舰载机柜的电磁兼容设计

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

舰载机柜的电磁兼容设计

李程

(第七一五研究所，杭州，310023)

根据电磁兼容原理，从屏蔽、接地、滤波等方面对舰载机柜进行了电磁兼容设计。试验结果表明，机柜所有指标均能达到国军标的相关要求，证明该设计是合理有效的。

舰载机柜；电磁兼容；屏蔽；接地；滤波

舰载机柜是针对水面舰艇研制开发的新一代电子设备载体，机柜作为舰载电子设备的组成部分，其电磁兼容设计是实现整机系统技术性能的重要环节。随着舰船武器装备的发展，电子装备日益增多，结构越来越紧凑，在狭小的空间里存在着各系统之间及系统内各分机之间的相互电磁干扰，这些干扰将导致故障，系统或将无法正常运行。因此在系统的方案设计中，必须充分考虑电磁兼容性问题。电磁兼容性设计应在机柜结构与电气设计之前开展并伴随整个机柜的设计。

作为一种舰载电子设备安装载体，本文设计的舰载机柜在恶劣的电磁干扰环境条件下能为内部安装的电子设备提供良好的屏蔽条件，为舰船电子系统的正常运行提供可靠保证，具有广阔的应用前景。

1 屏蔽

电磁屏蔽是利用金属板、网、盖、罩、盒等屏蔽体阻止或减少电磁能量传播所采取的一种结构措施。舰载机柜有电源线、信号线、控制线等的穿入及穿出，还有散热用的通风孔等。同时，机柜内设备是由多个零部件组装而成的，各部分的连接难免有电磁泄漏，如何抑制电磁能量从上述因素中泄漏，就成了舰载机柜电磁兼容性设计的关键[1]。

1.1 缝隙的屏蔽

一个完全密闭的金属壳很容易对高频电磁场取得100 dB(10万倍)以上的屏蔽效果。如果壳体上开有缝隙，电磁场会由缝隙漏出，则显著降低屏蔽效果。从缝隙中泄漏出电磁场强度的估算公式为

而经金属板吸收衰减后的磁场强度

式中，H0是在缝隙处被屏蔽的磁场强度；Hg为从缝隙处漏出的磁场强度；Hst为经金属板吸收衰减后的磁场强度；t为金属板的厚度，即缝隙深度；g是金属板的缝隙宽度，δ为电磁场透入深度。

显然，缝隙深而窄泄漏就小。因此，如果要求经缝隙漏出的磁场强度与经金属板吸收衰减后的磁场强度相同，即(这相当于无缝隙时的屏蔽效果)，则由式（1）与式（2）可得

电磁场透入深度δ随着频率升高而降低。在缝隙尺寸一定的情况下，频率越高缝隙泄漏的影响就越大[2]。因此，被屏蔽的场频越高，就越要注意减小屏蔽体的缝隙。式（3）是长缝的泄漏公式。减小缝的长度也能减少泄漏。在本机柜实际屏蔽结构中，为减小缝隙的泄漏，应尽量使屏蔽体的缝隙数量最少，并且增加缝隙的深度，减小缝隙的宽度和长度。此外，在缝隙间可装导电的弹性衬垫。导电弹性衬垫可用细铜丝编织而成，也可用导电材料混入塑料中制成。

1.2 通风孔洞的屏蔽

为了被屏蔽对象(设备、单元电路和元器件等)的通风散热，必须在屏蔽体上开设通风孔洞。电磁能量会经通风孔洞泄漏，这是使屏蔽体屏蔽效能下降的又一重要原因。

图1 通风蜂窝板

因此，必须在通风口安装电磁防护罩，提供射频衰减，又不妨碍通风的要求。本机柜利用波导管的截止频率特性，在机柜的通风口安装通风蜂窝板，以解决电磁屏蔽和通风散热的问题，机柜出风口蜂窝板和截止波导蜂窝孔如图1所示。

1.3 表头孔、开关、指示灯的屏蔽

机柜设备的面板上往往装有指示电参数的表头、指示灯、电源开关或工作状态的转换开关，这些元器件安装时需在面板上开设相应尺寸的孔。为防止从这类孔中泄漏电磁能量，通常需用附加的屏蔽措施。

本机柜设计上采取在面板和屏蔽体之间加入导电衬垫以减少缝隙，改善电接触，屏蔽体的引线穿入处采用穿心电容或插针式滤波连接器，使引线感应的电磁干扰信号旁路到地，防止电磁能量通过引线泄漏[3]。结构如图2所示。

图2 屏蔽设计示意图

2 接地

接地技术是任何电子电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术，它不仅是抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术措施，也是保障人身安全的必要手段。

机柜采用数字地、模拟地、安全地三套接地系统，并从机柜、印制板、电缆直至地网加以实施[4]。

●数字地：用于数字信号接地。

●模拟地：用于模拟信号接地。若有高电平模拟信号，则应将高、低电平模拟信号地分开。若信号幅值超过数字电路开启电压，可视为高电平信号。反之，可视为低电平信号。

●安全地(机壳地)：用于设备机壳、机箱、机架和不带电的金属构件及噪声干扰大的电动机、继电器电路及高电平模拟信号接地。泄放机柜上积累的静电电荷，避免静电高压导致设备内部放电而造成电磁干扰。

在本系统中，将模拟信号地与数字信号地分别设置，发射信号地与接收信号地分开，大信号地与小信号地分开，最后汇流到大地，以抑制系统内的电磁骚扰。

图3为本机柜的接地示意图。汇流条由3层镀银铜板与4层环氧酚醛层压玻璃布板(涂清漆)组成，环氧玻璃布板将铜板绝缘开，形成3层不同的地:数字地、模拟地、机壳地。

图3 机柜接地示意图

3 滤波

实践表明，即使一个经过良好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会有电磁传导骚扰发射或传导骚扰进入设备。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法。当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰滤除。电磁干扰(EMI)滤波器属于低通滤波器，包括电源线滤波器、信号线滤波器等。

在本机柜的设计中，恰当地采用了EMI滤波器，并充分考虑了其安装位置与方法。如在电源出口处加以滤波，输入与输出侧的配线屏蔽隔离，滤波器的输入输出引线不能并行或交叉，将滤波器的屏蔽体外壳直接安装在设备的金属外壳上等方法，都对电磁干扰达到了预期的滤波作用。

4 结论

机柜的电磁兼容设计是舰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，设计者应综合多方面考虑。按照文献[5]对机柜测试后，所有指标均能达到文献[5]的技术要求，证明电磁兼容性设计是合理且有效的。

[1]王定华.电磁兼容原理与设计[M].成都:电子科技大学出版社,1995.

[2]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[3]吕仁清,蒋全兴.电磁兼容性结构设计[M].南京:东南大学出版社,1990.

[4]莫世禹.通信设备中的屏蔽和接地方法[J].电磁兼容性技术,2008,27(2):30-35.

[5]陈世钢,汤仕平,胡旻森,等.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量:GJB151B-2013[S].北京:总装备部军标出版发行部,2013.