方舱电磁屏蔽技术研究现状及展望

蒋汶桓 王建辉 周运福

（成都航天万欣科技有限公司，四川成都 610000）

自20世纪70年代，随着微电子信息技术的迅猛发展，电子信息产品在社会各领域有了广泛的应用，人类进入了由工业社会向信息社会转型的阶段。在现代社会的信息化战争中，方舱作为一种常见的且实用性较好的电子设备装载平台，具备强大的机动性、快速反应能力、同时具备一定的防护伪装能力，能构建地面战场雷达系统、通信系统、导航系统、指挥控制系统、工程维修系统等诸多信息化互联平台。随着微波武器与电磁干扰技术的日益强大，抗干扰电磁屏蔽是利用屏蔽体对电磁能流进行反射、衰减等方式使电磁能量不隔绝在屏蔽区域以外，从而可以应对敌对势力的电子信息切断、破坏、误导，保障我方战场信息权，是取得整个战场胜利的必要条件。为了满足现代信息化战争的发展，研究军用电磁屏蔽方舱的性能需求、增强方舱的电磁屏蔽性能势在必行。

随着现代科学技术的不断发展，从理论出发、计算机仿真辅助、实际运用技术不断突破。关于方舱的电磁屏蔽技术研究，不断融入电子通信、机械、材料等多个技术领域。

1.方舱电磁兼容性研究

随着现代电子科技的飞速发展，电磁能量源种类的增加恶化了方舱内部的电磁环境，当两个电磁系统以接近的频率与间距同时运行时，易发生电磁干扰，从而影响各分系统性能。目前，研究方舱内部的复杂电磁环境，降低方舱内部电子设备间的电磁干扰，提升方舱电磁兼容性，包含了电磁干扰源、电磁干扰传播途径或通道、敏感设备3个方面。方舱内部的电磁干扰源以内部装载的电子设备为主，随着计算电磁学的迅猛发展，无论是针对局部的电子器件还是组成的电子系统，借助计算机仿真模拟技术进行探索研究成为一种低成本，短周期、见效快的方式。

1.1 电磁能量的仿真耦合研究

在现代电磁能量研究领域之中，依靠计算机仿真建模研究电磁干扰源、电磁干扰传播路径或通道，对整个电磁兼容系统的分析预测具有重要意义。例如，张兰勇[1]在对PCB板电磁辐射规律的研究中实现了由计算机进行仿真分析预测的过程。其次，在众多电磁元件中，肖芳等[2]针对电磁干扰源中常见的且较为明显的功率变换器，提出基于IGBT模块建立等效噪声源模型并采用分区域预测其传导电磁干扰的方法，提升了采用器件的物理特性模型和基于开关动作等效解析模型的高频段预测精确度。而针对整车系统级的计算机电磁仿真建模的硬件难题，李旭等[3]利用不同仿真建模软件的优越性及特点，创新性使用采用多软件联合建模技术实现了整车级天线的计算机电磁辐射发射仿真建模，降低了建模对计算机本身硬件的要求，提供了一种复杂情况计算机建模可行方式。除此之外，对不同形式的电磁能量耦合路径研究采用试验验证往往是一种最直接且效的方式，杨洁等[4]在无线电引信的电磁能量耦合路径的系统研究过程中，通过对多种引信进行不同形式的连续波、强电磁脉冲电磁辐照效应试验，发现弹体或引信前端与电路共地的金属部件是强电磁脉冲辐射环境的主要能量路径，从而为无线电引信的抗电磁性能加固过程提供了相关试验依据。

1.2 电磁敏感度研究

电磁敏感度是在有外部电磁干扰源的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。电磁敏感度越高，其抗干扰能力越低。采用计算机仿真建模研究设备或系统的电磁敏感度问题，有利于在方舱的电磁屏蔽设计之初进行更为完备的优化完善。Yan Z等[5]在电磁敏感度行为级仿真建模研究中采用接收机简化Volterra级数模型求解敏感度阈值实现了对某双频GPS接收机的电磁敏感度分析。Gao X K等[6]在系统级传导和辐射抗扰度研究过程中采用综合应用解析分析方法和数值计算方法提出了一种快速求解与建模方法，加快了计算机建模仿真研究预测分析进度。程俊平等[7]在寻求改善电磁敏感度方法的研究中，通过对供电网络传导耦合的FPGA电磁敏感特性分析发现在一定的干扰频率范围内，LE冗余设计能有效改善逻辑功能单元的电磁敏感度，从而找到了改善电磁敏感度的设计方法。

1.3 外因素干扰研究

方舱的工作环境多位于自然环境下，除已知的人类生产生活中的电子电磁干扰源之外，ESD、雷电等来自自然环境的电磁干扰源对方舱整体的电磁环境也有着极大地影响，国内外采用仿真建模分析预测的方式从侧面进行了大量研究，可在方舱的地磁屏蔽设计之初将自然环境因素考虑在内，减低自然环境中的电磁干扰。Nieden F Z等[8]采CST三维全波仿真软件和SPICE电路模型对二次ESD事件进行了联合仿真建模分析预测，验证了依靠计算机仿真模拟研究自然因素对电磁屏蔽影响规律在一定情况下是可行的。张少卿等[9]利用改进的时域有限差分法（Finite difference time domain，FDTD）计算了雷电电磁脉冲在地表下的衰减规律和分布特点，为地下设施的电磁防护设计提供了理论数据参考。方舱作为地表电磁屏蔽设施体，该研究对方舱内部的电磁屏蔽结构抗雷电设计具有一定的参考依据。

2.方舱内部结构的电磁屏蔽研究

电磁屏蔽方舱内部结构在设计时，除了满足舱体必要的的刚度、强度的同时，还需满足一定要求的屏蔽效能指标。电磁屏蔽方舱舱体结构为长方体六面分布，主要由前板、后板、左板、右板、顶板和底板6块大板组成，这些大板由角件、边梁等拼接成一个整体，每块大板根据使用性能需要，分布门、窗、孔口和其他附件，共同组成一个方舱舱体。理论上，表面结构连续且完全封闭金属腔体，电气连续性最好，其对腔体内部的电磁屏蔽效果最佳。一个屏蔽性能优异的电磁屏蔽方舱，其方舱整体趋于一个封闭电连续的导电体。在常规条件下，为提升电磁屏蔽效果，在不必要情况下，电磁屏蔽方舱在各大板表面应尽量减少门、窗以及孔、口数量，小孔不集中排布。舱体的电源孔口和信号孔口之间的距离应保持最大，尽可能不在同一面板上；舱体其风机口与工作门应尽可能地不在同一个面板上、风机口与电源孔口之间的距离应保持最大。而针对不同情况或需求，保证方舱的电磁屏蔽效果是方舱电磁屏蔽结构研究的重点。

采用计算机仿真技术是验证电磁屏蔽方舱内部结构合理性的首选措施。王屹炜等[10]从电磁屏蔽原理入手，利用 HFSS 软件建立了方舱转接壁盒开窗的等效仿真模型，对开窗面积及形式进行了研究，结果表明多个小面积的圆形开窗屏蔽性能优于单个大面积的矩形开窗，为方舱的设计提供了方法参考，提高了设计效率。沈健等[11]应用电磁仿真软件FEKO导入CAD模型，并在不同天线各自的频段进行对比仿真，验证了车顶天线布局的合理性。刘君华等[12]在如何提高方舱机柜的屏蔽效能的研究过程中，通过对电磁屏蔽方舱屏蔽效能的测试分析和CST仿真分析，定量分析了机柜布局对电磁屏蔽方舱屏蔽效能的影响。发现机柜的反射作用会使屏蔽效能降低，而机柜的遮挡作用能使屏蔽效能提高，为电磁屏蔽方舱内部的机柜布局提供参考依据。

除了依靠计算机仿真模拟研究，方舱内部结构实践研究同样至关重要且直接有效。邱扬等[13]从材料及门安装几何位置上进行调整，前后检测电磁屏蔽效果有提升；章琦等[14]通过从电磁屏蔽的基本屏蔽原理出发，结合电磁屏蔽的效能计算阐述其在方舱孔口结构设计的重要思路，并通过试验验证了设计思路的可行性；赵征等[15]通过对方舱焊接过程中采用的电刷镀铜和低温钎焊技术进行了综合性分析研究，依靠改变焊接的方式方法制造出了高屏蔽效能的方舱大板结构，在保证了方舱结构上完整的基础上解决了各大板间的电气连接问题。

3.方舱制造材料的电磁屏蔽研究

研究方舱制造的电磁屏蔽材料，方舱大板板体制造材料以及孔缝处涂覆的屏蔽材料的选择对于保证电磁屏蔽指标要求的保证有较大的影响。在采用普通的电磁屏蔽材料或结构无法满足方舱本体的宽频带、高性能屏蔽要求时，根据电磁屏蔽方舱的结构特性，在设计时应综合详细考虑金属舱体大板、孔缝处的电磁密封衬垫、屏蔽窗、空气通风板、导电化合物等电磁屏蔽材料的选择。其中，对于高性能电磁屏蔽方舱，常用方舱大板的蒙皮材料有铝板、钢板；常见的衬垫有金属编织网屏蔽衬垫、环境密封金属网屏蔽衬垫、橡胶芯编织网屏蔽衬垫；常见的屏蔽窗类型有带镀层屏蔽窗、透光导电聚酯膜、高性能屏蔽窗；常见的空气通风板类型有铝制蜂窝通风板、钢制铜制蜂窝通风板；常用的导电化合物依据其使用方式的不同分为喷涂类和填充类，喷涂类的材料主要是导电涂料，填充类的材料依据其材料特性主要包含导电胶、导电脂和导电腻子。总的来看，方舱电磁屏蔽效能的保证得益于包括金属材料非金属材料等在内的多种形式的电磁屏蔽材料的研究。

3.1 电磁屏蔽金属材料

常用的电磁屏蔽金属材料主要有铜、镍、镁、铝、坡莫合金等金属材料。张志华等[16]测试了纯Mg、纯Al、纯Cu及纯Ni几种金属在30MHz～1500MHz频率范围内的电磁屏蔽性能，发现相同厚度下，纯Mg的屏蔽性能优于纯Al，但不如纯 Cu、纯 Ni。Pandey等[17]人研究了相同条件下铸造得到的纯Mg和纯Al的电磁屏蔽性能。结果表明，电导率不是影响电磁屏蔽效能的高低来的单一因素。金属粉末作为一定含量添加物对生物质炭电磁屏蔽材料特性同样有着影响，杨前勇等[18]研究发现添加金属粉末，金属密度较小且带有较好磁性，电磁屏蔽效能更佳。Xiao W M等[19]在羰基铁粉上镀银40min，并制备了在100MHz～1500MHz内屏蔽效能超过100dB的羰基铁/Ag/导电硅橡胶电磁屏蔽材料，获得了屏蔽性能优异的金属导电硅橡胶电磁屏蔽材料。

3.2 电磁屏蔽非金属材料

常用的电磁屏蔽非金属材料主要有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等高分子导电聚合物以及纳米石墨、碳纳米管、石墨、膨胀石墨、石墨烯、炭黑系及碳纤维系等碳系材料。

郑永立等[19]为了兼具石墨烯优异的导电和导磁性能，将硅烷偶联剂改性石墨烯涂料喷涂橡胶，获得了屏蔽效能达82dB的屏蔽性能良好的表面导电型电磁屏蔽材料；刘扬等[20]采用镀Ni-Cu-La-B玻璃纤维、片状镍粉以及丙烯酸树脂制备了电磁屏蔽复合涂料，依靠玻璃纤维特性极大地提升了电磁能量的反射损耗，从而显著改善电磁性能，试验获得了在一定的电磁能量范围内，电磁屏蔽性能达64.28dB的填充复合型屏蔽材料；李克训等[21]采用电磁仿真优化设计构筑三维导电网络结构的方式对环氧树脂基碳纳米复合电磁屏蔽材料进行研究，获得了8GHz～12GHz电磁波段屏蔽效能≥82.96dB的理想结构模型；徐伟杰等[22]通过采用原位聚合法将T-ZnO/Ag粒子填充到环氧树脂基体中以对导电环氧树脂基电磁屏蔽材料的填料含量对体系电导率、电磁屏蔽性能和力学性能的影响，发现填料含量在一定范围内，材料的电导率和电磁屏蔽性能均随填料含量的提高而上升，拉伸性能则随填料含量的提高而降低，试验最高获得了电磁屏蔽效能为21dB，拉伸性能可保持35.4MPa的导电环氧树脂基电磁屏蔽材料。

4.方舱电磁屏蔽技术研究的前景与趋势

目前，方舱电磁屏蔽技术研究已经有了较大发展，但现阶段研究局限于方舱电磁兼容、方舱电磁屏蔽结构、电磁屏蔽材料等领域的研究，研究较为零散，实际运用于方舱电磁屏蔽效能综合提升的成果较少。如多系统的电磁兼容性远低于单系统，在舱体整体设计时需考虑屏蔽结构的性价比；在电磁屏蔽材料的选择时，需考虑电磁波的二次污染。种种因素的限制形成了电磁屏蔽方舱技术突破的障碍。如何获得综合电磁屏蔽性能更好、屏蔽效果更稳定的电磁屏蔽方舱是未来大的研究方向。随着信息科技的进步，对方舱电磁屏蔽效能的要求也有了更高的要求，在复杂电磁环境下的电磁屏蔽方舱不断耦合各学科领域的电磁屏蔽研究成果是未来的研究发展趋势，也为高效能电磁屏蔽方舱的设计、生产、制造提供参考依据。