控制方艙電磁屏蔽設(shè)計(jì)與仿真分析

張志雄，劉圣亮，李俊海，張利軍

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西太原，030032； 2.山西中電科技特種裝備有限公司，山西太原，030032

0 引言

作為某陣列天線集成系統(tǒng)的承載單元，控制艙內(nèi)部集成了控制模塊、配電單元、席位、顯控和環(huán)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)接口等，為人員和設(shè)備提供了可靠的電磁環(huán)境。為了保證設(shè)備在電子戰(zhàn)環(huán)境下的使用功能，提高方艙電磁屏蔽效能是必不可少的手段[1]，結(jié)合GJB 6109-2007《軍用方艙通用規(guī)范》，選用標(biāo)準(zhǔn)CAF40電子設(shè)備方艙，屏蔽效能在10MHz～6GHz范圍內(nèi)不小于60dB。

1 方艙電磁泄漏的主要部位

電磁屏蔽原理是通過(guò)金屬板體將電磁波限制在一定空間范圍內(nèi)，使電磁場(chǎng)能量從一面?zhèn)鞯搅硪幻媸艿胶艽蟮乃p。屏蔽艙依據(jù)該原理，用金屬材料制成一個(gè)六面體房間。屏蔽艙內(nèi)有人員和設(shè)備在里面工作，因此屏蔽艙六面密閉的同時(shí)，必須留有人員及設(shè)備進(jìn)出的屏蔽艙門(mén)、通風(fēng)口、電源信號(hào)轉(zhuǎn)接口等，以確保屏蔽艙能正常工作。造成屏蔽方艙電磁泄漏的結(jié)構(gòu)部位主要包括大板結(jié)構(gòu)、鉚接縫、艙門(mén)、采光窗、通風(fēng)口、空調(diào)口和轉(zhuǎn)接板等[2-3]。

2 方艙電磁屏蔽設(shè)計(jì)

2.1 大板厚度的確定

根據(jù)電磁屏蔽效能計(jì)算可知，當(dāng)大板蒙皮兩層之間距離為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，屏蔽效能最好，距離為1/4波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)屏蔽效能最差。但不論是哪種情況，屏蔽效能都遠(yuǎn)高于所要求的指標(biāo)，考慮到艙體剛度、強(qiáng)度、保溫性能、質(zhì)量及工藝等，大板厚度確定為50mm。

2.2 艙體內(nèi)、外蒙皮的選擇

方艙艙體內(nèi)、外蒙皮一般要求外觀平整、密封性好、剛度強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好，因此選用鋁板。按照金屬板對(duì)電磁波吸收損耗公式計(jì)算，單層鋁板厚度為0.5mm就可以滿足10MHz～6GHz范圍屏蔽為60dB以上的要求。綜合考慮艙體及大板的整體強(qiáng)度，外蒙皮選用1.5mm厚的鋁板，內(nèi)蒙皮選用1mm厚的鋼板。

2.3 艙門(mén)的屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽門(mén)是屏蔽艙的關(guān)鍵設(shè)備，是工作人員及設(shè)備進(jìn)出的主要通道，在確保屏蔽效能的同時(shí)，它的可靠性、實(shí)用性及開(kāi)啟方便至關(guān)重要。本屏蔽艙將采用手動(dòng)屏蔽門(mén)，艙門(mén)內(nèi)外均可通過(guò)把手打開(kāi)及關(guān)閉屏蔽門(mén)，并可在外部掛鎖的情況下，內(nèi)部可以不用任何工具就能夠打開(kāi)，保障艙內(nèi)工作人員的安全。屏蔽門(mén)安裝前，需通過(guò)打磨、噴砂等工藝將方艙蒙皮與門(mén)框型材二者連接部分的氧化膜去除。

艙門(mén)結(jié)構(gòu)：插刀屏蔽門(mén)是由門(mén)框、門(mén)扇、鎖緊裝置組成。依靠門(mén)扇與門(mén)框的閉合來(lái)保證屏蔽艙的整體屏效。其密封形式為插刀式結(jié)構(gòu)——雙刀三簧片寬刀口插刀式結(jié)構(gòu)。

艙門(mén)特點(diǎn)：手動(dòng)開(kāi)啟、維護(hù)方便、應(yīng)急便捷等。具有屏蔽性能好、可靠性高，易于清潔，保養(yǎng)、更換簧片不需要特殊工具等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 屏蔽窗的設(shè)計(jì)

方艙左右兩側(cè)開(kāi)有外推式屏蔽窗，具有60dB屏蔽能力。在屏蔽窗內(nèi)側(cè)安裝氣彈簧用于助力及支撐，開(kāi)啟角度85°，保證艙內(nèi)正常通風(fēng)且兼具人員逃生的功能，屏蔽窗內(nèi)部配備防蚊蟲(chóng)紗簾和遮光簾。屏蔽窗是由門(mén)框、門(mén)扇、鎖緊裝置組成。依靠門(mén)扇與門(mén)框的閉合來(lái)保證屏蔽艙的整體屏效。其密封形式為插刀式結(jié)構(gòu)——雙刀三簧片寬刀口插刀式結(jié)構(gòu)。

2.5 信號(hào)口、電源口的屏蔽設(shè)計(jì)

采用加鎳網(wǎng)襯墊、錫焊、加密鉚釘、打磨連接處等辦法解決孔口面板與面板支架、面板支架與內(nèi)蒙皮、孔口罩與內(nèi)蒙皮之間的電連續(xù)問(wèn)題，根據(jù)連接線纜的種類和特性，在電源和信號(hào)輸入和輸出位置加裝電源和信號(hào)濾波器[4-5]，如圖1所示，為提高孔口的屏蔽能力，在孔口面板內(nèi)貼銅箔，重點(diǎn)圍繞線纜貼2～3層，并延伸貼至線纜2～3cm。

圖1 電源和信號(hào)濾波器安裝示意圖

2.6 通風(fēng)口的屏蔽設(shè)計(jì)

通風(fēng)口采用通風(fēng)波導(dǎo)窗來(lái)進(jìn)行屏蔽，波導(dǎo)板與車體之間通過(guò)加鎳網(wǎng)襯墊、錫焊、打磨連接處等工藝保證導(dǎo)電連續(xù)性。波導(dǎo)窗是由許多個(gè)小波導(dǎo)管組成的波導(dǎo)束，在通風(fēng)狀況下電磁波在穿越波導(dǎo)時(shí)能量經(jīng)過(guò)吸收、反射逐漸損耗。合理地選擇波導(dǎo)孔截面積和波導(dǎo)長(zhǎng)度，就可以將電磁波進(jìn)行隔離。波導(dǎo)窗安裝示意圖如圖2所示。

圖2 通風(fēng)波導(dǎo)及安裝示意圖

通風(fēng)口要求高屏效和低風(fēng)阻，波導(dǎo)的開(kāi)孔面積越大，風(fēng)阻越低，換氣量越好，根據(jù)計(jì)算和生產(chǎn)工藝，采用蜂窩孔直徑為3.2mm、深度為30～48mm的蜂窩芯可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.7 空調(diào)進(jìn)、回風(fēng)口的屏蔽處理

在艙體前壁板上開(kāi)設(shè)空調(diào)進(jìn)回風(fēng)口，安裝通風(fēng)波導(dǎo)窗，法蘭盤(pán)采用鋼材制作而成，風(fēng)道法蘭盤(pán)與波導(dǎo)窗之間需間隙配合1mm，法蘭盤(pán)鍍鋅處理，風(fēng)道法蘭盤(pán)與屏蔽波導(dǎo)窗之間使用CO2氣體保護(hù)焊滿焊的形式連接。在焊接波導(dǎo)窗時(shí)要注意焊接的時(shí)間和順序，為減少焊接應(yīng)力變形必須分段焊接和間歇焊接。

3 電磁屏蔽仿真與分析

根據(jù)控制艙體三維模型，采用CST電磁場(chǎng)仿真軟件，建立電磁等效模型。根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)各組件結(jié)構(gòu)材料賦值，設(shè)置相應(yīng)材料電磁屬性，包括門(mén)隙轉(zhuǎn)移阻抗、通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)參數(shù)等[6]。屏蔽性能使用GJB 6785-2009《軍用電子設(shè)備方艙屏蔽效能測(cè)試方法》對(duì)艙體屏蔽性能進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)激勵(lì)源、頻率、邊界條件、測(cè)試點(diǎn)等進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定仿真頻率范圍為10MHz～6GHz，邊界條件為open（add space）自由空間，激勵(lì)源依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)為平面波（包括垂直極化和水平極化）。

3.1 艙體壁面屏蔽性能

通過(guò)仿真分析，得出左、右、后面壁板的屏蔽效能，如圖3所示。

圖3 方艙艙體壁板屏蔽效能

根據(jù)屏效仿真曲線看出，控制艙各方向在10MHz～6GHz頻率范圍的屏蔽效能均大于66dB，其中右側(cè)（屏蔽門(mén)側(cè)）因屏蔽結(jié)構(gòu)件較多，屏效最低，其他方向屏效均大于該方向。同入射方向的垂直極化和水平極化的屏效有所不同，但屏效曲線全范圍纏繞較為接近。

3.2 各屏蔽組件屏蔽效能

工作艙門(mén)的屏效整體基本在70dB以上，在低頻率范圍垂直與水平方向屏效基本相同，高頻段范圍在個(gè)別頻點(diǎn)差別較大，分析因屏蔽門(mén)寬高差所引起。在5GHz左右范圍垂直方向屏效較低，約為68dB，如圖4所示。

圖4 工作艙門(mén)屏蔽效能

通風(fēng)口的屏效除外側(cè)通風(fēng)口在5GHz點(diǎn)水平方向略低于70dB外，全范圍達(dá)到70dB以上。其中垂直方向的屏效高于水平方向約15dB，達(dá)到87dB以上，水平方向除4～5.5GHz范圍的屏效為70dB以上外（5GHz為67dB），也均達(dá)到80dB以上。

左、右兩側(cè)的觀察窗在技術(shù)指標(biāo)要求的頻率全范圍大小和趨勢(shì)均保持一致，電場(chǎng)屏效隨頻率升高略微降低，不同極化方向的屏效亦無(wú)差別，均可達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

通過(guò)仿真曲線對(duì)比得出，該艙體左側(cè)面的屏蔽效能在部分位置高于右側(cè)面（屏蔽組件較多）。除下通風(fēng)口、屏蔽門(mén)外，其他屏蔽件、壁體的屏效對(duì)于垂直、水平入射基本無(wú)差別。二者的極化方向?qū)ζ列в绊懺?GHz以上較高頻段差別約為15dB以內(nèi)，因二者屏蔽結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)寬比差別較大形成。如存在加工工藝等原因產(chǎn)生泄漏，可能在4.5～5GHz頻率產(chǎn)生耦合須加以注意。

4 電磁仿真結(jié)論

通過(guò)對(duì)屏蔽控制艙艙體進(jìn)行電磁建模及仿真分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）艙體右、左、正面的屏蔽效能有所差別，右側(cè)面因屏蔽結(jié)構(gòu)較多，屏效最低，正面最高，各面屏效相差約5～10dB；

（2）艙體其他屏蔽件、壁體的屏效相對(duì)于垂直、水平入射無(wú)差別，下通風(fēng)口、屏蔽門(mén)的屏效方向存在3～15dB的差別，因二者結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)寬比差別較大形成；

（3）控制艙在指標(biāo)要求的10MHz～6GHz頻率范圍中屏蔽效能可達(dá)到66dB，除4.5～5GHz范圍基本在70dB以上，正面的屏蔽效能可達(dá)到110dB以上。

5 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)控制方艙的大板結(jié)構(gòu)、接縫、艙門(mén)、采光窗、通風(fēng)口、空調(diào)口和轉(zhuǎn)接板等主要的電磁泄漏部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了控制方艙主要泄漏部位的材料選型、加工工藝、電磁屏蔽處理等。根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)各組件結(jié)構(gòu)材料賦值，設(shè)置相應(yīng)材料電磁屬性，包括門(mén)隙轉(zhuǎn)移阻抗、通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)參數(shù)等，建立了控制方艙電磁等效模型，采用CST電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)控制艙的壁板、工作艙門(mén)、通風(fēng)口、采光窗、電源信號(hào)轉(zhuǎn)接板進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明控制方艙在10MHz～6GHz頻率范圍內(nèi)蔽效能可達(dá)到66dB，滿足陣列天線系統(tǒng)要求。