電磁屏蔽方艙設計規范

吳 博,余 波,夏 磊,馮繼林

(1.中央軍委裝備發展部軍事代表局駐鄭州地區軍事代表室,河南 鄭州 450000;2.南京天海通信有限公司,江蘇 南京 210012)

方艙以其優秀的密閉防護性能和高機動性,在指揮系統、武器系統、電子對抗系統、野戰醫療等軍事領域得到廣泛應用。在現代戰爭中,隨著戰場的電磁環境的日益惡化,傳統的方艙在嚴苛軍事環境下無法滿足要求。由于方艙中配備了大量高精度電子設備和儀器,設備間通過電子信號進行信息傳輸,外來的電磁波容易對其產生干擾。為避免敵方電磁干擾(Electromagnetic interference,EMI)造成我軍作戰情報的泄露,使用高屏蔽性能的方艙對提高方艙在嚴苛軍事環境下的生存能力具有非常重要的意義。電磁屏蔽方艙可以屏蔽艙外的電脈沖和電磁波信號,能夠保證艙內作戰設備不被外界電磁干擾和破壞,使其能夠正常發揮作戰功能,因此對方艙的電磁屏蔽研究和提高方艙的電磁屏蔽效能具有重要的應用價值,電磁屏蔽方艙的研究主要從電磁屏蔽理論出發,在結構設計過程中充分考慮好屏蔽結構的設計,保證整個結構屏蔽的可靠性。本文詳細論述了方艙主要部件結構設計、生產、安裝過程中屏蔽設計的主要要求,以及方艙整艙組裝過程保證屏蔽要求的考慮要素。

1 方艙電磁屏蔽機理

1.1 電磁屏蔽原理

方艙電磁屏蔽不僅要實現屏蔽外部電磁輻射對內部設備的干擾,還要保證內部的電磁信號不會向外部泄漏。方艙電磁屏蔽可以防止電磁輻射在艙內外傳遞。電磁屏蔽主要分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

1.1.1 電場屏蔽

干擾源主要有電壓和電流干擾,當以電壓形式產生干擾時,會產生容性電場耦合。目前最簡單有效的電場屏蔽方法是接地,因此采用的屏蔽材料需要具備較好的導電能力(如銅、鋁等),并且保證屏蔽體接地良好。同時電場耦合干擾的嚴重程度與外界電場的頻率正相關[1],靜電耦合電壓為

(1)

式中,Vn為對地電壓;ω為外部電場頻率;ZS為對地阻抗;C為耦合電容。

由式1可以看出,外界電場頻率越高,越有屏蔽的必要性。

1.1.2 磁場屏蔽

當以電流形式產生干擾時,電流會與附近的設備產生互感耦合,影響設備正常運行,在不同頻率的磁場環境中,采用的屏蔽方式不同,對于100 kHz的低頻磁場,采用高磁導率的材料(如鐵、鎳)作為屏蔽體形成低磁阻回路,可以屏蔽大多數低頻信號。對于高于100 kHz的高頻干擾,采用高導電率材料(如銅、鋁等)產生逆向磁場與外界高頻磁場對沖抵消,實現屏蔽效果。高頻磁場中,由于材料的趨膚效應,屏蔽體的屏蔽效果與厚度無關,因此屏蔽體材料無需太厚。

1.1.3 電磁場屏蔽

利用金屬表面的反射和金屬材料內部多次反射來吸收電磁波,這一原理可以抑制電磁場傳播,從而實現電磁場屏蔽。對于頻率越高的電磁波,電磁波在金屬內部衰減的越快,吸收效果越好,反之金屬的導電、導磁能力越強,電磁場吸收效果越好[2],電磁波在屏蔽體表面傳播示意圖如圖1所示。

圖1 電磁波在屏蔽體表面反射、透射、反射示意圖

1.2 電磁屏蔽方艙性能指標

1)GJB 870—1990《軍用電子設備方艙通用規范》中提出,在0.15 MHz～10 GHz頻率范圍內,屏蔽方艙對電磁波的屏蔽效能不低于60dB。

2)GJB 1127—1991《CAF40PD方艙規范》中將電磁屏蔽方艙的屏蔽等級劃分成3個級別,詳見表1。

表1 電磁屏蔽等級劃分(GJB 1127—1991)

3)GJB 6109—2007《軍用方艙通用規范》將電磁屏蔽方艙的屏蔽等級劃分成3個級別,詳見表2。

表2 電磁屏蔽等級劃分(GJB 6109—2007)

綜上所述,以屏蔽效能劃分,國內屏蔽方艙主要分為40 dB和60 dB兩種。

2 方艙電磁屏蔽結構

2.1 電磁屏蔽對方艙的整體要求

電磁屏蔽方艙和普通方艙在結構上基本相同,電磁屏蔽方艙和普通方艙的主要差異在于電磁屏蔽方艙在設計、加工、組裝等過程中要考慮好方艙各部件之間的電器連續性。

方艙的6個艙板將艙內外分隔開形成封閉體,但是,方艙艙板組艙時的拼接處和內外包邊、包角鉚接縫的縫隙會造成電磁泄漏,此外,艙板上開設的門、窗、孔口等部件也是造成電磁泄漏的主要因素[3]。因此,在進行方艙門、采光窗、通風口、轉接板等結構件設計和方艙組艙過程中要解決好縫隙問題,保證艙體各部位的電氣連續性從而達到較好的屏蔽效果。為了確保方艙系統的屏蔽性能,達到要求屏蔽效能指標,通常設計生產制造的各部件、組件的屏蔽效能應高于要求10～20 dB。

2.2 方艙壁板屏蔽設計

2.2.1 艙體內外蒙皮的選擇

方艙壁板的電磁屏蔽是整個方艙屏蔽的基礎,為滿足極端作戰環境和電磁屏蔽需求,方艙壁板的蒙皮材料選擇不僅要實現屏蔽功能,同時要有足夠的強度,通過對電磁屏蔽原理的了解,低頻磁場屏蔽蒙皮材料采用鋼等磁導率較高的材料和高頻磁場采用鋁等電導率高的材料。表3給出了常用的屏蔽材料的相對電導率σr和相對磁導率μr,圖2所示為常用材料的磁導率隨頻率變化的曲線圖[4]。

表3 典型屏蔽材料的相對電導率及磁導率

圖2 不同材料磁導率特性

艙體內外蒙皮選擇時,首先要考慮是否能夠滿足屏蔽要求,其次,該材料應外觀平整,具有較高的強度、較好的密封性和較好的導電能力。通常蒙皮采用薄鋁板,通過對金屬板對電磁波的吸收損耗能力計算,在0.15 MHz～10 GHz內實現60 dB屏蔽能力,采用單層厚度為0.5 mm以上的鋁板就能滿足屏蔽需求。但在10 kHz～20 GHz范圍的低頻磁場,采用鋁板蒙皮的屏蔽能力大大降低,在低頻磁場中,需要采用磁導率較高的材料作為蒙皮,低頻磁場通常采用t=0.8 mm以上的冷軋鋼板作為蒙皮,可以在低頻磁場實現60 dB的屏蔽。因此,在0.15 MHz～10 GHz范圍內的60 dB屏蔽方艙,內、外蒙皮采用δ=1.2～2 mm的鋁板。在10 kHz～20 GHz范圍內的60 dB屏蔽方艙,外蒙皮采用δ=1.2～2.0 mm的鋁板,內蒙皮采用δ=1.0 mm的冷軋鋼板。

2.2.2 大板厚度的確定

大板方艙艙壁結構是由外蒙皮、內蒙皮和聚氨酯泡沫組成(見圖3)。大板蒙皮間距確定依據是為了防止艙壁在不適當的厚度出現電磁諧振(Electromagnetic resonance)而導致電磁泄漏。

圖3 艙壁結構

根據屏蔽理論計算,板蒙皮之間距離是波長1/4的奇數倍,屏蔽效果最好[5],其值為:

SE總=SE內+SE外+6 dB

(2)

當大板蒙皮間距是波長1/4的偶數倍時,電磁屏蔽效果最差,其值為:

SE總=SE內+SE外-R

(3)

因此大板夾心層厚度按下式計算:

(4)

式中,n為自然數;λ為波長。綜合強度要求,其間距t應控制在46.9 mm≤T2≤50.6 mm。

上述為方艙大板間距的理論計算方法,但在實際生產中,無論哪種情況,屏蔽效能都遠高于所要求的指標,因此實際生產中,艙體的厚度主要由艙板的剛度、強度、保溫能力、艙體質量、制造工藝等多個方面的因素共同決定。

2.3 門窗孔口屏蔽設計

2.3.1 門窗孔口布置原則

應盡量減少門、窗、孔口的數量,且孔口不宜集中排布。方艙最多開設2個門(工作門、應急門)且不能在同一壁板上。艙體上的電源孔口和信號孔口應保證較大的安裝距離,最好將兩個孔口布置在不同的艙板上;艙體上開設的進排風口盡量不開設在門體所在的艙板上,此外還要與電源孔口保持較大的距離。

對于I級屏蔽方艙,波導板設計時尺寸應小于700 mm×700 mm,不要開設采光窗;對于Ⅱ級屏蔽方艙,在設計時波導板尺寸應小于700 mm×1 200 mm,左右艙板上可以各開設一個采光窗,如果艙板上開設了采光窗,該艙板最好不要再開設工作門和應急門。

2.3.2 艙門屏蔽設計

安裝方艙門需要在艙板上開設較大的孔,因此方艙門體與艙板的門框會形成較長的縫隙,門與門框之間的間隙會造成電磁泄漏,因此解決艙門的電磁屏蔽是整個艙體屏蔽的重要部分。方艙門由艙門、門框、屏蔽襯墊、密封條等組成(見圖4)。艙門門框安裝在艙板上,與外蒙皮、內蒙皮、聚氨酯泡沫等結構構成艙板(見圖5)。門體由門型材、聚氨酯泡沫、內外蒙皮等結構構成(見圖6)[6]。

圖4 方艙門體與艙體門框安裝界面

圖5 方艙門結構

圖6 艙板上門框結構

根據電磁屏蔽原理,為保證艙體電氣連續性,設計師在方艙艙門屏蔽設計時應注意如下事項。

1)首先門框和門體型材的選擇是艙門屏蔽的基礎,選擇材料不僅要考慮電磁屏蔽的需求,還要保證其能夠滿足野外工作環境的要求,對于鋁型材的門框和門體型材,要求屏蔽效能為40 dB時,需要對門框門體型材進行導電氧化處理,當要求屏蔽效能為60 dB時,需要對門體和門框型材進行鍍鎳磷合金處理,保證型材表面具有較好的導電性和耐磨性。

2)簧片是屏蔽門設計的重要部件,簧片的懸臂部分實現彈性形變可以達到很好的點接觸。簧片通常利用壓板與門體進行連接,在10 kHz可以實現70～80 dB的屏蔽。如果采用焊接方式進行連接,屏蔽效能最高可以達到110 dB。測試表明,在低頻干擾中,簧片數量對門體屏蔽能力的影響不大,但在高頻干擾中,增加簧片層數可以使微波在簧片間進行來回反射,增加電磁波的傳播路徑使其快速衰減,從而實現較高的屏蔽效果[7]。

3)門把手在設計時應采用非貫通式軸,在軸中間添加非金屬的連接件讓軸中間斷開,這樣可以避免因天線效應造成電磁波的泄漏。

4)門框門體生產、焊接和組裝過程中,應提出一定的工藝要求,保證門框門體具有較高的平面度。

5)為了保證艙門與艙板電氣連續性,應采用防波套制作導電帶,通過門鉸鏈螺釘固定在門和艙板上。

6)門框和門體的電連續性可以安裝金屬絲網襯墊保證,金屬絲網襯墊的材料、尺寸等參數需要根據艙門設計的屏蔽效能要求來確定,門體設計的屏蔽要求為40 dB時,通常采用鍍錫磷青銅材料的金屬絲網襯墊;門體設計的屏蔽要求為60 dB時,通常采用蒙乃爾材料的金屬絲網襯墊,設計時門體閉合后保證金屬絲網襯墊的壓縮量在35%左右時屏蔽效能最佳。

2.3.3 轉接孔口屏蔽設計

方艙的轉接孔口主要用于方艙對外電源及信號通信的轉接,轉接孔口主要分為孔口板、孔口框/轉接板支架及轉接板[8],轉接孔口結構示意圖如圖7所示。

圖7 轉接孔口結構示意圖

轉接孔口的屏蔽泄漏主要取決于大板蒙皮的材料及厚度、孔口框與大板蒙皮的縫隙、轉接板支架與孔口框的縫隙、轉接板與轉接板支架的縫隙以及轉接板上電連接器與轉接板的導電連續性。這些縫隙的處理是保證電磁屏蔽的關鍵。根據電磁屏蔽原理,為保證電氣連續性,設計師在進行轉接孔口設計時應注意如下事項。

1)轉接孔口框架以及轉接板的表面導電狀態、平面度直接影響與艙壁的電連續性,因此在加工時接合面要保證一定的平面度,同時轉接板支架的接合面不允許噴漆,以提高導電能力。

2)孔口框一般選用鋁合金型材,加工后需要進行導電氧化處理。

3)轉接孔口框架與內外蒙皮、轉接板支架與孔口框以及轉接板與轉接板支架之間鉚接或螺接前,安裝面需處理潔凈,安裝彈性導電襯墊并涂導電液,同時需控制好導電襯墊的壓縮量為30%～50%。

4)采用螺接或鉚接連接時,鉚釘或螺釘間距長短也是影響屏蔽效果的關鍵的因素,間距S估算一般采用下式:

(5)

當屏蔽效能要求為40 dB時,采用單排鉚釘或螺釘,間距S≤60 mm,頻率為150 kHz～10 GHz,可以滿足屏蔽要求;當屏蔽效能要求為60 dB時,采用雙排鉚釘或螺釘交錯連接,頻率為150 kHz～10 GHz,間距S≤30 mm,可以滿足屏蔽要求。

2.3.4 信號口、電源口的屏蔽設計

在艙體的壁層上會留出許多維持電子設備正常運轉的信號口、電源口,雖然這是軍用方艙中必須具備的結構設施,但是這些信號口、電源口對艙體屏蔽性能影響較大,因此在對軍用方艙的信號口、電源口設計時,必須要減小其對軍用方艙電磁波屏蔽性的影響。在設計時,可以對信號口、電源口等部位選擇導電材料進行覆蓋,增強孔口面板與孔口面板支架的連續性。

2.3.5 采光窗的屏蔽設計

軍用方艙的采光窗是一個重要的部位,同時也是最為棘手的部位,在設計時既要選擇采光窗的采光性能,同時又要考慮采光窗對軍用方艙屏蔽性的影響。因此這就需要對采光窗進行特殊的設計,從而增強采光窗的屏蔽性能。首先,采光窗的材料通常選擇導電性能好的合金材料,其次應保證采光窗與軍用方艙的壁層內外蒙皮相連接,確保二者的銜接性。為了增加采光窗的強度,應在采光窗表面覆蓋上由銅絲組成的銅絲網。最后,采光窗上覆蓋的銅絲網應與窗框保持電氣連續性[9]。

2.3.6 通風口的屏蔽設計

艙板上的通風窗需采用截止波導,既能滿足方艙通風量的要求,又能滿足整個方艙的屏蔽效能要求,通風窗的連接處采用金屬絲網屏蔽襯墊,安裝部位必須用工業酒精進行擦洗清潔后再進行安裝,確保不會摻雜雜質影響導電性。

2.3.7 濾波器安裝

要確保高性能屏蔽方艙的屏蔽效能,除了對方艙進行嚴格的屏蔽設計外,對進出方艙的電源線、信號線等也須采取與所要抑制頻段相同的濾波措施。方艙所用的濾波器分為電源線濾波器和信號線濾波器。濾波器與方艙的安裝連接對于確保方艙的高頻屏蔽特性具有極為重要的作用,必須采用穿墻式安裝方式(見圖8)。

圖8 濾波器的安裝方式

2.4 艙體組裝時屏蔽設計

2.4.1 方艙組艙屏蔽要求

方艙的6個大板拼接時拼接縫處容易出現電磁泄漏問題,因此方艙組裝成形時要特別注意采取屏蔽措施,應注意如下事項。

1)為了避免縫隙的電磁泄漏,通常可以適當增加包邊包角的寬度,使縫隙的深度增加,接觸面積增大,從而降低電磁泄漏的風險。

2)在安裝艙內包角前,首先應對內蒙皮與內包角的接觸面進行去油污、雜物和氧化膜的處理;然后涂導電保護液,必要時還應墊紫銅箔。

3)為了保證相鄰兩艙板之間具有可靠的電連續,艙內用導電性較好的銅皮進行連接,艙外用銅絲網進行連接,艙板的6個角件處的內蒙皮最好進行焊接,這樣可以消除縫隙,從而使方艙能夠具有較高的屏蔽能力。

4)可以通過增加鉚釘數量、減小鉚釘間距或者增加鉚釘的排數,來減小鉚接件間的縫隙,從而提高屏蔽能力。

5)為了保證長久的電氣連續性,保證艙體有較高的強度和剛度,屏蔽方艙大板內部可以增加加強梁,角柱、端梁和側梁可以用鋼制件或增加其厚度。

2.4.2 方艙壁板與角鐵、包邊的鉚接要求

鉚接所產生的泄漏主要是縫隙泄漏。鉚接所產生的縫隙寬度(S)和實際長度(L′)的估算公式為:

0.001L≤S≤0.05L

(6)

0.01L≤L′≤0.1L

(7)

式中,L為鉚釘間距,單位為mm。

頻率為40 GHz的波長λ為7.5 mm,從抑制縫隙泄漏的理論看,其所存在的縫隙長度應小于λ/4,故實際長度應小于1.9 mm。根據上式,按其最大的縫長L′=0.1L估算,可以確定鉚接間距應小于15 mm。為便于加密鉚釘數,采用交錯鉚接方式,同時還應對靠近艙壁的一側進行導電處理,加涂硅脂導電膠等,以改善界面的導電狀態[10]。

3 結語

實現方艙的電磁屏蔽是實踐性很強的工程技術,無論是在設計、工藝、生產、裝配過程中都要考慮電磁屏蔽問題,在每個步驟中出現的微小疏忽,反映到整個方艙的電磁屏蔽上都會產生很大的影響,因此在方艙方案論證過程中,應兼顧考慮好電磁屏蔽結構設計,嚴格把控結構和工藝評審,同時在生產制造過程中也要嚴格把關,嚴格按照工藝要求規范執行生產。