論探測器信號屏蔽層接地的可靠性

周亞芳

（中國空空導彈研究院，河南洛陽，471000）

0 引言

通信電路電氣噪聲的降低依賴于整個通信設施各信號接地點與系統地的接地阻抗的減小。這將使各通信電路之間存在的電位差最小，從而防止噪聲源把噪聲引導至通信電路中。怎樣接地才能達到最佳效果，本文依托探測器信號的接地方式論證小信號屏蔽層通過螺紋咬合接地的不可靠性，并采用零件的轉化處理達到接地的穩定性。

1 探測器信號的接地

如圖1 所示，探測器屏蔽導線的屏蔽層焊接在模塊的金屬殼體凸起上，芯線通過凸起的中心孔穿入模塊殼體內部，屏蔽導線的屏蔽層與模塊殼體無縫連接，實現了導線的全段屏蔽。模塊通過兩個固定在骨架上的安裝凸臺固定在骨架上。屏蔽層接通過兩次金屬材料的轉接，與骨架相連，骨架與大地相連，探測器信號線屏蔽層實現了接地。

圖1 屏蔽層接地

從理論上看小信號傳輸路徑上有效的降低了電磁干擾，但產品裝配完成后測試時發現10%產品信號噪聲非常大，其噪聲的幅值接近于200mV，有效信號幅值為500mV，有效信號被噪聲淹沒。

2 原因分析

■2.1 電磁干擾的要素

電磁干擾的形成必須同時具備以下3 個因素：由電磁干擾源發出的電磁能量，經過某種耦合通道傳輸至敏感設備，導致敏感設備岀現某種形式的響應并產生效果。這一作用過程及其效果，稱為電磁干擾效應。

通常將這3 個因素稱為電磁干擾三要素，為了消除電磁干擾的這三個要素，采用方法主要有：（1）降低干擾信號源的電平；（2）降低感受器的敏感性；（3）增加干擾源到感受器之間干擾傳播途徑衰減。

■2.2 原因排查

無論是對干擾源還是對感受器進行電磁屏蔽，都可以有效的衰減由電磁場引起的輻射干擾信號，感受器探測器是金屬封裝的，其屏蔽性能良好，單獨測量均未出現干擾大的情況，干擾源模塊已經整體用金屬外殼封裝，其它器件與探測器沒有直接電氣互聯，噪聲最大的電源模塊也為金屬封裝，而探測器輸出的信號為毫伏級的微弱信號，當外界存在交變的強磁場時，會使探測器引線感應的電信號與探測信號相當，從而表現出測試時噪聲大，經用高斯計測試現場環境，在探測信號噪聲偏大時，未發現現場存在強磁場的情況，為此確定感受器及干擾源不是引起噪聲大的原因。

探測器引線連接探測器與模塊，實現信號傳輸，其電纜采用的是屏蔽導線 屏蔽層的屏蔽效能取決于金屬的導電率、編織層內線股之間的接觸電阻、編織的角度和類型、線股的尺寸、屏蔽層覆蓋率以及孔眼的尺寸等，此為低頻信號，屏蔽材料為銅線編織網，理論上能實現屏蔽，導線屏蔽效能的降低，往往不是材料本身屏蔽性能不夠，而是屏蔽的不連續性及接地不良造成。

屏蔽層與導線分離后導線通過模塊金屬殼體凸起的過線孔進行模塊內部焊接，屏蔽層直接焊接在模塊金屬殼體提起上，電纜全段處于屏蔽狀態，所以電纜的屏蔽是連續的。

在屏蔽層上引一根地線與系統地相連，噪聲消失，因此認為此故障為探測信號傳輸線路屏蔽層接地不良造成。

屏蔽層的接地對屏蔽效能非常關鍵，當接地不良時，屏蔽層也會耦合電磁噪聲，比如電纜上的脈沖信號會在沒有接地的屏蔽層上形成環形電流，并導致屏蔽層不同點電勢差異，引起噪聲傳遞。再比如外部的電磁波會在沒有接地的屏蔽層上傳播（就和天線一樣），所以需要接地，接地的目的就是讓屏蔽層感應的信號有低阻抗的通道導走。

而接地又分子系統地與系統地，從定義上來說，電路或系統的零電位參考點，直流電壓的零電位點或者零電位面，這時的這個地不一定為實際的大地（建筑地面），它是設備的外殼或其他金屬板或金屬帶、金屬線。接地平面應采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現低阻抗。此產品的子系統的地為模塊金屬殼體，系統地為金屬骨架，滿足作為接地平面的要求。

產品的屏蔽層直接連接在模塊的金屬外殼上，設計的接地方法是合理的，用低阻表測量屏蔽層與模塊殼體之間阻值都在10mΩ 以下，說明焊接無問題，產品模塊與探測器共地，對系統來說，需進一步檢查此地是否與整機系統共地。

系統地為金屬骨架，用低阻表測量整機金屬骨架與屏蔽層之間的阻值，發現系統噪聲小的阻值均在10mΩ 以下，而系統噪聲不佳的產品阻值達到了0.5Ω、5Ω、十幾Ω 等，進一步檢查金屬殼體與骨架之間阻值，發現最大有十幾Ω，接地不良。

為此接地回路存在大的干擾，任何地線既有電阻又有電抗，當有電流通過時，地線上產生壓降，兩個不同接地點之間必然存在地電壓，整個系統存在多個子系統，所有的子系統地都是通過這種方式與整機系統接地，而各電路間又有信號線聯系時將構成地環路，產生共模電流并在負載兩端產生差模電壓，對有用信號構成騷擾。

理想的接地回路應為零阻抗，使其不形成地電流回路，避免使電路、設備受磁場和地電位差的影響，設計之初從原理上，探測器屏蔽地焊接在預處理模塊外殼，信息處理模塊殼體靠安裝凸臺2 與骨架共地。如果信息處理模塊殼體與骨架之間存在對地電阻，會造成探測信號地和系統地不共地，由于探測信號為弱信號，易受干擾，在產品調試、測試過程，會表現為探測信號上有疊加有噪聲。當疊加到信號的噪聲幅值大于200mV，將會出現信號判斷異常。

從測量結果顯示接地不良是此次故障的原因。

■2.3 接地不良機理

裝配示意圖如圖2 所示，殼體與骨架連接相關的零部件及其表面的導電性能如表1所示。模塊與骨架通過螺釘、凸臺、安裝凸臺螺釘的螺紋咬合導通，其中的凸臺表面不導電。

表1 零部件及其表面的導電性能

圖2 模塊安裝圖

使用萬用表FLUCK15B 自動擋測試各零部件表面接觸電阻，凸臺表面電阻值∞，安裝凸臺螺釘表面電阻為0.0Ω，骨架表面電阻值為0.0Ω，模塊殼體電阻值為0.0Ω，螺釘表面電阻值為0.0Ω。

根據零部件的材料、表面處理要求及實測情況，凸臺采用烙酸陽極氧化的表面處理方式，鍍覆層厚度為1.25～5.0μm，表面不導通，無法通過模塊殼體、凸臺、骨架的接觸面導通。

進一步測量凸臺上的兩個安裝螺紋孔，兩個螺紋孔內表面的導通電阻為0.0Ω，根據圖1、2 所示的裝配關系，模塊與骨架通過螺釘、凸臺2、安裝凸臺螺釘的螺紋咬合導通，屬于線連接，其接觸面積僅為20～30%，對于接地性能要求高的場合，這種接地方式不是可靠連接，電鏡檢測螺紋機械連接接觸情況，如圖3 所示，間隙清洗可見，而產品在裝配時為了保證螺紋連接的防松，在螺釘的螺紋表面及凸臺的螺孔內腔涂有螺紋膠，螺紋膠固化后不導電，螺紋膠填充了螺釘與螺孔的所有間隙，進一步降低導通性能，為此螺紋咬合導通并不可靠。

圖3 螺紋連接檢測

接地不良的根本原因為未考慮子系統地與系統地之間的良好導通性，從表面上看屏蔽層接在模塊金屬殼體上，模塊金屬殼體裝配在金屬凸臺上，金屬凸臺安裝在金屬骨架上，整個導通鏈路是連續的，但忽視了凸臺表面進行了可烙酸陽極氧化處理，表面不導電。

3 改進方式

■3.1 涂導電膠

在螺釘上涂適量導電膠，可將螺紋與螺紋連接處間隙100%填充，如圖4 所示，此種方式的導電機理在于導電性填料之間的接觸。

圖4 膠液連接

這種填料與填料的相互接觸是在粘料固化干燥后形成的，在粘料固化干燥前，粘料和溶劑中的導電性填料是分別獨立存在的，相互間不呈現連續接觸，故處于絕緣狀態。在粘料固化干燥后，由于溶劑蒸發和粘料固化的結果，導電填料相互間連結成鏈鎖狀，因此呈現導電性。

但如果粘料的量較導電性填料多得多，則即使在粘料固化后，導電性填料也不能連結成鏈鎖狀，或者完全不呈現導電性，或即使有導電性，它也是很不穩定的，反之，若導電性填料的量明顯多于粘料，那么由粘結料決定的膠膜的物化穩定性就將喪失，并且也不能獲得導電性填料之間的牢固連結。

因此采用導電膠的方式來增強導電性能，導電膠的配比及填充量將非常關鍵，配比上可以用電子稱來控制，但什么樣的配比才能達到最優導電，需要不斷的試驗，攪拌均勻可以依靠攪拌器來穩定實現，但填充膠料的多少則需要靠操作工來定性的控制，為此單獨依靠導電膠來穩定控制導電性能并不理想，這種方式通常為輔助增加導電性。

■3.2 凸臺表面轉化處理

根據Q/5S31-2002《常用金屬鍍覆層和化學覆蓋層選擇原則與厚度系列》表3 鋁及鋁合金鍍覆層的選擇，烙酸陽極氧化膜層、轉化處理膜層除膠接外應用場合相同，可以選擇對凸臺進行轉化處理，轉化處理具有良好的導電性，模塊殼體安裝面直接與凸臺安裝面貼合，實現面接觸，只要螺釘裝配到位，導通性能就能穩定。

表3 鋁及鋁合金鍍覆層的選擇

4 驗證

凸臺只采用轉化處理，轉化處理后使用萬用表FLUCK15B 自動擋測量表面與螺紋內孔的阻值，阻值穩定顯示0.0Ω，裝配成整機后測量線束屏蔽層與系統地骨架的阻值，穩定顯示0.0Ω，系統測試，探測器噪聲消失。

同時零件表面為了接地需要局部做轉化處理，這種應用是一種典型應用，在其他產品上也有過應用，如圖5 所示，接地片上焊接屏蔽導線的屏蔽層，地片通過螺釘擰緊固定在骨架上，在地片與固件接觸的表面對骨架表面進行了局部的轉化處理，這種處理方式保證了產品接地的良好性。

圖5 零件局部轉化處理

也有采用導電膠與零件表面轉化處理同時采取的案例，選用的導電膠為HLG-4 環氧樹脂灌封料和球形鋁粉按7：3（重量比）制成，接地片與骨架連接沉頭螺釘上涂有適量導電膠，增強導電性能，且骨架上安裝接地片的地方做了局部轉化處理，整個導電性能穩定，接地良好。

5 結束語

屏蔽層的可靠接地，不光需要注意屏蔽層本身的接地是否良好，還需考慮與系統的接地是否良好，從文中的實例可以看出子系統的屏蔽層不管是連續性還是良好接地都考慮地很全面，但卻忽視了與系統的共地回路。

對于小信號來說，靠螺紋咬合導通的方式來實現屏蔽層的最終接地是不穩定的，為了解決這種結構的接地需求，本文中論證了兩種處理方案，螺紋上涂導電膠，增加螺紋與螺紋之間的導通面積，凸臺轉化處理，用面接觸實現良好導通，這兩種方式均是增加金屬件接觸面積來達到良好導通目的。