機載設備機箱的電磁屏蔽設計

田建學，魏俊淦，趙 波

（海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島 266041）

機箱作為機載設備的重要組成部分，其結構設計實現整機（系統）技術性能的重要環節。尤其是隨著航空電子技術的迅速發展，機載設備的功能不斷擴展，致使機上電磁環境十分復雜。為了保證機載設備在復雜電磁環境中正常工作，機載設備的機箱除具有機械支撐和保護作用外，還要具有很好的屏蔽效能，以確保機載設備的電磁兼容性。因此，進行機載設備機箱結構設計時，應同時開展電磁屏蔽設計。

1 機箱電磁屏蔽設計要求

電磁屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能量傳輸的一種技術，是抑制電磁干擾的重要手段之一。機載設備機箱屏蔽的目的主要體現在兩個方面，一是利用機箱作為屏蔽體將機載設備內部的元器件、線路、連接器等電路系統包圍起來，限制機箱內部的電磁場向外擴散，干擾外部的其他設備；二是用機箱作為屏蔽體防止外部的電磁能量進入機箱內部，造成對機箱內部敏感器件及電路系統的影響。因為機箱作為屏蔽體對來自導線、電纜、元器件、電路或系統等機箱外部的干擾電磁波和機箱內部的電磁波均具有吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以機箱具有減弱干擾的作用[1]。

為了達到理想的屏蔽效果，要求機箱必須良好接地，并保證機箱的導電連續性。理想的屏蔽機箱應該是由金屬或噴涂導電材料的面板組成的金屬籠。在高頻下，通常金屬材料有一定的集膚深度，會產生信號的衰減，有助于提高屏蔽效率。但是，機載設備要正常工作，機箱上必須為電源線、控制線、信號線等留下電連接器安裝孔，基于散熱、通風等原因，還需要在殼體上開孔開窗，這就造成電氣不連續，使機箱屏蔽效能大大降低，造成機箱泄漏或易受干擾。所以，機載設備機箱的屏蔽設計包括選擇屏蔽材料和采取保證屏蔽完整性的技術措施兩方面[2]。

機載設備機箱在適應飛機工作環境的前提下，其電磁兼容性應滿足GJB151A-97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》 的規定， 能夠通過 CE101、CE102、CS101、CS114、RE101、RE102等電磁兼容試驗項目。

2 機箱屏蔽材料設計

根據場源性質的不同、離場源距離的遠近，應采取不同的屏蔽方式。根據電磁場的波長λ和場點到場源的距離d，大致可將場域分為近場區（d＜λ）和遠場區（d＞λ）兩部分。近場區是似穩電場或磁場，不對外輻射能量；遠場區是輻射場，向外輻射能量。

理論與實踐證明，由于存在趨膚效應，屏蔽材料的厚度一般來說只需要1.2 mm左右。因此，在設計時可作如下考慮：在近場區設計屏蔽時，要分別考慮電場屏蔽和磁場屏蔽；屏蔽電場時使用高導電材料，屏蔽體盡量靠近騷擾源；屏蔽磁場時使用高導磁材料，屏蔽體盡量原理騷擾源；一般情況下，材料的導電性和導磁性越好，屏蔽效能越高[3]。

機載設備內部產生的場主要是近場，對于高電壓、小電流的場源，其作用以電場為主，應采取電場屏蔽。對于低電壓、大電流的場源，其作用以磁場為主，應采取磁場屏蔽。對于外部的干擾磁場，可能是電場、磁場、電磁場，應根據實際應用環境來確定。

良導體（如鋁合金）作為屏蔽材料，可以屏蔽電場，其屏蔽機理主要是反射作用而不是吸收。良導體也可以屏蔽磁場，其屏蔽機理主要是吸收而不是反射，對于低頻磁場的屏蔽，需要使用鐵磁材料，如高導磁率的合金或鐵。對于電磁場，則使用良導體，利用其反射和吸收作用進行屏蔽。

根據常用金屬材料的性能，目前機載設備屏蔽機箱使用的材料大多是鍍鋅冷軋鋼板或鎂鋁合金。鍍鋅冷軋鋼板機箱屏蔽效能較高，抗腐蝕能力也較好；鋁鎂合金機箱有更好的屏蔽效能以及抗腐蝕能力，但成本較高[4]。

3 機箱的屏蔽設計方法

實際的屏蔽機箱都有必要的穿孔、孔洞和縫隙，造成屏蔽完整性損失，使屏蔽效能遠低于屏蔽材料的理論計算值。因此，機箱屏蔽設計的關鍵就是如何保證屏蔽完整性，做到屏蔽體表面為導電連續，使屏蔽效能盡量接近理論計算值。由于機箱的屏蔽效果主要受縫隙、開口、導線穿透的影響，所以，對屏蔽進行完整性設計需要考慮蓋板、通風孔、測量儀表的指示窗、顯示窗、電位器軸、指示燈、保險絲、開關、電源線和信號線連接器等因素[5-7]。

1）蓋板

為了進行測試、校準或維護，很多機載設備在結構上都需要設計蓋板以便打開。對于金屬蓋板來說，最常用的電磁兼容方法是使用導電填料或硅樹脂填料。一般來講，最好的方法是采用編織導線網或加有金屬微粒的硅樹脂填料。

如果出入口是臨時使用，那么可以考慮導電填料。當移去蓋板后，重新蓋上之前，需要把已有的導電填料刮除報廢，露出配件干凈的接觸表面，再仔細填入新的填料以保證結合的完整性。

2）通風孔和開口

為了滿足機箱內部通風散熱的要求，有時必須在箱體上開設通風孔，因此也必須對通風孔進行電磁屏蔽。對屏蔽機箱而言，既需要對流通風，有時也需要風扇強制通風，所以必須從射頻衰減和空氣對流的阻力來綜合考慮通風口所用電磁屏蔽材料。

在開設通風孔的情形下，可采用以下途徑提高機箱屏蔽效能：

通風孔的處理一般采用兩種方法，一種是采用屏蔽蓋板，另一種是采用蜂窩狀蓋板。通常，對于屏蔽室和屏蔽機箱，既需要對流通風，也需要風扇強制通風。因為必須從射頻衰減和空氣對流的阻力來綜合考慮通風口所用電磁屏蔽材料。屏蔽蓋板相對較便宜，但它的屏蔽效能有限，并且由于紊流還會影響空氣的流動。蜂窩狀蓋板既能提供較高的屏蔽效能，又具有重量輕、空氣阻力小的優點，因此常常被采用。

①窗口上覆蓋金屬絲網：金屬絲網覆蓋在通風孔上的結構形式有兩種，一種是采用焊接方式安裝，這種方法使金屬網與屏蔽體之間有良好的電接觸，但工藝復雜，金屬網性能變壞以后又難以更換，且焊接時易破壞周圍的保護層，所以很少采用這種方法。另一種是采用環形壓圈通過緊固螺釘把金屬網安裝在屏蔽體的通風孔上。安裝之前，應把配合面上的絕緣層、氧化層、油垢等不導電物質除去，并應安裝足夠數量的螺釘以獲得連續的接觸。這種安裝方式，只要在結構和工藝上仔細考慮，即可使金屬網與屏蔽體之間獲得良好的電接觸，所以應用比較廣泛。

②用穿孔金屬板作通風孔：用許多小孔代替大口徑的通風孔是提高屏蔽效能的有效方法，它可以直接在屏蔽體上開許多小孔，亦可單獨制成穿孔金屬板安裝到屏蔽體的通風孔上。與金屬網相比，穿孔金屬板的特點是屏蔽體性能穩定，因為它不存金屬編織網固有的網絲交叉點接觸電阻不穩定的問題。在屏蔽壁上直接開小口徑通風孔，具有結構與工藝簡單、成本低等優點，實際應用已較普遍。

③采用截止波導式通風窗：金屬絲網和穿孔金屬板在較高頻下屏蔽效能都要下降，特別是當孔眼尺寸與電磁波波長可比擬時，則孔眼將引起嚴重的泄漏。在較高頻以上，欲有高的屏蔽性能，且通風良好，可采用截止波導式通風孔板（如蜂窩狀通風孔板），它與金屬絲網和穿孔金屬板相比有如下優點：工作的頻段寬，即便到微波頻段仍有較高的屏蔽性能；對空氣的阻力小，風壓損失少；機械強度高，工作可靠穩定。

此外，在機箱上為指示燈、顯示器等設置的開口，也應當考慮采取屏蔽措施。一種是在指示燈、顯示器的前面加波導管、金屬網或導電玻璃進行屏蔽；另一種是在指示燈、顯示器后面加屏蔽，并對所有引線用穿心電容器進行濾波。

3）機箱導線穿透

導線穿過機箱會使其屏蔽效能嚴重下降，為減小這種屏蔽效能下降，可用以下方法進行解決：①對于傳輸較低頻率信號的電纜，在電纜的端口處使用低通濾波器，濾除電纜上不必要的高頻成分，既減小電纜產生的電磁輻射（因為高頻電流更容易輻射），也能防止電纜上感應到的環境噪聲耦合進設備內部電路中。②對于傳輸較高頻率信號的電纜，低通濾波器可能會導致信號失真，這時只能采用屏蔽的方法，但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接，這往往是很難做到的。

在電源線進入機箱時，應采取濾波措施。盡量使濾波器的一端在機箱外，另一端在機箱內。如果濾波器結構上不是機箱安裝式的，則應在電源線入口處為濾波器設置一隔艙。

對于信號線、控制線，在出入機箱時，也應進行適當的濾波。在電纜端口安裝低通濾波器時，可以將低通濾波器安裝在線路板上，也可以安裝在機箱面板上。將低通濾波器安裝在線路板上的優點是方便而且經濟，缺點是高頻濾波效果欠佳，這個缺點是十分致命的，因為使用濾波器的目的就是濾除容易導致輻射的高頻信號或者濾除高頻電磁波在電纜上感應的高頻信號。將低通濾波器安裝在機箱面板上時，可采用濾波陣列板、濾波電連接器等。這種方式將濾波器直接安裝在金屬面板上，濾波器的輸入、輸出之間完全隔離，接地良好，導線上的干擾在機箱端口被濾除，濾波效果比較好，缺點是安裝時需要一定的結構配合。

4）機箱縫隙處理

屏蔽體上的接縫處由于結合表面不平、清洗不干凈、有油污、焊接質量不好、緊固螺釘之間或鉚釘之間存在縫隙等原因會在接縫處造成縫隙。若電磁波垂直入射穿過縫隙，它在縫隙的傳輸特性和自由空間的傳輸特性是不一樣的，這是因為縫隙形狀窄長而較深。當縫長小于四分之一波長時，根據波導理論可以認為，在平面波作用下，縫隙中的波阻抗將大于自由空間波阻抗。在縫隙入口處由于波阻抗的突變而引起反射損耗。入射波通過縫隙時會發生反射損耗和傳輸損耗，從而產生屏蔽作用，縫隙中的電磁傳播過程既不同于金屬整體內部傳播，又不同于自由空間傳播。因此，它會造成帶有縫隙的金屬屏蔽體的屏蔽效能下降。

當金屬屏蔽體縫隙的縫長大約等于3倍金屬板的集膚深度時，縫隙的吸收損耗和金屬板的吸收損耗相等，縫隙基本上不降低屏蔽效能。若縫長大于3倍金屬板的集膚深度時，則縫隙屏蔽效能就會減小。

因此，為提高機箱的屏蔽效能，必須盡量減少結構上的電不連續性，以減小輻射泄漏。對于縫隙的處理可以采用以下幾種方法來提高屏蔽效能。

①增加縫隙的深度

殼體中活動端面的接合處存在著最常見的屏蔽體的縫隙，縫隙深度往往主要取決于屏蔽體的壁厚。若在連接處加上邊，不但增加接觸面、便于緊固，而且還增加了縫隙深度，這使吸收損耗增加，從而提高總的屏蔽效能。

②提高結合面加工精度

提高結合面的加工精度是減小縫隙的有效方法，但采用精密加工方法會使成本驟增，通常采用鑄造成型加工、端面磨平加工、電焊加工等可以取得較好效果。例如，為了提高屏蔽效能，現代的很多機載設備都采用整體精密鑄造和焊接的機箱。

③加裝導電襯墊

一般來說，用薄板材料以鈑金加工制成的屏蔽機箱，其接合面很難做到不留縫隙，因而只有通過在縫隙中加裝導電襯墊來提高屏蔽效能。

④在接縫處涂導電涂料

導電涂料流動性好，容易滲透進入接合表面以填補縫隙。使用導電涂料時，必須對接縫表面進行清理。

⑤增加接縫處的重疊尺寸

在使用螺釘或鉚釘緊固接合部位的許多縫隙中，縫長主要取決于螺釘或鉚釘的間距，因此調整緊固螺釘或鉚釘的間距可以改善屏蔽效果。兩個接合面的重疊是縫隙深度的主要決定因素，因此縫隙深度也是影響屏蔽效能的參量之一。重疊量越多，屏蔽效能就越好。在同樣重疊量情況下，在螺釘間距不變、縫長一定時，屏蔽效能隨頻率升高而下降。

⑥搭接處理

在機箱的縫隙和電不連續處，要做好搭接處理，保證縫隙兩側良好接觸。接縫應盡可能采用連續焊接，如條件受到限制，也應采用點焊、小間距鉚接或螺釘連接，在不加電磁襯墊時，螺釘間距應小于最高工作頻率對應波長的1/20。在接縫不平整、可移動面板等地方，最好使用電磁襯墊。

4 結束語

機箱的電磁屏蔽設計是機載設備電磁兼容性設計的重要內容之一，其屏蔽程度取決于結構材料的選擇和裝配中所用的設計技術兩個方面，設計者應在接縫、開口、穿透和對底板及機箱的搭接等方面多加考慮。總之，應在機箱設計階段將電磁兼容問題綜合考慮，以采取切實可行的具體措施，同時還應充分考慮電磁兼容設計措施的穩定性和持久性，避免由于這方面問題導致的返工和費用增加，為達到機載設備的設計效果奠定良好基礎。

[1]區健昌.電子設備的電磁兼容性設計理論與實踐 [M].北京：電子工業出版社，2010.

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