關于艦載電子設備電纜布線設計問題的探討

【摘要】介紹了艦載電子設備中電纜布線設計技術及其基本原則。論述了艦載電子設備中電纜布線設計與電磁兼容之間的關系，以及電纜布線設計與電纜布線施工一致性的關系。提出了艦載電子設備電纜布線設計的基本方法，并提出了通過電纜布線設計解決電磁兼容問題的方法。

【關鍵詞】艦載設備；電子設備；電纜布線；電磁兼容

1.引言

艦船電子設備是艦船眾多設備中的重要設備。艦船電子設備在艦船中發揮著重用?，F在的艦船電子技術發展十分迅速，以前采用的機械控制機構，很多都已經改成了電氣機械的控制系統。同時，艦船電子設備線纜所傳送的信號越來越多，頻率也越來越高，消耗的功率就越來越大。我們知道，現代艦船電子設備使用的電磁環境頻率十分復雜，各種設備都工作在復雜的電磁環境中，所以必須采用必要的措施，以保證艦載電子設備的正常運行。

艦載電子設備的各種電子部件主要有顯示模塊、操控模塊、電源模塊、機箱底板、各種插件板、變壓器、濾波器、阻容元件等。電纜布線設計，要完成電子設備中各種部件、插件、元件間的合理布線，保證布線位置與結構的合理，實現設備各種部件、插件、元件之間的電連接，并達到設備的電氣、電磁兼容等性能指標。通常，由布線所形成的分布電容和雜散電磁場的分布情況十分復雜，同時由于噪聲干擾的隨機性，所以很難通過特定的公式計算，來得到最佳的布線方案。電纜布線的合理性，在很大程度上取決于經驗的總結和實驗方法的驗證。

2.關于電纜布線設計的問題

印刷電路板（PCB）的設計，要經過原理圖設計和電路板布線設計。印刷電路板生產廠，根據電路板布線設計進行生產。同樣，電子設備電氣系統的設計，也要經過原理圖設計和電纜布線設計。電纜布線設計是為電氣系統制造做的準備工作，工人根據布線設計對電氣系統的電纜布線進行施工。

由于電纜是屬于機械電氣類的產品，在處理設計問題時，必須兼有電子技術與機械技術兩方面的專業特點。電纜布線設計需要將電氣技術、機械技術、制造技術的有關內容結合起來進行綜合考慮。電纜布線設計的要求比較高，布線設計人員必須熟悉電氣技術（尤其是電磁兼容）、機械技術、制造技術。

電氣人員，對設備、元件、電纜、信號的電氣性能很了解，但由于導線可能穿越多個空間，需要不同的固定和安裝方式，同時設備內部空間結構復雜，電氣人員很難完成機械上的設計任務。機械人員可以設計電纜的固定和安裝方式，設計電纜的分布和布局，但機械人員很難完成電纜的電氣、電磁兼容設計。例如，確定哪些電纜和導線可以捆扎在一起形成線扎（或線束），并合理的分布線扎，保證線扎間的電磁兼容性能。

電纜布線設計主要包括：①電纜和線扎的設計；②電纜的空間布局設計。電纜布線設計可以簡單概括為：①電纜和線扎包括哪些導線，它們相互之間的電氣、電磁兼容性能如何解決；②電纜和線扎在設備內部如何分布、安裝和固定。

完成了電氣系統的邏輯原理圖設計之后，就可以進行電纜和線扎的設計了。在設計過程的這個階段，需要確定將哪些導線組合在一起，形成電纜；需要確定將哪些導線、電纜綁扎在一起，形成線扎。并且對所有的電纜和線扎進行拓撲描述，以便電纜空間布局設計工程師能夠利用這些拓撲描述，確定這些導線、電纜與線扎的最終性能要求。同時工程師還必須確定連接線的線徑規格，估算每一根導線和電纜的長度，并且確定在什么地方安置濾波器和連接器等。

對于每一個電纜或線扎，工程師必須做出一個2維的設計圖，通常稱作線扎圖。線扎圖是表示多根導線和/或電纜綁扎或粘合在一起的圖樣。對于有特殊要求的線扎，可以采用旁注加以說明，例如采用“技術要求”的方式加以說明。線扎圖中的線扎有結構式和圖例式兩種表示方式。

電子設備的各類導線集中在設備內部，這些導線會互相干擾，影響整機的電氣性能，甚至影響一起工作的其它設備的整機性能。所以，要盡可能排除各種干擾，合理、有效地利用設備內有限的空間，對電纜和線扎進行精心的設計。電纜和線扎設計時，應按導線信號的電壓、電流、頻率等類型分類捆扎，盡量防止線間耦合串擾，同時要考慮設備的可靠性和可維修性，考慮布線的美觀性。

電纜和線扎的設計，應盡量選擇專業生產廠制造的電纜，避免工人手工制作電纜。專業生產廠有專用的生產設備和檢測設備保障，并有成熟的生產工藝，能夠滿足不同的電氣、電磁等要求，符合國際組織的各種標準。手工制作的電纜很難達到專業生產廠水平，特別是電磁兼容方面，電纜的性能沒有可靠的保證，差別也比較大。對特殊要求的電纜，可以提出具體的技術參數，在專業電纜生產廠定制生產。

電氣系統內部各功能模塊之間需要相互通信，所敷設的電纜（線扎）電壓不同、電流不同、頻率不同，這些電纜的相互位置，以及走向都將對設備整體的電磁兼容性能產生影響。由于電纜總是有一定的長度，部分電纜的電流很大，有的電纜信號十分敏感，因此電纜比PCB、機箱或其它結構件更容易導致電磁兼容問題?？梢哉f，大部分的電磁兼容問題是電纜引起的，所以，必須對電纜和線扎進行合理、有效的空間布局設計。

完成了電纜和線扎的設計，就可以進行電纜的空間布局設計了，也就是根據電纜和線扎必要數據，結合設備內部空間，進行電纜的合理布局，滿足電氣、電磁兼容設計的要求。在這個階段，電纜布線設計工程師將決定每一根電纜、線扎的精確長度，決定電纜和線扎的精確位置，決定連接器與緊固裝置的具體位置。

電纜布線設計工程師，將有關電氣系統電纜和線扎的信息，加以分類、整理。根據這些信息，電纜布線設計工程師更新每一個線扎的設計圖紙——線扎圖，明確線扎的長度、方向、折彎角度等數據，更新電氣系統的電纜和線扎在固定、安裝過程中所需要的輔助零件清單。在此基礎上，生成制造模板所需要的設計圖紙與技術規格要求，這些模板都是在裝配每個電纜、線扎時所需要使用的。

電纜空間布局設計是很重要的一項工作，是明確電纜和線扎的空間位置、布局，明確電纜和線扎的相對位置的。在進行電纜空間布局設計時，不能簡單地按照布線原則，將不同電壓、不同電流、不同頻率的信號電纜分開敷設，必須根據電子設備內不同信號電纜的干擾特性，在理論計算和實驗的基礎上，總結設備內不同信號電纜的布局方法，減少相互干擾。

3.電纜布線設計與電纜布線施工一致性的關系

電子設備的電氣系統，在電氣性能要求越來越高的情況下，電磁兼容性要求也越來越高。電纜布線施工的差異，不僅僅是外觀上的不同，布線的不同導致同一類設備的電磁兼容性能差別很大，影響設備的整機性能。

在生產中經常存在如下情況，機柜、加固機、插件、電源等電子設備的結構件，經常多次重復投產，有時用先進的加工中心加工，有時用普通機床手工加工，但每次生產的合格產品，都保持一致。同時，電子設備的電纜布線，經常是不同時期的產品布線不同，不同操作者加工的產品布線不同。為什么同樣的制造部門，加工的產品，在一致性上存在這么大的差別？

對于機械類零件，不同操作者在加工零件時，是按照零件圖（或裝配圖）施工，圖紙上明確標注了零件的尺寸、公差、粗糙度、涂覆面、孔的配合關系等。所以，加工機械類零件時，無論是高級工還是中級工，無論是先進的加工中心還是普通機床，只要按圖施工，產品都是一致的。

對于電氣裝配，多年來，傳統的電子設備電氣總裝設計，通常只有一份接線圖和接線表，這只相當于完成了電氣系統的邏輯原理圖設計。接線圖和接線表在布線設計方面常會發生無電纜、無線扎、無布線設計等問題。

從上面的分析可以看出，電纜布線設計是電纜布線施工一致的前提和保證，單純采取工藝方法是無法保證電纜布線施工一致性的。需要保證電纜布線一致的設備，尤其是電磁兼容性能要求高的設備，必須進行電纜布線設計。事實上，即便是有經驗的不同布線工程師，對同一臺電子設備進行電纜布線設計，也絕對不會完全相同。

4.艦載電子設備電纜布線設計的方法

從抗干擾的角度考慮，合理的布線就是要設法減小電路中的分布電容、雜散電感，把由此產生的雜散電磁場減到最小的程度。合理布線的另一個目的是合理布置電路的回路途徑和環路面積，使之控制在人們需要的范圍之內。

對于艦載電子設備而言，電纜布線設計與電路設計同樣重要，合理、有效的電纜布線設計，是電氣系統電磁兼容性能在布線方面的保證，是不可回避的設計工作。我們必須對電纜布線設計給予足夠的重視，否則，當設備裝配完工，再考慮上述問題，就為時已晚。有時即使采取了一些措施予以補救，也要付出很大的代價，甚至根本不能解決由電纜布線導致的電磁兼容問題。

（1）進行電纜和線扎的設計

在這個設計過程，要根據電纜和線扎的設計原則，明確電纜和線扎的各種參數，并對電纜和線扎進行拓撲描述，生成“線扎圖”，從而徹底避免電裝設計中的“無電纜、無線扎”現象。同時，配合電磁兼容等實驗，逐步修改、完善設備的“線扎圖”，并建立“線扎圖模板”。

（2）進行電纜的空間布局設計

電纜的空間布局設計，工作量比較大，對設計者來說知識面要求比較寬，需要將電氣技術、機械技術和制造技術的有關內容結合起來考慮，一般人員短期內很難達到比較高的設計水平。因此，工作人員必須不斷擴展知識面，熟悉上述專業的知識，熟練掌握電纜布線軟件，全面提高設計水平。

電纜的空間布局設計，應根據電纜空間布局設計原則，使用電纜布線軟件，生成“電纜空間布局圖”，解決電子設備電氣裝配設計中的“無布線設計”問題。同時，配合電磁兼容等實驗，逐步修改、完善設備的“電纜空間布局圖”，并建立“電纜空間布局圖模板”。

（3）電纜布線設計的溝通

要完成電纜布線設計，電纜布線設計工程師必須做到電氣設計、機械設計、制造技術的有效溝通（單/雙向），有效的溝通是電纜布線設計的保障。各專業人員的溝通，應以文件和圖紙的形式進行溝通，圖紙和文件必須采用相同的標準。

通過分析可知，電纜布線設計工程師不只需要有相當的機械設計、電氣設計和制造技術水平，更重要的是和上述工程師進行有效的溝通。電氣、機械、工藝工程師對自己負責的產品進行電纜布線設計，能夠及時修改相關設計，極大地提高設計水平，提高電纜布線的合理性；并且，可以減少設計的中間環節，減少各專業工程師與電纜布線工程師的溝通，使溝通、協調更順暢。

只有在“電纜空間布局圖模板”比較豐富，設備可以參照模板進行設計的情況下，電氣、機械、工藝工程師才能在熟悉電纜布線軟件的基礎上，對模板修改和完善，進行“參考設計”，達到電纜空間布局設計的要求。這種參照模板的“參考設計”與真正的電纜空間布局設計還有很大差距，但可以在相類似電子設備的布線設計中采用，縮短設計周期。

5.結束語

通過對電纜布線的合理設計，可以解決電纜布線導致的電磁兼容問題。在電子設備的導線選用、器件選擇、接地設計、屏蔽設計等方面，滿足設計和工作要求的情況下，如果對設備進行了全面的電纜布線設計，就可以使絕大部分設備，在出廠時，電磁兼容性能就達到要求，從而徹底解決由電纜布線導致的電磁兼容問題。

作者簡介：易書琴（1983—），大學本科，現供職于中國船舶重工集團公司第七一○研究所，從事艦載設備電子對抗方面工作。