艦船控制機柜電磁兼容設計＊

閆 鵬

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著艦船武器裝備的發展，電子裝備越來越多，結構越來越緊湊，在這狹小的空間里面，相互之間的干擾會很嚴重，電子設備產生的電子輻射干擾或傳導干擾等會影響其他設備的正常工作。另一方面控制機柜功能要求越來越強大，機柜內部安裝大量高精度、高靈敏度電子器件。電子環境逐步惡化，因此電磁兼容性設計就顯得尤為重要，電磁兼容性設計還應在機柜結構與電氣設計之前開展并伴隨整個機柜的設計。

國軍標GJB72A－2002給出了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，即EMC）的概念：設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態[1]。包括以下兩個方面：

1）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現設計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；

2）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常的工作且不會給環境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾。

艦船控制機柜的電磁兼容的設計不僅要考慮機柜在特定的電磁環境中能否正常工作，還要考慮機柜對周圍電磁環境的影響[2]。電磁兼容性已成為當前機柜設計的重要的指標，本文從機柜結構與電氣設計上給出電磁兼容設計的幾種方法。

2 控制機柜

圖1 機柜結構示意圖

本艦船控制機柜采用31U標準機柜，機柜由機架和6個分機組成。機架由骨架、頂蓋板、側板、底座、背部和底部減震器等組成。機柜采取分機抽拉式結構，各分機為獨立機箱，分機與機架之間采用鋼制兩節滾動導軌、導向銷和六個松不脫螺釘互相連接，形成一個標準機柜。機柜結構示意圖如圖1所示。

自柜頂到機柜底座為1＃～6＃分機，其中1＃分機安裝鉸鏈式面板，拉出后可由上向下朝外翻轉，分機內部安裝標準6U加固機機箱，其它五個機箱為滑軌抽屜式機箱，帶有蓋板，面板與分機為一個整體。

3 機箱EMC設計

滑軌抽屜式機箱為拼裝式，由底板、側板、蓋板用螺釘拼接而成，如圖2所示。由于加工、裝配等原因，機箱結合面處會形成很多電氣不連續的縫隙，該縫隙是電磁泄漏的主要通道，使機箱的屏蔽效能大大的降低。

對于滑軌抽屜式機箱的電磁兼容性設計主要是針對機箱縫隙的電磁泄漏而采取的以下幾點措施：

1）提高結合面的光潔度，盡量減少結合面的縫隙；

2）利用屏蔽材料對縫隙處進行屏蔽，使結合面具有良好的電氣連續性。在本機箱的設計中，在機箱的各結合面設計密封凹槽，在凹槽中填充金屬絲網包裹的導電橡膠，保證各側板的電氣連續性，減少縫隙電磁泄漏；

圖2 滑軌抽屜式機箱結構示意圖

3）在機箱面板與機柜的結合處設計密封凹槽，在凹槽中填充金屬絲網包裹的導電橡膠，保證機柜與機箱的電氣連續性，減少縫隙電磁泄漏；

4）機箱具備良好的接地。

1＃分機是帶安裝鉸鏈式面板的加固機，加固機里裝有大功率的開關電源、電路板、敏感電子元器件等。加固機結構示意圖如圖3所示。

圖3 加固機結構示意圖

針對加固機安裝有開關電源、電路板、敏感電子元器件采取了以下幾點電磁兼容設計。

1）加固機采取整體密封設計；

2）加固機內部安裝電源濾波器，在AC220V輸入電源線上接入專用的電源EMI（電磁干擾）濾波器，可以有效的抑制電源線上的傳導干擾；

3）如圖3所示，在加固機內部設計了一個擋板，將加固機分成兩個獨立密封的兩個腔，左邊安裝電源模塊，右邊安裝電路板，將干擾源與敏感器件分開；

圖4 電源模塊和電路板示意圖

4）在加固機的接縫處使用帶屏蔽網的導電橡膠；

5）電源模塊和電路板使用單獨的屏蔽盒進行屏蔽，屏蔽盒設計成迷宮多腔結構，不同敏感級別的元器件分腔放置，電源模塊和電路板如圖4所示。

4 機柜EMC設計

控制機柜整體作為一臺設備，由各分機和柜體組成，所以機柜的EMC設計既包括分機的EMC設計，也包括柜體的EMC設計。以下就從機柜的面板指示燈和開關開孔、通風口、觀察窗、機柜走線與接地、連接器的安裝等方面詳細介紹機柜EMC設計。

圖5 指示燈屏蔽設計示意圖

在機柜的面板上需要安裝一些指示燈、開關、保險等，因此在面板上加工對應的安裝孔。這些開孔安裝指示燈、開關、保險后可能造成電氣上的不連續性，安裝設備后存在縫隙，易造成電磁泄漏。設計中在機柜內部加裝屏蔽罩將指示燈、開關、保險等暴露在機柜外部的部分罩住，并在其與機柜結合部加裝導電襯墊，以減小縫隙和改善電接觸。引出線上加裝小型焊接型濾波電容（穿心電容），使引線所感應的干擾信號被旁路接地實現機柜電氣上的連續性[3]，如圖5所示。

機柜里安裝有大功率模塊，需用通過風冷對這些模塊進行散熱，在機柜底部和背部設計的有進、出風口。通風口一般采用開圓孔或百葉窗，雖然能夠滿足通風的需要，但此舉破壞了機柜整體的屏蔽性，通風口是電磁干擾的主要泄露部位。必須在通風口安裝電磁防護罩，由此提供射頻衰減，又不妨礙通風的要求。本機柜利用波導管的截止頻率特性，在機柜的通風口安裝通風蜂窩板，以解決屏蔽和通風散熱的問題，機柜出風口蜂窩板和截止波導蜂窩孔如圖6、7所示。

圖6 風口蜂窩板示意圖

圖7 截止波導蜂窩孔示意圖

給定了六角形波導內壁外接圓的直徑W（cm），可由式（1）算出蜂窩孔的截止頻率為

計算出蜂窩孔的截止頻率后，可由式（2）算出整個蜂窩板在各個頻率下的屏蔽效能，式（2）中f為電磁波頻率（Hz），L為波導長度（cm），SE為屏蔽效能（dB），n為波導個數（孔數）。

由式（2）可以看出，在蜂窩板厚度不變的情況下，蜂窩板面積越大，波導孔越多，屏蔽效能越不好[4]。

機柜內部的走線、接地、連接器的安裝、觀察窗的EMC設計對抑制各種耦合、串擾等有很大好處。本機柜在這些方面主要采取了如下措施：

1）機柜中各種裸露走線盡可能短；

2）模擬信號線、數字信號線、電源線應分組捆扎，并保持適當的距離；

3）對于信號線（如串口、網絡）將進線與回線絞合在一起形成雙絞線；

4）對于輻射干擾較大的和敏感線路導線應加以屏蔽；

5）對于外部進入到機柜的電纜應確保電纜屏蔽層與機柜柜體良好的接觸；

6）采用模擬地、數字地、機殼地三套系統，并貫徹到電路板、分機、機柜；

7）連接器安裝處不涂油漆，加裝導電襯墊，應使電纜屏蔽層與連接器插頭尾夾良好接觸；

8）觀察窗選用EMC導電玻璃，在導電玻璃的四周涂上導電膠，使其與面板粘貼，通過鋁合金壓板將屏蔽玻璃的導電層與前面板緊固。

5 結語

機柜的電磁兼容是一個比較復雜的問題，在實際工程中有很多不確定的因素，很難對其進行定量的計算，因此EMC設計要伴隨機柜整個設計過程。文章從多個方面給出了EMC的設計方法，經過試驗證明，這些方法都可有效地抑制和減少電磁干擾，機柜的EMC性能滿足GJB151A－97中規定的部分項目的要求。

[1]GJB72A－2002，電磁干擾和電磁兼容性術語 [S].

[2]GJB151A－1997，軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S].

[3]呂仁清，蔣興權.電磁兼容結構設計[M].南京：東南大學出版社，1990：25－27.

[4]王定華.電磁兼容原理與設計[M].成都：電子科技大學出版社，1995：88－90.