淺談軍用電子設備電磁兼容設計技術

祝劉坡，王威,2*，余冰冰

（1.成都新欣神風電子科技有限公司，成都 611731； 2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610000）

引言

隨著軍用電子、計算機、通信類設備在飛機、車輛和艦船等平臺上的大量應用，平臺空間越來越小，集成度越來越高，設備功率越來越大，所以就造成整個系統的電磁環境越來越復雜，設備之間經常會出現自兼容問題，無法滿足設計的技術指標。目前，電子設備的電磁兼容性能已經成為武器裝備研發的重要技術指標。

1 電磁兼容概念

電磁兼容首先是指設備本身在特定的電磁環境下能夠實現功能性能指標，其次是指設備自身產生的電磁干擾不會對平臺內其他設備產生惡劣影響的能力，也就是電磁敏感性[1]。

2 電磁兼容相關試驗標準

軍用電子設備的電磁兼容性試驗主要可以分為設備及分系統級試驗和系統級試驗。GJB 151A-1997、GJB 152A-1997 和GJB 151B-2013 這三個標準主要用于設備和分系統級的電磁兼容性試驗；GJB 1389A-2005、GJB 1389B-2022 和GJB 8848-2016 這三個標準主要用于系統級的電磁兼容性試驗。

本文主要針對軍用電子設備單體和分系統的電磁兼容設計展開進行研究。GJB 151B-2013 這個標準[2]是軍用電子設備電磁兼容試驗中最常用的標準，所有電子設備單體或分系統均應滿足標準相關要求。

3 軍用電子設備電磁兼容設計

軍用電子設備的電磁兼容設計，必須從干擾源、敏感器件和耦合途徑入手，采取各種有效的技術手段，抑制干擾源、消除或減弱電磁干擾的耦合路徑、降低敏感器件對電磁干擾的響應或增加電磁敏感性電平[3]。

本文對系統電磁兼容設計主要從四個方面進行論述，具體見圖1 所示。

圖1 系統電磁兼容設計

3.1 濾波設計

濾波設計是使用電容、電感、電阻等器件的特性，將發射的電磁干擾信號降低到一定程度，使傳導發射或敏感度能夠滿足標準要求的指標。

3.1.1 電源濾波設計

電源的干擾噪聲分為共模噪聲和差模噪聲兩種。電源的共模噪聲是電磁發射的主要來源，可以通過使用共模電感和接地電容等措施來抑制；電源的差模噪聲可以使用串聯差模電感或線間電容等措施來抑制。電源濾波器的基本電路結構如圖2 所示。

圖2 電源濾波器的基本電路結構

圖2 中，C1、C2、C5 是線間電容，用來抑制電源的差模噪聲；C3、C4、C6、C7 是接地電容，用來抑制電源的共模噪聲；L1 和L2 是共模電感，可以使用非晶納米晶材質或者鐵氧體材質的磁芯進行繞制，用來抑制電源的共模噪聲。

電源濾波器在安裝使用上也有一些原則需要特別注意。首先，電源濾波器在安裝時應實現良好接地，最好能直接安裝在設備機殼上[4]。其次，電源濾波器的安裝位置要盡量靠近設備供電輸入端口，濾波器輸入線越短越好，同時雙絞屏蔽處理。最后，濾波器的輸入線與輸出線及設備內其他所有線纜之間要實現隔離。

3.1.2 電機和風機濾波設計

電機和風機的低頻干擾噪聲是電子設備的強干擾源之一，這種低頻噪聲在濾波時需要很低的截止頻率，一般低頻干擾頻率范圍在（10 ～500）kHz。

這種電機和風機的濾波設計一般需在圖2 濾波電路的基礎上增加差模電感L2 和L3 來抑制低頻的電磁干擾噪聲。基本的電路結構見圖3 所示。

圖3 電機和風機濾波的基本電路結構

3.1.3 信號濾波設計

信號濾波器主要用于濾除各種信號線上的無用高頻干擾，也屬于低通濾波器。由于產品內部電路板上的信號源可以作為發射和接收天線，對外發射無用的電磁干擾，同時又接收外界較強的電磁干擾。因此，在信號線上加裝濾波器可以將高頻電磁干擾進行抑制。

針對信號濾波一般采用C 型電路結構，可以選用自身屏蔽效能很好的超小型饋通濾波器，饋通濾波器具有較好的高頻濾波特性，適合高頻的信號濾波，其電路圖如圖4 所示。

圖4 信號濾波的基本電路結構

3.2 屏蔽設計

3.2.1 機箱蓋板接縫屏蔽設計

根據電磁場傳播理論推算和工程實際測試，電磁泄漏的強度與蓋板接縫長度和深度密切相關，縫隙的屏蔽效能估算公式如下所示：

式中：

I—孔縫長度，mm；

F—頻率，MHz；

h—孔縫高度，mm；

t—孔縫深度，mm。

從縫隙的屏蔽效能估算公式可以得出增加縫隙深度和減少縫隙長度可以顯著提高蓋板縫隙的屏蔽效能。

由于金屬材料在加工過程中存在的加工誤差以及蓋板配合表面并非完全平整光滑，經過上面的設計依然不能完全屏蔽，殼體依然會存在縫隙，在這種情況下，可以在縫隙處安裝導電屏蔽膠條作為兩金屬接觸面的過渡。安裝示意圖見圖5 所示。

圖5 導電橡膠條安裝示意圖

3.2.2 連接器縫隙屏蔽設計

針對連接器與設備殼體之間的縫隙，我們可以選擇在連接器法蘭盤和設備殼體之間加裝導電襯墊，見圖6所示；導電襯墊在起到電磁屏蔽作用的同時，還具有環境密封效果，可以完美的替代連接器上不導電的橡膠密封圈，且抗鹽霧性高、導電性能好。

3.2.3 線纜屏蔽設計

系統各設備之間的互聯線纜應做好屏蔽處理，防止干擾噪聲從電纜泄露。

對于射頻同軸線纜，屏蔽層無需單獨設計，只需選用屏蔽效能高的成品同軸線纜即可。對于電源線和其他信號線纜的屏蔽，需將電源線和信號線分開屏蔽，并將屏蔽層360 °環接在圓形連接器上，屏蔽層與連接器屏蔽尾附最好采用焊接方式，以保證完全電連續性及牢固性。線纜的屏蔽與連接器之間需要用360 °的搭接方式，否則將不會起到良好的屏蔽作用，示意圖如圖7 所示。

圖7 線纜屏蔽層360 °搭接示意圖

3.2.4 通風、散熱口屏蔽設計

用小孔代替大口徑的通風孔或使用“蜂窩式屏蔽通風板”是提高通風、散熱口屏蔽體屏蔽效能的有效方法[5]，蜂窩式屏蔽通風板的安裝方式簡單可靠，電磁屏蔽效能高，不影響設備通風散熱。設備的通風和散熱口均可采用此種設計實現，見圖8 所示。

圖8 蜂窩式屏蔽通風板安裝示意圖

3.2.5 轉軸縫隙屏蔽設計

某些光電觀瞄設備，自帶伺服轉動機構，由于其功能需求，轉軸不能完全屏蔽，其縫隙泄露的電磁能量是RE102 項目不通過的主要原因之一，故需對轉軸縫隙進行特殊處理。處理措施可包括以下幾個方面：

1）用磁流體對轉軸縫隙進行填塞，密封轉軸滑動縫隙；

2）在轉子或定子上設計鋼絲毛刷或采用多個凹凸結構（如圖9 所示）進行屏蔽設計；

圖9 凹凸結構設計示意圖

3）對穿過匯流環的線纜進行屏蔽處理。

3.2.6 顯示窗口屏蔽設計

由于顯示窗口有液晶屏幕顯示，因此不能使用大面積覆蓋的形式去屏蔽處理。一般我們有兩種處理方案：

1）濾波、屏蔽隔離。將顯示窗口與設備內部電路板之間做金屬隔艙，并對設備與顯示窗口之間互聯的電源和信號線做濾波處理。

2）屏蔽玻璃。目前屏蔽玻璃有兩種，一種為在玻璃面上鍍一層導電漆，優點是視覺效果好，缺點是屏蔽效能低。另外一種為兩層玻璃之間夾一層金屬絲網，這種工藝簡單，缺點就是視覺效果較差，需要通過調整絲網孔的角度來提高透視度。

3.3 接地設計

多點接地、混合接地和單點接地是電子設備常用的三種接地方式[6]。接地方式一般可以按照如下方式進行選擇：

一般低于1 MHz 工作頻率的電路中采用單點接地，如電源電路；高于10 MHz 工作頻率的電路中，則采用多點接地。對工作頻率在（1～10）MHz 的電路，可以根據設備傳輸線的長度L 來決定，當L 小于λ/20，建議使用單點接地，當L 大于λ/20，建議使用多點接地。數字電路含有豐富的高次諧波，射頻電路工作頻率較高，均推薦采用多點接地方式。

3.4 電纜布線設計

電纜分為一次電源線、二次電源線、控制及通信數據線和低電平敏感線。具體見表1 所示。

表1 系統電纜種類

電纜布線需按照以下原則進行：

1）一次電源線敷設遠離其他幾類線束；不在系統強輻射場區域內敷設電纜；進入處理機箱體的線纜在進入連接器后按分類散開敷設；線纜屏蔽層按照信號頻率特點進行相應接地處理；屏蔽線纜的選材保證具有足夠的屏蔽效能[7]。

2）電源線、數字傳輸線、天線饋線等單獨敷設；

3） 數字傳輸線、天線饋線、低電平信號線、數傳線、低頻控制線等遠離電源導線和殼體開孔處，防止外界輻射干擾；

4）交直流電源線、二次電源線和大于5 A 的電纜靠近殼體敷設；

5）不同類的電纜敷設在一起并穿過同一電纜孔時，在孔兩側敷設使距離盡量分開。

4 結論

軍用電子設備在復雜的電磁環境中能夠穩定工作的前提就是要有較好的電磁兼容設計。本文對電磁兼容的概念及相關測試標準的基礎上，基于工程實踐經驗，分別從濾波設計、屏蔽設計、接地設計和電纜布線設計四個方面介紹了電子設備的電磁兼容設計方法，希望能夠為相關產品在電磁兼容設計時，提供一些參考和幫助。