航天器屏蔽電纜的電磁兼容性設(shè)計(jì)

劉 靜，周麗萍

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

航天器電磁兼容設(shè)計(jì)在型號(hào)研制中占極重要的地位，其電子設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生無(wú)意電磁干擾能量，并可能對(duì)其周圍敏感電子設(shè)備造成影響。通常總體設(shè)計(jì)人員會(huì)制定型號(hào)電磁兼容規(guī)范，提出單機(jī)產(chǎn)品的電磁兼容試驗(yàn)要求，控制航天器上電子產(chǎn)品的電磁發(fā)射性能（干擾源特性）及抗電磁干擾性能（敏感源特性），確保其電磁兼容性（EMC）。

從型號(hào)實(shí)際研制過(guò)程發(fā)現(xiàn)，總體僅靠型號(hào)EMC 規(guī)范要求來(lái)解決系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題是不夠的：航天器EMC 設(shè)計(jì)不但與其單機(jī)電子設(shè)備、分系統(tǒng)的電磁兼容性相關(guān)，而且與整個(gè)航天器結(jié)構(gòu)外形、總裝工藝、熱控及信號(hào)傳輸路徑等也有直接關(guān)系。例如單機(jī)產(chǎn)品的電源、信號(hào)接口插座及相連各類電纜接口的設(shè)計(jì)，往往會(huì)影響分系統(tǒng)和單機(jī)的EMC 性能，對(duì)電纜采取屏蔽處理是減少干擾耦合途徑[1-4]、改善航天器EMC 的重要方式。

1 航天器電纜的EMC 設(shè)計(jì)

1.1 航天器電纜EMC 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)電纜傳輸信號(hào)的頻率、上升/下降時(shí)間、接口電路阻抗、傳輸信號(hào)最大峰-峰值電壓、接口電路對(duì)電磁場(chǎng)耦合敏感程度等因素，選用適宜的電纜；當(dāng)電源和信號(hào)用同一個(gè)連接器傳輸時(shí)，應(yīng)合理分配接點(diǎn)，使電源、低電平信號(hào)和脈沖信號(hào)各間隔至少1 個(gè)點(diǎn)，必要時(shí)將這些用于隔離的接點(diǎn)就近與接地點(diǎn)連接[5]；電源線應(yīng)扭絞；基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)電流及各類傳感器輸出信號(hào)的傳輸線需要采用屏蔽電纜。

鋪設(shè)不同類型信號(hào)線纜束（火工品線纜單獨(dú)成束）時(shí)，需采取空間隔離或物理隔離措施，盡量保持20 dB 的線束間距。電纜束鋪設(shè)距航天器結(jié)構(gòu)高度盡量小于10 mm。

航天器內(nèi)電纜布局時(shí)，應(yīng)盡量避免靠近其艙板開口處。航天器內(nèi)外相連穿艙電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，并通過(guò)法蘭穿過(guò)殼體，保證穿艙電纜的屏蔽層與航天器有良好的搭接。

采取空間隔離、增加屏蔽措施是電纜網(wǎng)EMC設(shè)計(jì)中改善系統(tǒng)安全余量的有效手段，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又安全可靠。

1.2 屏蔽電纜的屏蔽皮接地原則和原理

如果要對(duì)并行的兩束電纜中敏感的那束采取屏蔽措施，除了選用屏蔽導(dǎo)線外，還要考慮屏蔽皮的接地。如果屏蔽層的任意一端接地，本質(zhì)上就能消除兩線間的容性耦合。而為了消除感性耦合，屏蔽線必須雙端接地。雙端接地的電纜屏蔽皮對(duì)感性耦合只有在干擾頻率f大于屏蔽層的拐點(diǎn)頻率fSH時(shí)才有屏蔽作用，如圖1所示[6]。屏蔽皮的傳輸阻抗與很多技術(shù)相關(guān)，因此串?dāng)_頻率不同時(shí)，屏蔽皮上耦合的電流并不相同，編織網(wǎng)上的孔縫也會(huì)起作用，故會(huì)表現(xiàn)出不同形式。通常典型屏蔽層的拐點(diǎn)頻率為10 m?/(2π×0.5 μH)≈3.1 kHz。

圖1 屏蔽層接地對(duì)屏蔽線感性耦合的影響示意 Fig.1 Illustration of the effect of shield grounding on the inductive coupling to a shielded wire

當(dāng)電纜束端接的負(fù)載不同時(shí)，屏蔽皮接地尾辮線的影響也不同。例如，R=50 ?，比較長(zhǎng)0.5、3 、8 cm 的尾辮線抗串?dāng)_性能：頻率在1 MHz 以上時(shí)，最長(zhǎng)的尾辮線導(dǎo)致的串?dāng)_比最短的大30 dB；拐點(diǎn)頻率在6 kHz 以上時(shí)，屏蔽線纜的屏蔽皮開始起效，頻率在100 kHz 以下時(shí)，尾辮線部分的串?dāng)_呈感性，并且比屏蔽皮部分的串?dāng)_影響要小得多；隨著頻率的增加，尾辮線的耦合作用繼續(xù)以20 dB/10 倍頻的速度增加，并且在頻率大于100 kHz 以后開始大于屏蔽皮部分的耦合作用。

當(dāng)負(fù)載變大（R=1 k?）時(shí)，比較長(zhǎng)0.5、3、8 cm的尾辮線也有類似的結(jié)果，只是受影響的頻率比100 kHz 更低。這是因?yàn)槠帘尉€部分的感性耦合電平降得很低，所以在很低的頻率上尾辮線的感性耦合作用開始大于屏蔽皮部分的耦合作用，尾辮線的作用就不容忽視了。

圖2描述的簡(jiǎn)化模型[7]顯示了電纜屏蔽皮末端接地是如何抵抗外部干擾的，可以看出屏蔽皮和連接器之間的尾辮線如何成為關(guān)鍵薄弱點(diǎn)。

圖2 電纜屏蔽雙端接地 Fig.2 Cable shield connected to the chassis at both ends

假定接地平面的電阻可忽略（這是最差情況），則

其中：RS為屏蔽皮阻抗；LS為接地面上屏蔽皮的自電感；LT為屏蔽皮的轉(zhuǎn)移電感；RC為屏蔽皮接地阻抗；LC為屏蔽皮接地自電感；LTC為屏蔽皮接地轉(zhuǎn)移電感。通常典型值為RS=10 m?/m×電纜長(zhǎng)度；LS=0.5 μH/m×電纜長(zhǎng)度。

對(duì)鋁制的螺旋形屏蔽皮來(lái)說(shuō)，LT=(若干nH/m)×電纜長(zhǎng)度；對(duì)編織網(wǎng)狀屏蔽皮來(lái)說(shuō)，LT＜1nH/m×電纜長(zhǎng)度，LTC≈20 nH（3 cm 長(zhǎng)尾辮線），LTC≈ 150 pH（D 型座），LTC≈5/50 pH（BNC 舊的/新的，視情況而定）。

從公式(2)可以看出，屏蔽皮的終端接地阻抗LTC對(duì)電纜的屏蔽特性有嚴(yán)重影響。

1.3 常用屏蔽終端的接地方式[8]

1）接地針?lè)绞健Ｆ帘纹ねㄟ^(guò)一根線（尾辮線）接到接插件的接地針上，接地針通過(guò)單元內(nèi)部用額外的一根線接到設(shè)備單元的底座上，如圖3。這種方法應(yīng)該盡量避免使用，因其主要缺點(diǎn)在于屏蔽皮上耦合的外部干擾將直接注入到設(shè)備單元電封裝內(nèi)部。而單元的電封裝形式利用的是法拉第籠原理，目的是保護(hù)內(nèi)部電路免受外部電磁干擾的侵入；這種方法將使其變成容易被耦合電流激勵(lì)的射頻電容。為了確保法拉第籠的完整性，應(yīng)當(dāng)確保干擾電流在電封裝盒外表面流動(dòng)。

圖3 屏蔽皮連接到接地針（應(yīng)避免使用這種方法） Fig.3 Cable shield connected to a ground pin (a solution to be avoided)

2）金屬梳方式。屏蔽皮通過(guò)電纜接插件上的一個(gè)金屬梳接地，金屬梳通過(guò)接插件的扭緊固定螺栓接地，如圖4。每根雙絞線的屏蔽皮都通過(guò)一根尾辮線（圖4中黃色線）接到梳子頂點(diǎn)，這個(gè)接地裝置直接安裝在接插件罩子上，對(duì)D 型連接器來(lái)說(shuō)，這種裝置通過(guò)接口扭緊固定螺栓接到單元盒的地上。這種方法可以避免尾辮線通過(guò)接地針進(jìn)入設(shè)備單元盒內(nèi)部，并且可以將尾辮線的長(zhǎng)度限制在幾cm 內(nèi)。導(dǎo)線的屏蔽皮與金屬梳的連接方式見(jiàn)圖5。

圖4 電纜屏蔽皮接到金屬梳的接地方式 Fig.4 Cable shields connected to a halo ring: the grounding

圖5 電纜屏蔽皮連到金屬梳的連接示意圖 Fig.5 Cable shields connected to a halo ring: the layout

3）EMC 尾罩里的金屬環(huán)方式。EMC 尾罩是電纜接插件后部的一種金屬罩，如圖6，屏蔽皮尾辮接地線接到接插件的金屬環(huán)上。

圖6 電纜屏蔽皮尾辮線連接到EMC 連接器尾罩內(nèi) 的金屬環(huán) Fig.6 Cable shields connected to a halo ring inside a connector backshell

4）EMC 尾罩里的接地簽方式。屏蔽皮尾辮線接到EMC 連接器尾罩內(nèi)的接地簽，如圖7。

圖7 連接器尾罩內(nèi)的接地簽 Fig.7 Grounding tag inside a connector back-shell

5）連接器尾罩通過(guò)D 型接插件的扭緊固定螺栓接到設(shè)備單元盒上。每個(gè)電纜屏蔽皮都通過(guò)尾辮線焊接到尾罩上，如圖8，尾辮線完全包在尾罩里。

圖8 連接器尾罩內(nèi)的接地簽與屏蔽皮連接示意 Fig.8 Cable shield connection to a grounding tag inside a connector backshell

6）360 °尾罩接地方式（圖9）。屏蔽皮直接接到連接器EMC 尾罩特殊部位，然后扭緊壓接屏蔽皮，這樣可以完全不用尾辮線。

圖9 屏蔽皮360°接地方式 Fig.9 Tag ring cable shield termination

1.4 屏蔽電纜外加屏蔽皮的討論

圖10這種利用尾辮線接地的方式，尾辮線處的屏蔽連續(xù)性被破壞，給法拉第籠引入一個(gè)“洞”，給外部電磁場(chǎng)一個(gè)干擾路徑，降低了屏蔽效果。法拉第籠的完整性可以通過(guò)在連接器背殼尾罩上再加外部屏蔽來(lái)修復(fù)，如圖11。

圖10 尾辮線連接示意圖 Fig.10 The pigtail connection

圖11 連接器尾罩和外屏蔽 Fig.11 Connector backshell and overshield

這種配置下內(nèi)部屏蔽對(duì)整體屏蔽效能的作用只對(duì)低頻有效。對(duì)存在外部屏蔽的情況，內(nèi)屏蔽的目的只能是減少電纜束內(nèi)部各數(shù)字信號(hào)線之間的電磁干擾。因此圖12這種將電纜束內(nèi)部的幾根獨(dú)立的屏蔽皮連接到一塊然后去接地的方式是錯(cuò)誤的。

圖12 外屏蔽里邊的屏蔽電纜 Fig.12 Shielded cables inside an overshield

頻率在幾十kHz 以上時(shí)，感應(yīng)到內(nèi)部信號(hào)線屏蔽皮上的共模電壓將通過(guò)尾辮線的接地點(diǎn)傳播。尾辮線將一個(gè)內(nèi)部電纜屏蔽皮上的共模電壓傳到 另一個(gè)屏蔽皮，并破壞其抗電磁干擾的能力。尾辮線之間相互緊密接觸或者雙絞在一起都會(huì)破壞屏蔽，均應(yīng)該避免。

1.5 屏蔽皮終端接地方式對(duì)屏蔽性能的影響

為研究如何優(yōu)化電纜連接器，在嚴(yán)格測(cè)試并比較完前面5 種接地方式的典型表現(xiàn)后，可以得出以下結(jié)論：

1）接地針?lè)绞健?dǎo)致EMC 特性最差。一根9 cm長(zhǎng)的尾辮線將破壞整個(gè)信號(hào)鏈路EMC 特性20～30 dB。尾辮線漏電感將導(dǎo)致整個(gè)屏蔽皮的屏蔽效能降低。一般在用圓形連接器且機(jī)械穩(wěn)定度要求非常高或要求多次方便測(cè)量屏蔽皮搭接電阻時(shí)才可能使用該方式。

2）金屬梳方式。因?yàn)槲厕p線很短，EMC 特性有改善，然而，尾辮線的存在仍然降低EMC 性能——5cm 的長(zhǎng)尾辮線比1.5m 的電纜屏蔽皮的漏電感還要大。金屬梳會(huì)導(dǎo)致電纜網(wǎng)重量增加，需要在EMC特性與重量上折中考慮，另外，此方法最大缺點(diǎn)是連接器插拔操作過(guò)程中接地可靠性降低。

3）EMC 尾罩里的金屬環(huán)方式。與金屬梳方式比較一致，這種方法可改善連接器插拔的機(jī)械可靠性。

4）EMC 尾罩里的接地簽方式。EMC 特性與前面方法一致，但尾辮線可能更長(zhǎng)，故效果可能更差。

5）360 °尾罩接地方式。這項(xiàng)技術(shù)將電纜皮通過(guò)連接器尾罩直接接地，避免使用尾辮線，因此大大減少接地線的漏電感，與金屬梳方式相比，屏蔽效果有10～30 dB 的改善。這種方式可改善接插件插拔的可靠性，對(duì)EMC、電纜組裝以及設(shè)計(jì)的繼承性都是一種不錯(cuò)的選擇方式。

通過(guò)對(duì)同一種電路的負(fù)載，用不同屏蔽終端接地方式，得到各種不同的共模發(fā)射電流，如圖13所示。

圖13 各種電纜和電纜束屏蔽皮接地方式的比較 Fig.13 Comparison of various cable and bundle shielding methods

1.6 目前國(guó)內(nèi)航天器屏蔽電纜常用的屏蔽皮接地 方式

目前國(guó)內(nèi)航天器電纜屏蔽設(shè)計(jì)一般是將電纜屏蔽皮與電纜頭部電連接器的尾罩螺釘進(jìn)行連接，連接方式類似1.5 節(jié)中金屬梳的連接方式，如圖14所示。

圖14 國(guó)內(nèi)航天器屏蔽電纜常用的屏蔽皮接地方式 Fig.14 Shielding methods commonly used in home-made spacecraft

按照歐標(biāo)ECSS-E-HB-20-07A《空間工程電磁兼容技術(shù)》[7]的5.2 章節(jié)“系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)”中所述，這種設(shè)計(jì)使得尾辮線成為關(guān)鍵薄弱點(diǎn) 尾辮線的存在導(dǎo)致漏電感增大而降低屏蔽電纜的EMC 性能，因此尾辮線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短（不能大于 3 cm）。目前正在使用的國(guó)內(nèi)航天器電纜屏蔽通常對(duì)尾辮線的長(zhǎng)度沒(méi)有要求。對(duì)于低頻信號(hào)且靈敏度要求不高的傳輸電纜，這種連接方式暫時(shí)滿足單機(jī)要求，但降低了屏蔽效能。而當(dāng)單機(jī)設(shè)備的外圍存在干擾信號(hào)或電纜傳輸信號(hào)的頻率較高時(shí)，則在電纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該額外增加專門的電纜屏蔽皮接地設(shè)計(jì)要求。

2 電纜屏蔽設(shè)計(jì)解決型號(hào)電磁兼容問(wèn)題實(shí)例

某型號(hào)微波遙感衛(wèi)星的高精度定位系統(tǒng)為全套引進(jìn)產(chǎn)品，由于受國(guó)際合作渠道及流程限制，初樣研制階段沒(méi)能參與航天器整星測(cè)試驗(yàn)證，正樣上星測(cè)試后發(fā)現(xiàn)進(jìn)口產(chǎn)品自身與其天線有不兼容問(wèn)題。

首先，總體對(duì)產(chǎn)品的EMC 設(shè)計(jì)及外圍電磁環(huán)境進(jìn)行分析，該產(chǎn)品最初電纜設(shè)計(jì)是非屏蔽的，在產(chǎn)品地面驗(yàn)收測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，地面供電及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都有干擾信號(hào)會(huì)經(jīng)由接插件口泄漏，測(cè)試結(jié)果可確認(rèn)，在401.25 MHz 附近的最大干擾信號(hào)比指標(biāo)要求的噪聲背景電平大20 dB。為了解決自兼容問(wèn)題，分別試用磁珠及屏蔽線的方式對(duì)電纜進(jìn)行改進(jìn) 并測(cè)試。

1）航天器電源及產(chǎn)品的配電設(shè)備加電后，用近場(chǎng)探頭在電纜接插件附近測(cè)得輻射發(fā)射電平接近本底噪聲-135 dBm。產(chǎn)品開機(jī)后接插件附近出現(xiàn)噪聲，干擾最大值為-73.4 dBm，見(jiàn)圖15。

圖15 產(chǎn)品改進(jìn)前測(cè)得的輻射發(fā)射頻譜 Fig.15 The radiated field measured by spectrum analyzer before redesign

2）產(chǎn)品供電電纜加磁珠后，接插件附近噪聲干擾最大值為-86.2 dBm，相比加磁珠前改善13 dB。通過(guò)增加磁珠的數(shù)量，可以看到產(chǎn)品的干擾被進(jìn)一步抑制，改進(jìn)最多可達(dá)-91 dBm。

3）對(duì)電源線纜進(jìn)行屏蔽防波套改進(jìn)，重新測(cè)試產(chǎn)品接插件附近噪聲干擾最大值為-94.9 dBm，此時(shí)，數(shù)管遙測(cè)線纜上嗅探到的輻射發(fā)射電平為-87.9 dBm，已經(jīng)反超電源線纜，于是給遙測(cè)線加磁珠，將遙測(cè)線上干擾也降低至-94.4 dBm。此試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明必須同時(shí)對(duì)電源電纜和數(shù)管遙測(cè)電纜進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)果是干擾降低至-104.7 dBm，見(jiàn) 圖16。

圖16 產(chǎn)品改進(jìn)后測(cè)得的輻射發(fā)射頻譜 Fig.16 The radiated field measured by spectrum analyzer after redesign

綜上所述，通過(guò)使用屏蔽線或者磁珠的方式都能使干擾得到顯著降低。但綜合考慮增加磁珠的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，最終選擇了采用360°雙端接地的屏蔽防波套來(lái)增大干擾耦合度，從而解決了該產(chǎn)品的自兼容問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了航天器屏蔽電纜的EMC 設(shè)計(jì)方法，主要對(duì)屏蔽電纜的屏蔽皮單雙端接地、尾辮線長(zhǎng)短選擇、電纜束外加屏蔽的注意事項(xiàng)以及多種屏蔽皮接地設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了詳細(xì)應(yīng)用案例及效果展示，為航天器電纜網(wǎng)的電磁兼容設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。

（Reference）

[1] 鄭軍奇.EMC 電磁兼容性設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2010: 79

[2] Williams T.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試[M].李迪,譯.北京: 電子工業(yè)出版社,2008: 288

[3] 陳窮.電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1993: 436

[4] 姜興杰.電磁兼容性及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,42(9): 164 Jiang Xingjie.Design and application of electromagnetic compatibility[J].Modern Electronics Technique,2011,42(9): 164

[5] 李永剛,孫麗娜,張葆,等.光電偵察平臺(tái)電磁屏蔽設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2013,42(8): 2046 Li Yonggang,Sun Li’na,Zhang Bao,et al.Design of electromagnetic shielding forelectro-optic reconnaissance platform[J].Infrared and Laser Engineering,2013,42(8): 2046

[6] Paul C R.電磁兼容導(dǎo)論[M].聞?dòng)臣t,梁婷,閻少楠,等,譯.北京: 人民郵電出版社,2007: 428

[7] ECSS-E-HB-20-07A Space engineering: Electromagnetic compatibility hand book[S],2012

[8] 陳淑鳳.航天器電磁兼容技術(shù)[M].北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2007: 104