抗核電磁脈沖電纜的屏蔽研制

宋守清， 李才有

(1.沈陽電纜有限責任公司，遼寧沈陽110115;2.安徽宏源特種電纜集團有限公司，安徽蕪湖238371)

0 引言

隨著電子科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電子對抗和信息對抗正成為決定成敗的關鍵因素，現(xiàn)代化的特殊裝備系統(tǒng)都應用了微電子程控，而微電子程控系統(tǒng)極易受到外部強電磁場干擾沖擊，所以系統(tǒng)的電磁防護尤為重要，關系到系統(tǒng)的安全。現(xiàn)代最具威懾力的戰(zhàn)略武器就是核武器所產生的高能量脈沖電磁場，核武器爆炸時有相當一部分能量以電磁脈沖的形式釋放，特別是第三代核武器，會產生更強的電磁脈沖，提高幅度為40%，以摧毀對方的指揮、控制、通訊、信息情報系統(tǒng)，抗電磁脈沖電纜就是根據(jù)特殊系統(tǒng)電磁脈沖防護的需要而研制的。

1 抗核電磁脈沖電纜屏蔽要求

(1)屏蔽效能。電磁脈沖強度50000 V/m，頻率0～100 MHz，屏蔽效能不小于70 dB。

(2)電纜有柔韌性要求，故需要采用柔性屏蔽結構。

2 柔性屏蔽結構與屏蔽效能分析

常見的柔性屏蔽結構有:金屬編織屏蔽、金屬薄膜包容屏蔽、金屬編織與金屬薄膜包容混合屏蔽。

2.1 金屬編織屏蔽

編織屏蔽的屏蔽效能與編織密度、編織角、編織絲直徑、材質、編織層數(shù)有關。

2.1.1 單層金屬編織屏蔽效能

圖1 給出了編織密度相同、編織角不同時的屏蔽效能的比較。從圖1可看出，低頻時屏效較大，隨頻率增高，其值近似不變，這是因為低頻屏效主要取決于屏蔽層的直流電阻;而在高頻時由于孔縫泄漏的影響增大，導致屏效急劇降低。另外還可以看出，編織角越大，屏效越高［1］。

圖2 給出了編織角相同、編織密度不同時的屏蔽效能的比較。從圖2可看出，編織密度增加可提高屏蔽效能，但密度太高會導致電纜很硬，其機械性能就變得很差，因此編織密度必須控制在一定范圍之內［1］。

2.1.2 多層金屬編織的屏蔽效能

圖3 給出了37%單層編織、87%單層編織、37%雙層編織、87%雙層編織四種屏蔽電纜的屏蔽效能比較。從圖3中可以看出，雖然采用了雙層屏蔽，但高頻時的屏蔽效能仍呈下降趨勢，這說明提高高頻時的屏蔽效能，僅僅增加編織密度及層數(shù)，并不能從根本上解決問題［1］。

編織絲徑越大、編織絲材質導電率越好、編織層數(shù)越多，屏蔽效能就越高［2］。

圖1 編織角不同的單層編織屏蔽的頻率與屏效關系

圖2 編織密度不同的單層編織屏蔽屏效隨頻率變化的關系

圖3 單層和多層編織屏蔽的屏效隨頻率變化的關系

2.2 金屬薄膜包容型屏蔽

金屬薄膜包容屏蔽的屏效與頻率、金屬薄膜材質、厚度、層數(shù)有關。

金屬薄膜包容屏蔽結構不同于編織屏蔽結構，因沒有孔縫，不存在孔縫屏蔽泄漏。以無限大的金屬屏蔽板為例，當金屬屏蔽板厚度大于集膚深度，入射波垂直于入射的橫電磁波，根據(jù)謝昆諾夫的屏蔽傳輸線原理，金屬屏蔽板的屏蔽效能SE為金屬屏蔽板的吸收損耗A、金屬屏蔽板表面反射損耗R和金屬屏蔽板內部多次反射損耗B的總和，即:SE=A+R+B。

吸收損耗A是屏蔽材料中電偶極子和磁偶極子與電磁場作用的結果，大小與頻率、屏蔽層厚度、電導率和磁導率有關，其值越大吸收損耗A越大，所以采用電導率和磁導率高的金屬材料可以增加吸收損耗，比如電導率優(yōu)良的非磁性材料銅、鋁等，磁導率較高的磁性材料鐵、坡莫合金等。

反射損耗R是由空間阻抗和屏蔽層的固有阻抗之間不匹配引起的。其大小與頻率、電導率和磁導率有關，頻率和電導率的值越大、磁導率值越小則反射損耗R越大。

多次反射損耗B是由于透射波通過內部衰減后，又碰到屏蔽層的另一側并在該側上進行反射和透射，其反射波又多次反射，使能量迅速衰減。對于屏蔽層較厚(A＞10 dB)，電場為近區(qū)電場或平面波電場均可以不考慮B的大小［3］。

包容屏蔽層的厚度越大屏效也越好，但會使電纜硬度越大，因電纜有柔韌性要求，故采用0.02～0.05 mm的金屬薄膜效果較好。

當包容屏蔽層較薄時，屏效主要體現(xiàn)在反射損耗上，表1給出了銅塑復合薄膜不同銅箔厚度的屏蔽效能的測量值［2］。從表1中可以看出，金屬薄膜包容屏蔽的反射損耗較大，在屏蔽效能中占有很大比例，且反射損耗在同頻率下與厚度基本無關，所以采用金屬薄膜包容屏蔽是利用反射損耗高的性質。

表1 不同厚度銅箔在不同頻率下的屏蔽效能

要提高反射損耗，可選用電導率高、磁導率低的金屬材料。非磁性材料銅、鋁具有很高的電導率和較低的磁導率，是很好的應用材料。如果有條件，在其上鍍一層很薄的銀層效果會更好。

2.3 金屬編織與金屬薄膜包容混合屏蔽

圖4 給出了金屬編織屏蔽、金屬薄膜包容型屏蔽、金屬編織與金屬薄膜包容混合屏蔽(以下簡稱混合屏蔽)的屏效比較。

圖4 編織、包容、混合屏蔽的屏效隨頻率變化的關系

從圖4中可以看出，混合屏蔽電纜的屏效在低頻時主要取決于編織層的性能，這是因為實際電纜的鋁箔厚度很薄，只有10 μm左右，而編織單線半徑為0.15 mm，遠遠大于鋁箔的厚度，而直流阻抗又取決于屏蔽層的厚度。高頻時，由于屏效取決于抑制縫隙的泄漏，因此起主要作用的是包容屏蔽層。屏蔽層越多屏蔽效能也就越高。由此可見，對于要求高的電纜，必須采用多層混合屏蔽，這樣才能從根本上解決高頻對屏蔽效能低的問題［1］。

3 抗核電磁脈沖電纜屏蔽設計

從以上對編織、金屬薄膜包容以及混合屏蔽的屏效分析可知:在0～100 MHz頻率范圍內，若達到屏效不小于70 dB的要求，單純的單層或多層編織屏蔽在低頻段可以滿足屏效要求，而在高頻段很難滿足要求，如果靠增加層數(shù)提高在高頻段的屏效，屏蔽層厚度、電纜外徑和重量都會加大;單純的多層金屬薄膜包容屏蔽如果層數(shù)夠用，可以滿足屏效要求，但完全靠增加層數(shù)提高屏效，有可能會使屏蔽層硬度偏大;混合屏蔽是編織和金屬薄膜包容屏蔽的組合，如果設計得合理，可以達到既保證電纜的柔韌性、又可有效提高屏效的目的。

采用混合屏蔽，其中的編織屏蔽即使是單層，若材料、編織密度適當，仍可滿足低頻段的屏效要求，所以在混合屏蔽中只設計了一層編織屏蔽。編織屏蔽在高頻段也具有一定的屏效，在此基礎上，再采用金屬薄膜包容屏蔽，并合理設計層數(shù)和選擇材料，可以達到高頻段的屏效要求。

研制分兩個階段，第一階段我們將三種混合屏蔽委托中國人民解放軍理工大學工程兵學院國防工程電磁脈沖防護測試研究中心檢測，屏效較低。第二階段，通過總結經(jīng)驗，并進行了設計改進，再經(jīng)檢測，二種混合屏蔽的其中一種達到了要求。

第一階段三個樣品，電纜L1屏蔽結構為:2層銅塑復合薄膜+1層鍍銀銅絲編織(密度90%);電纜L2屏蔽結構為:1層低碳鋼絲繞包屏蔽(繞包覆蓋率95%)+1層鍍鋅鋼帶繞包(繞包覆蓋率30%以上);電纜L3屏蔽結構為:2層低碳鋼絲繞包屏蔽(繞包覆蓋率100%)+1層銅塑復合薄膜。測試結果如圖5 所示［4］。

圖5 第一階段設計的三種不同混合屏蔽的頻率與屏效關系

從圖5中可以看出，電纜L3屏蔽效能相對最好，2層低碳鋼絲繞包屏蔽，厚度較大、覆蓋率高，再加上1層銅塑復合薄膜，兩種磁性材料和非磁性材料的組合，屏蔽性能較好，但還達不到70 dB的要求;電纜L2屏蔽效能最差，1層低碳鋼絲繞包屏蔽，覆蓋率稍差，1層鍍鋅鋼帶繞包，總厚度較薄，而且都是磁性材料，所以屏蔽性能較低;電纜L1屏蔽效能居中，2層銅帶和1層鍍銀銅絲編織，總厚度較厚，但鍍銀銅絲編織覆蓋率稍差，屏蔽材料都是非磁性材料，所以總體屏蔽效果不如L3電纜。

第二階段二個樣品，電纜B1屏蔽結構為:2層非磁性金屬箔+1層磁性金屬絲繞包(密度95%)+1層非磁性金屬絲編織(密度90%)。電纜B2屏蔽結構為:3層非磁性金屬箔+1層磁性金屬箔+1層非磁性金屬絲編織(密度93%)。測試結果如圖6、圖 7 所示［5］。

圖6 第二階段設計的電纜B1頻率與屏效關系

圖7 第二階段設計的電纜B2頻率與屏效關系

從圖6、圖7中可以看出，電纜B1最低屏效在66.8 dB，電纜B2最低屏效在72.2 dB，從兩種屏蔽結構上看，電纜B2雖然比B1多一層金屬箔(金屬箔厚度很小，實際只有0.03 mm，屏蔽總厚度基本相等)，屏效已達到了要求。電纜B2的組合屏蔽層數(shù)較多，屏蔽的反射作用較大，并且一層覆蓋率較低的編織結構，屏蔽泄漏比電纜B1要小，屏蔽效能相對較高。

電纜B2屏蔽效能原理圖如圖8所示。在圖8中，WP為干擾電磁場的入射能量;W1為護套和最外層屏蔽分界面對干擾電磁場反射衰減后的能量;W2、W3、W4、W5分別為干擾電磁場通過每層屏蔽后衰減剩余的能量;WC為干擾電磁場通過最后一層屏蔽后衰減最終剩余的能量。5層屏蔽中只有一層是編織結構，雖然編織密度較差，因其厚度相對較大，在低頻段起主要屏蔽作用;其它4層包容屏蔽結構，在高頻段起主要屏蔽作用，并通過對不同材質、不同阻抗特性的合理設計，使其形成6個屏蔽反射界面，有效地提高了高頻段的屏效。從圖7中可以看出，電纜B2混合屏蔽層的屏蔽效能在100 MHz頻率范圍內比較平穩(wěn)，72.2 dB是100 MHz頻率范圍屏蔽效能的最低點，說明了電纜B2的屏蔽性能及結構設計完全能夠滿足抗核電磁脈沖電纜的要求。

4 抗核電磁脈沖電纜屏蔽加工工藝

抗核電磁脈沖電纜的組合屏蔽的層數(shù)較多，對電纜的柔軟性影響較大。對屏蔽制造工藝進行合理控制，減小屏蔽層在彎曲時所產生的應力，可有效地提高電纜的柔軟性。

4.1 編織屏蔽工藝

圖8 電纜B2屏蔽效能原理圖

研制過程中在編織屏蔽工藝上作了多方面的考慮，主要目的是解決編織屏蔽結構對電纜柔軟性的影響。編織層過緊，電纜的柔軟性會明顯降低;屏蔽層過松，編織結構不穩(wěn)定，無法保證屏蔽效果。

編織結構的松緊程度與編織股線的張力、編織角度、設備的受控能力有關。我們根據(jù)編織屏蔽的松緊對電纜柔軟性的影響程度，確定了合理的工藝參數(shù)，并在生產工藝過程中加以嚴格控制，使編織層的松緊程度適當，使電纜彎曲時產生的應力較小，并不影響其結構的穩(wěn)定，電纜的柔軟性得到了有效的改善。

4.2 金屬薄膜包容屏蔽工藝

金屬薄膜包容屏蔽同樣對電纜柔軟性有影響，包容屏蔽的工藝特點與編織屏蔽區(qū)別較大。

編織屏蔽層是由多根圓金屬線交錯繞包在纜芯上，當電纜彎曲時組成屏蔽層的多根圓金屬線隨應力的變化可以有一定的相對位置的改變，柔軟性較好。

金屬薄膜包容屏蔽若要在彎曲時具有較好的柔軟性會比編織屏蔽困難得多，因采用金屬薄帶重疊繞包，重疊螺旋形成一個管筒狀屏蔽層，可彎曲性比編織屏蔽結構要差得多。

金屬薄膜包容屏蔽可彎曲性與繞包帶的張力、寬度、重疊率有關。纜芯直徑越小、帶越寬、重疊率越高，電纜柔軟性就越差;反之，則柔軟性越好。

屏蔽帶寬度應適當，繞包重疊率應不超過50%，當電纜彎曲時，彎曲的外圈屏蔽帶重疊減小，當電纜彎曲到允許的最小半徑時，應保證有重疊，不應有縫隙。根據(jù)纜芯直徑選擇帶寬，在保證電纜彎曲到允許的最小半徑時無縫隙的前提下、盡可能減小帶寬，使電纜柔軟。

同時繞包張力應適當，張力過大，電纜柔軟性差，張力過小，屏蔽結構不穩(wěn)定，工藝過程中屏蔽帶層與層之間容易產生縫隙、皺褶、表面不平整、外徑不均勻等缺陷，影響屏蔽性能。我們在工藝上對繞包張力加以嚴格控制，繞包設備采用了計算機伺服控制恒張力，使屏蔽層松緊適當，有效提高了電纜的柔軟性。

5 結束語

采用金屬編織與金屬薄膜包容的混合屏蔽，經(jīng)過合理的設計，抗核電磁脈沖電纜達到了屏效不小于70 dB的要求。在制造過程中采用了最佳的工藝參數(shù)和控制手段，使電纜具有較好的柔軟性，利于野戰(zhàn)機動靈活的使用方式。

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［4］多芯屏蔽電纜屏蔽效能測試報告(編號:LXP－2009－008)［R］.中國人民解放軍國防工程電磁脈沖防護測試研究中心，2009.

［5］多芯屏蔽電纜屏蔽效能測試報告(編號:LXP－2009－014)［R］.中國人民解放軍國防工程電磁脈沖防護測試研究中心，2009.

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