艦船電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性及其電磁兼容性設(shè)計(jì)

孫暢 韓允

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一O研究所，湖北 宜昌 443003；2 海軍飛行學(xué)院教研部，遼寧 葫蘆島 125003)

1 引言

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電磁兼容性的要求越來越高。為提高屏蔽效能降低其對(duì)控制設(shè)備的影響，對(duì)保證艦船安全，提高戰(zhàn)斗力有著重要的作用。據(jù)報(bào)道，艦載控制系統(tǒng)發(fā)生的故障50﹪以上是由環(huán)境因素造成的，隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的提高，使用環(huán)境的惡劣，可靠性問題就顯的越來越突出。因此，提高電磁兼容及環(huán)境保護(hù)，加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)是非常重要的。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)

2.1 設(shè)計(jì)思路

從控制系統(tǒng)的使用環(huán)境出發(fā)提高其電磁兼容性；

在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取措施提高電磁屏蔽效能；

對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)部的敏感部件采用多重屏蔽設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)艦船控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，提高艦船控制臺(tái)的抗電磁干擾能力，在一定的使用環(huán)境下,一定的平面波場(chǎng)內(nèi)，使控制臺(tái)的屏蔽效能達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

3 環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)

由于艦載控制系統(tǒng)使用條件苛刻，過去精力主要集中在技術(shù)方面，對(duì)環(huán)境影響的考慮較少。為使艦載設(shè)備適應(yīng)海洋環(huán)境，須采用環(huán)境技術(shù)及相應(yīng)的解決方法。

3.1 加固及散熱技術(shù)[2]

加固技術(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及模塊成組與組合均應(yīng)立足于自身特征的保護(hù)，對(duì)于設(shè)備加固主要體現(xiàn)在選材上，一般選用耐腐蝕、高強(qiáng)度的金屬材料，對(duì)線路板級(jí)選用經(jīng)應(yīng)力篩選后的器件；對(duì)模塊級(jí)采取組合、隔振、罐封及去應(yīng)力制作工藝，提高器件自身的環(huán)境適應(yīng)能力。

散熱設(shè)計(jì)：艦船控制系統(tǒng)一般為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部留有空間，對(duì)棧接后的系統(tǒng)有利空氣流通。此類結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是中間鏤空，空氣在系統(tǒng)中為上下流動(dòng)，從而使熱量散發(fā)；對(duì)內(nèi)部模塊可通過散熱設(shè)計(jì)，根據(jù)環(huán)境情況選擇不同溫度級(jí)別的模塊；對(duì)密封設(shè)備的散熱，如單元密封，一般采用冷板式散熱；對(duì)整機(jī)密封，一般采用氣－氣對(duì)流散熱。

3.2 密封性設(shè)計(jì)[1]

過去艦船電子設(shè)備多為開放式結(jié)構(gòu)，雖然采用了“三防”措施，但大量潮氣、鹽霧、霉菌仍腐蝕設(shè)備及器件，為此艦船電子設(shè)備在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮密封性設(shè)計(jì)，原則如下：

a) 艙外露天設(shè)備采用水密結(jié)構(gòu)形式；

b) 艙內(nèi)設(shè)備采用防滴式或全封閉結(jié)構(gòu)，對(duì)要求高的局部設(shè)備采用氣密式；

c) 對(duì)于抗惡劣環(huán)境有要求的設(shè)備，不用或少采用防濺式。

3.3 表面防護(hù)設(shè)計(jì)[1]

艦船控制系統(tǒng)工作在惡劣的海洋環(huán)境下，高濃度氯離子對(duì)金屬材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕，不僅影響外觀，而且影響設(shè)備的使用壽命。在設(shè)計(jì)階段采用優(yōu)質(zhì)耐腐蝕的涂料及熱噴涂金屬技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)外表進(jìn)行防護(hù)。

881 聚氨酯系列防護(hù)涂層：其工藝是對(duì)設(shè)備外表面進(jìn)行吹沙處理后，對(duì)表面噴涂環(huán)氧底漆，干燥后再涂覆881聚氨酯系列防護(hù)涂料，一般用于高強(qiáng)度鋁合金表面防護(hù)。

無機(jī)富鋅片鋅涂料：該防護(hù)涂層具有優(yōu)異的抗潮濕、耐海水與鹽霧腐蝕性，其噴涂工藝與881聚氨酯系列防護(hù)涂層類似，一般用于普通碳素鋼及不銹鋼表面防護(hù)。

3.4 抗磁場(chǎng)設(shè)計(jì)[3]

艦船控制系統(tǒng)中的通風(fēng)口一般是電磁干擾源的主要泄露部位，一般用金屬網(wǎng)屏蔽，其性能在頻率高于 100 MHz時(shí)急劇下降，不能滿足GJB151A-97的要求，如用波導(dǎo)管的截止頻率特性，當(dāng)電磁波頻率低于截止頻率時(shí)，將產(chǎn)生很大的衰減特性。通風(fēng)口是電磁干擾的主要泄露部位，在控制系統(tǒng)的通風(fēng)孔上安裝通風(fēng)蜂窩板，也可解決屏蔽與通風(fēng)散熱問題。例如：若蜂窩板的厚度為L(zhǎng)，截止頻率為：

式中:w為六角形波導(dǎo)內(nèi)壁外接圓直徑(cm)。

計(jì)算出截止頻率后，依據(jù)下式計(jì)算出任一頻率的波導(dǎo)屏蔽效能為：

式中：f—電磁波頻率（Hz）；L—波導(dǎo)長(zhǎng)度（cm）；A—屏蔽效能（dB）

18 Hz時(shí)，屏蔽效能為：

強(qiáng)磁屏蔽技術(shù)是抗強(qiáng)磁設(shè)計(jì)中常用的方法，其手段是采用高導(dǎo)磁金屬材料，對(duì)設(shè)備或器件加屏蔽罩，使磁力線在屏蔽罩內(nèi)形成磁回路，使設(shè)備得到有效防護(hù)。但加屏蔽罩會(huì)使整體體積、重量增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于維護(hù)保養(yǎng)。因此，屏蔽罩應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境，結(jié)合設(shè)備自身的特點(diǎn)及要求而定。選擇屏蔽材料厚度，屏蔽罩的形狀應(yīng)根據(jù)設(shè)備的裝艦要素確定。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)設(shè)備中的磁敏感器件，如顯像管、霍爾元件等可能受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響而不能正常工作的器件進(jìn)行局部屏蔽；也可采用整體屏蔽后，進(jìn)行強(qiáng)磁沖擊試驗(yàn)，再確定二級(jí)或更高級(jí)別屏蔽的部位。大多數(shù)艦船設(shè)備采取局部屏蔽后就能滿足使用要求，但有些重要設(shè)備需多級(jí)屏蔽才能滿足要求，如抗強(qiáng)磁型導(dǎo)航雷達(dá)的強(qiáng)磁屏蔽設(shè)計(jì)就采取了多級(jí)屏蔽。

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

4.1.1 機(jī)柜殼體屏蔽設(shè)計(jì)[4]

一般情況下由鋼和鋁制成的電子設(shè)備機(jī)殼能達(dá)到屏蔽作用，是因?yàn)殇摵弯X都具有較高的導(dǎo)電率（鋼=0.1，鋁=0.61），鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率為 140，這使得鋼為理想的適用于磁場(chǎng)屏蔽的材料。雖然增加屏蔽體材料的厚度也能提高屏蔽效能，但更大厚度將受到尺寸、重量的限制，而重量增加將使設(shè)備變得無法使用。實(shí)心導(dǎo)電屏蔽體的屏蔽效能是反射、吸收和多次反射損耗的總和。

當(dāng)f=50 Hz時(shí)，電子設(shè)備內(nèi)部主要為磁場(chǎng)干擾。鋼的相對(duì)電導(dǎo)率為σr= 0.1，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1000，距離r=0.1 m。由于鋼低頻段的高導(dǎo)磁性，對(duì)磁場(chǎng)已沒有反射損耗，可認(rèn)為50 Hz的反射損耗Rm=0。

吸收損耗：

反射損耗：

由于A＞10 dB，多次反射修正系數(shù)B可不記。

因此1.5 mm厚的鋼板對(duì)100 MHz干涉波的屏蔽效能為：

事實(shí)上，機(jī)柜內(nèi)部的主要功能模塊一般都經(jīng)過多次屏蔽，例如計(jì)算機(jī)電源模塊內(nèi)部的線圈一般要經(jīng)過電源模塊殼、計(jì)算機(jī)機(jī)箱、機(jī)柜殼體屏蔽，它產(chǎn)生的電磁場(chǎng)已衰減到很小，有此可見，采用1.5 mm厚的10號(hào)鋼板焊接成整體，通過機(jī)架把整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來，利用機(jī)架對(duì)電磁干擾反射和吸收損耗，切斷機(jī)箱內(nèi)外干擾信號(hào)的傳播來減弱或者消除電磁干擾對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備的干擾。

4.1.2 線路板的電磁兼容性設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是由各類電路板、傳感器及其它檢測(cè)設(shè)備等組成。線路板是構(gòu)成電子設(shè)備的基礎(chǔ)，保證線路板的電磁兼容性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由對(duì)稱原理可知，一個(gè)電路的電磁輻射和接受能力是一致的，即一個(gè)電路的電磁輻射效率越高，往往接收效率也高。在設(shè)計(jì)中抑制線路板的電磁輻射，同時(shí)也提高了線路板的抗干擾能力。

抑制線路板上電源線和地線干擾

a) 不用的門電路輸入端不懸空，不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。

b) 線路板用45折線，以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。

c) 線路板上的噪聲元件與非噪聲元件距離盡量遠(yuǎn)，電源線、地線盡量粗。

4.1.3 元件布置合理分區(qū)及布局

元件在線路板上的排列位置，充分考慮抗電磁干擾問題，各元件之間的引線盡量短，并把模擬信號(hào)與高速數(shù)字電路合理分開，使其相互間的信號(hào)耦合最小。布局時(shí)，強(qiáng)輻射電路要盡量遠(yuǎn)離I/O接口電路；I/O接口電路的電源線、地線最好能與線路板上其它電路的地面和電源線面隔離，這樣可以減小線路板通過 I/O電路耦合到電纜上，可以減小電纜產(chǎn)生的共模輻射。

4.2 內(nèi)部布線原則

4.2.1 線間電磁耦合的抑制方法[5]

對(duì)磁場(chǎng)耦合：使用雙絞線和屏蔽線減小干擾；增大線間距離(使互感減小)。盡可能使干擾源線路與受感應(yīng)線路呈直角布線。

對(duì)電容耦合：增大線間距離；屏蔽層接地；降低敏感線路的輸入阻抗；在敏感電路采用平衡線路作輸入，利用平衡線路固有的共模抑制能力克服干擾。

4.2.2 采用的布線方法

按功率分類，不同分類的導(dǎo)線分別捆扎，分開敷設(shè)的線束間距離為50～75 mm。

4.3 電纜的選用

一般控制設(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線，設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射都是通過各種導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)的，而外界的干擾往往也是首先被導(dǎo)線接收到，然后流入設(shè)備中的，因此信號(hào)電纜選用帶屏蔽的雙絞線，信號(hào)電流在兩根內(nèi)導(dǎo)線上流動(dòng)，噪聲電流在屏蔽層里流動(dòng)，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時(shí)感應(yīng)到兩根導(dǎo)線上，使噪聲相消。

4.4 對(duì)靜電的防護(hù)

靜電放電通過直接傳導(dǎo)、電容耦合、電感耦合三種方式進(jìn)入控制系統(tǒng)的電子線路。對(duì)電路直接放電會(huì)導(dǎo)致電路損壞。對(duì)鄰近物體放電，通過電容或電感耦合會(huì)影響到電路工作的穩(wěn)定性。防護(hù)方法：(1)使用帶有接地的金屬屏蔽殼體將放電電流釋放到地。金屬外殼接地可限制外殼電位的升高，造成內(nèi)部電路與外殼之間的放電。(2)內(nèi)部電路用單點(diǎn)接地與金屬外殼相連，防止放電電流流過內(nèi)部電路。

5 結(jié)束語

對(duì)艦船控制系統(tǒng)可靠性的要求在不斷提高，針對(duì)其電子設(shè)備的某些特殊要求，在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行有效地環(huán)境保護(hù)及電磁兼容性設(shè)計(jì)，是提高系統(tǒng)可靠性及抗惡劣環(huán)境的重要手段。

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[4] 呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).東南大學(xué)出版社，1990.

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