处为滤波器设置一隔舱。

对于信号线、控制线，在出入机箱时，也应进行适当的滤波。在电缆端口安装低通滤波器时，可以将低通滤波器安装在线路板上，也可以安装在机箱面板上。将低通滤波器安装在线路板上的优点是方便而且经济，缺点是高频滤波效果欠佳，这个缺点是十分致命的，因为使用滤波器的目的就是滤除容易导致辐射的高频信号或者滤除高频电磁波在电缆上感应的高频信号。将低通滤波器安装在机箱面板上时，可采用滤波阵列板、滤波电连接器等。这种方式将滤波器直接安装在金属面板上，滤波器的输入、输出之间完全隔离，接地良好，导线上的干扰在机箱端口被滤除，滤波效果比较好，缺点是安装时需要一定的结构配合。

4）机箱缝隙处理

屏蔽体上的接缝处由于结合表面不平、清洗不干净、有油污、焊接质量不好、紧固螺钉之间或铆钉之间存在缝隙等原因会在接缝处造成缝隙。若电磁波垂直入射穿过缝隙，它在缝隙的传输特性和自由空间的传输特性是不一样的，这是因为缝隙形状窄长而较深。当缝长小于四分之一波长时，根据波导理论可以认为，在平面波作用下，缝隙中的波阻抗将大于自由空间波阻抗。在缝隙入口处由于波阻抗的突变而引起反射损耗。入射波通过缝隙时会发生反射损耗和传输损耗，从而产生屏蔽作用，缝隙中的电磁传播过程既不同于金属整体内部传播，又不同于自由空间传播。因此，它会造成带有缝隙的金属屏蔽体的屏蔽效能下降。

当金属屏蔽体缝隙的缝长大约等于3倍金属板的集肤深度时，缝隙的吸收损耗和金属板的吸收损耗相等，缝隙基本上不降低屏蔽效能。若缝长大于3倍金属板的集肤深度时，则缝隙屏蔽效能就会减小。

因此，为提高机箱的屏蔽效能，必须尽量减少结构上的电不连续性，以减小辐射泄漏。对于缝隙的处理可以采用以下几种方法来提高屏蔽效能。

①增加缝隙的深度

壳体中活动端面的接合处存在着最常见的屏蔽体的缝隙，缝隙深度往往主要取决于屏蔽体的壁厚。若在连接处加上边，不但增加接触面、便于紧固，而且还增加了缝隙深度，这使吸收损耗增加，从而提高总的屏蔽效能。

②提高结合面加工精度

提高结合面的加工精度是减小缝隙的有效方法，但采用精密加工方法会使成本骤增，通常采用铸造成型加工、端面磨平加工、电焊加工等可以取得较好效果。例如，为了提高屏蔽效能，现代的很多机载设备都采用整体精密铸造和焊接的机箱。

③加装导电衬垫

一般来说，用薄板材料以钣金加工制成的屏蔽机箱，其接合面很难做到不留缝隙，因而只有通过在缝隙中加装导电衬垫来提高屏蔽效能。

④在接缝处涂导电涂料

导电涂料流动性好，容易渗透进入接合表面以填补缝隙。使用导电涂料时，必须对接缝表面进行清理。

⑤增加接缝处的重叠尺寸

在使用螺钉或铆钉紧固接合部位的许多缝隙中，缝长主要取决于螺钉或铆钉的间距，因此调整紧固螺钉或铆钉的间距可以改善屏蔽效果。两个接合面的重叠是缝隙深度的主要决定因素，因此缝隙深度也是影响屏蔽效能的参量之一。重叠量越多，屏蔽效能就越好。在同样重叠量情况下，在螺钉间距不变、缝长一定时，屏蔽效能随频率升高而下降。

⑥搭接处理

在机箱的缝隙和电不连续处，要做好搭接处理，保证缝隙两侧良好接触。接缝应尽可能采用连续焊接，如条件受到限制，也应采用点焊、小间距铆接或螺钉连接，在不加电磁衬垫时，螺钉间距应小于最高工作频率对应波长的1/20。在接缝不平整、可移动面板等地方，最好使用电磁衬垫。

4 结束语

机箱的电磁屏蔽设计是机载设备电磁兼容性设计的重要内容之一，其屏蔽程度取决于结构材料的选择和装配中所用的设计技术两个方面，设计者应在接缝、开口、穿透和对底板及机箱的搭接等方面多加考虑。总之，应在机箱设计阶段将电磁兼容问题综合考虑，以采取切实可行的具体措施，同时还应充分考虑电磁兼容设计措施的稳定性和持久性，避免由于这方面问题导致的返工和费用增加，为达到机载设备的设计效果奠定良好基础。

[1]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计理论与实践 [M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]吕文红.电磁兼容原理及应用教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2008.

[3]白云同.电磁兼容设计实践 [M].北京：中国电力出版社，2007.

[4]杨文昌.电子设备的电磁兼容结构设计 [J].机电工程技术，2007（8）：47-48，116.

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[5]田建学.机载设备电磁兼容设计与实施[M].北京：国防工业出版社，2010.

[6]龚雅娟，胡远.某型舰载机箱电磁屏蔽的结构工艺设计[J].舰船电子工程，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]郝晓冬，乔恩明.电源系统电磁兼容设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2007.