復(fù)雜電磁環(huán)境下某型保障裝備電磁防護(hù)研究

羅佳偉王保成孫國文孫玉琳

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系徐州221000）

復(fù)雜電磁環(huán)境下某型保障裝備電磁防護(hù)研究

羅佳偉王保成孫國文孫玉琳

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系徐州221000）

簡要分析了某型保障裝備所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境，并分析了該保障裝備在電磁環(huán)境下所受的影響，最后分析了從該保障裝備的整體屏蔽機(jī)殼、控制系統(tǒng)、電纜線三個易受電磁干擾的部分提出了電磁防護(hù)措施，提高該保障裝備的電磁防護(hù)能力。

電磁防護(hù)；保障裝備；電磁環(huán)境；電磁干擾

Class NumberO44

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的飛行保障裝備大多數(shù)是機(jī)電儀一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它們對外部電磁環(huán)境的敏感程度比傳統(tǒng)機(jī)械要高得多，所以惡劣的電磁環(huán)境往往使飛行保障裝備不能正常工作，從而不能很好地完成飛行保障任務(wù)。因此，對保障裝備進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計，來提高飛行保障裝備的電磁防護(hù)能力，已經(jīng)成為一項重要的課題。

2 某型保障裝備面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境分析

2.1 復(fù)雜電磁環(huán)境

復(fù)雜電磁環(huán)境指在一定的時域和頻域上，電磁信號縱橫交叉、連續(xù)交錯、密集重疊、功率分布參差不齊，對相應(yīng)的電磁活動和其他軍事活動產(chǎn)生重大影響的電磁環(huán)境［1］。隨著大量的電子、電氣設(shè)備廣泛地應(yīng)用于軍用飛機(jī)的系統(tǒng)中，導(dǎo)致飛機(jī)中各種電磁輻射體如雷達(dá)、通信設(shè)備等電磁輻射源的功率越來越大，發(fā)射出的電磁波頻帶越來越寬，所以現(xiàn)在機(jī)場的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜、密集和多變［2］，特別是在未來戰(zhàn)場上，電磁脈沖武器的使用會使電磁信號的頻帶越來越廣，殺傷力越來越強(qiáng)，脈沖時間越來越短，嚴(yán)重影響保障裝備的安全使用。

2.2 電磁干擾耦合途徑

所有電磁干擾都是由三個基本條件組成：電磁干擾源、對該干擾能量敏感的接收器以及將電磁干擾源傳輸?shù)浇邮掌鞯拿浇椋鐖D1所示。電磁信號對保障裝備的干擾途徑主要有兩種：一種是通過機(jī)殼上的孔縫輻射耦合進(jìn)入裝備內(nèi)部，進(jìn)而影響裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)；另一種是通過場線耦合，信號從裝備的電纜進(jìn)入裝備的電子系統(tǒng)，使電子系統(tǒng)造成紊亂。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境對某型保障裝備的影響分析

按保障裝備的各部分組成，將其分為勵磁調(diào)壓系統(tǒng)、電磁調(diào)速器、回路板總成和計算機(jī)控制系統(tǒng)四個部分［3］，并對電磁環(huán)境對各部分的影響及原因進(jìn)行了分析。通過對各部分的影響分析，能夠清楚保障裝備受電磁環(huán)境影響的方式，從而可以更方便地采取針對性的電磁防護(hù)措施。復(fù)雜電磁環(huán)境對該保障裝備的影響及原因分析見表1。

4 某型保障裝備電磁防護(hù)設(shè)計

為提高該保障裝備的電磁防護(hù)能力，需要對保障裝備進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計，來達(dá)到電磁防護(hù)要求。對照電磁環(huán)境對保障裝備的影響及原因分析，將從飛行保障裝備的整體屏蔽機(jī)殼、控制系統(tǒng)、電纜線三個主要部分分別對其進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計來提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的防護(hù)能力。

表1 復(fù)雜電磁環(huán)境對某型保障裝備的影響表

4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)最易受外部電磁干擾的是其系統(tǒng)內(nèi)的電氣結(jié)構(gòu)，所以對控制系統(tǒng)的電磁防護(hù)設(shè)計最主要采用兩種辦法：一種是屏蔽；另一種是濾波。

1）屏蔽。即將控制系統(tǒng)易受外部電磁干擾的電氣元件及功能模塊放入屏蔽室內(nèi)，可以使電磁波衰減60dB～140dB，從而達(dá)到防護(hù)的目的。所以要對其屏蔽室或屏蔽外殼進(jìn)行設(shè)計，首先的就是選用較好的屏蔽材料。在戰(zhàn)時，保障裝備要面對的是強(qiáng)電磁干擾，因此要求所有屏蔽材料能同時屏蔽電場和磁場兩種成分，這里選用的是結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料，其屏蔽效能能受厚度以及搭接和接地好壞的影響。常用的屏蔽材料的特性如表2所示［5］。

但穿過屏蔽體的導(dǎo)線對屏蔽體的破壞是十分嚴(yán)重的，在這里有兩種處理辦法，如圖2所示。

一是將導(dǎo)線屏蔽起來，這相當(dāng)于將屏蔽體延伸到導(dǎo)線端部另一機(jī)箱內(nèi)。

二是對導(dǎo)線進(jìn)行濾波處理，濾除導(dǎo)線上的高頻成分。在導(dǎo)線端口上安裝低通濾波器，可以有效的濾除導(dǎo)線上的干擾，保持屏蔽體的完整性。

表2 幾種常見屏蔽材料的性能

2）濾波。控制系統(tǒng)內(nèi)最容易受電磁干擾的是勵磁調(diào)壓系統(tǒng)，特別是對勵磁電流的影響。因此需要對勵磁調(diào)壓系統(tǒng)采取濾波措施，該濾波設(shè)計就是在勵磁線圈E1-E2前加裝一個電磁干擾濾波器（EMI濾波器），如圖3所示。

用單一電容元件濾波的缺點(diǎn)是帶外衰落速率只有6dB倍頻程，把單個串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組合而成一個L型結(jié)構(gòu)的濾波器，則得到12dB倍頻程。由于勵磁線圈E1-E2正常工作是用的是直流電，故選用低通EMI濾波器［6］，其接線方法如圖4所示。

差模和共模干擾信號的濾除的等效原理圖如圖5所示。

其對數(shù)幅頻特性為

隨著角頻率ω=2πf→∞，經(jīng)過濾波器的輸出的干擾信號衰減逐漸增加，起到了濾除高頻干擾信號的作用。如果源阻抗和負(fù)載阻抗相等，則其插入損耗為

4.2 電纜線設(shè)計

1）電纜線進(jìn)出機(jī)箱設(shè)計

在給飛機(jī)進(jìn)行供電保障時，電纜線則是給飛機(jī)供電的傳輸通道。一方面它能將穩(wěn)定的電源輸送給飛機(jī)，另一方面也能將干擾信號傳導(dǎo)至飛機(jī)以及將飛機(jī)上的干擾信號傳導(dǎo)至保障裝備，使干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)中的電子設(shè)備，形成破壞。所以為了提高裝備的電磁防護(hù)能力，需要對電纜線進(jìn)出機(jī)箱進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計。其控制方法主要是在屏蔽基礎(chǔ)上的合理濾波，主要用以下兩種設(shè)計方法。

方法一是將濾波器與連接器合成為集屏蔽與濾波為一體的電源線進(jìn)出機(jī)箱設(shè)計。即利用濾波器的底面安裝連接器并作為屏蔽面。并且濾波器的插入損耗和阻抗特性一定要能達(dá)到EMC要求，不能簡單選用。

方法二則是將濾波器放置于與連接器同一機(jī)箱面上，距離靠近，用一個半屏蔽殼屏蔽，使輸入線和輸出線絕對隔離。

濾波器采用三相并聯(lián)電源輸出濾波器，為了克服二階LC濾波器可能引起諧振的缺點(diǎn)，加入了一個阻尼電阻來抑制，設(shè)計了LRC低通濾波器，如圖6所示。濾波電感L值和濾波電容C值滿足截止頻

2）屏蔽電纜設(shè)計

在保障過程中，電纜既是傳送能量的途徑，也是干擾的傳送途徑，并且電纜又在機(jī)場復(fù)雜電磁環(huán)境下鋪設(shè)［7］，面對的大多是高頻電磁干擾的威脅，很容易受輻射干擾從而導(dǎo)致輻射干擾經(jīng)過耦合進(jìn)入電纜內(nèi)部，影響保障的正常進(jìn)行。因此，為了減小外界電磁信號的干擾度，對電纜要進(jìn)行屏蔽設(shè)計。對比傳統(tǒng)的屏蔽方法，對電纜的屏蔽采用“超級屏蔽”更為合理［8］，即采用編織網(wǎng)屏蔽層與金屬或類似的高磁導(dǎo)率材料包裹層組合起來。其性能比常用的實(shí)心銅屏蔽層一樣好，甚至更好，同時還具有一定的柔韌性。屏蔽電纜減小電纜輻射的原理是為共模干擾電流提供了一個返回源的通路，減小了共模干擾電流的回路面積，所以屏蔽層提供的通路阻抗越小越好。

除了考慮屏蔽層的質(zhì)量之外，還得考慮屏蔽層之間的連接，如果屏蔽層連接不好，同樣也達(dá)不到理想的防護(hù)效果。電纜屏蔽層需要與它所穿過的屏蔽機(jī)箱表面形成完整的圓周連接（即360°端接）［9］，減小電纜屏蔽層與機(jī)箱之間的搭接阻抗，使其構(gòu)成一個完整的屏蔽體，如圖7所示。

4.3 整體屏蔽機(jī)殼設(shè)計

裝備的機(jī)殼可以對內(nèi)部各個易受干擾的部件進(jìn)行屏蔽保護(hù)，所以對裝備的機(jī)殼的電磁防護(hù)設(shè)計顯得尤為重要。外殼的屏蔽材料選用可參照控制系統(tǒng)的屏蔽體來設(shè)計，但為了保證裝備的正常工作，還必須為供電線纜留下引線孔，為了便于操作和監(jiān)控，以及對裝備各部件散熱和通風(fēng)，還需在殼體上開操作顯示窗口和天窗，這就造成電氣不連續(xù)，使屏蔽的效能大大降低，造成外殼泄露或易受干擾［10］。

1）通風(fēng)口設(shè)計

若忽略屏蔽體的面板的厚度，則屏蔽體在遠(yuǎn)場區(qū)最壞情況下的屏蔽效能為

式中，D為通風(fēng)口圓孔的直徑（mm），f為入射電磁波的頻率（MHz）。所以由公式可以看出，當(dāng)電磁波入射到通風(fēng)口圓孔時，電磁泄露與孔的尺寸有關(guān)，開口尺寸越大屏蔽效能越差，因此在屏蔽機(jī)箱的通風(fēng)口的設(shè)計上采用與一個大孔相同開口面積的多個小孔構(gòu)成的陣代替一個大孔［11］。該方法能提高孔的截止頻率，提高單個孔的屏蔽效能；增加輻射源到孔的相對距離（與孔的尺寸相比），減小孔的泄露。但在機(jī)場，干擾的電磁波的頻帶很寬，若采用含有規(guī)則排列的孔的金屬板，其對一部分的干擾電磁波的屏蔽效能極低，所以在設(shè)計時，金屬板上的孔洞的排列應(yīng)該呈不規(guī)則性且孔與孔之間的間距不等。

2）指示燈、顯示窗口的設(shè)計

飛行保障裝備上現(xiàn)都含有操作面板，有了操作面板，那就不可避免的就有指示燈和顯示窗口，而這些恰恰影響了整體屏蔽機(jī)殼的屏蔽效能。對其的防護(hù)設(shè)計采用一種新型的導(dǎo)電玻璃，它是一種在玻璃上鍍上一層很薄的導(dǎo)電層的透明屏蔽材料［12］，屏蔽效能可以達(dá)到80dB～100dB，它隨頻率的升高而下降，在干擾頻率大于1GHz時，幾乎失去屏蔽作用。另外它的屏蔽效能與其透光率成反比，即導(dǎo)電層越薄，它的表面電阻就越大，屏蔽效能就越差，反之，導(dǎo)電層越厚，其表面電阻就越小，屏蔽效能就越好。表3列出了幾種導(dǎo)電玻璃的屏蔽效能與干擾信號頻率的關(guān)系。根據(jù)保障裝備受電磁干擾時的干擾信號的頻率，加上其監(jiān)控顯示屏是數(shù)碼顯示，有內(nèi)光源，所以采用透光率為60%的導(dǎo)電玻璃效果最好。

表3 幾種導(dǎo)電玻璃的屏蔽效能（單位：dB）

5 結(jié)語

針對現(xiàn)某型保障裝備頻受電磁干擾問題，本文通過分析保障裝備面臨的復(fù)雜的電磁環(huán)境以及復(fù)雜電磁環(huán)境對該保障裝備的影響及原因，并在從保障裝備的整體屏蔽機(jī)殼、控制系統(tǒng)、電纜線三個易受干擾的部分有針對性地提出了電磁防護(hù)措施，提高該保障裝備的電磁兼容性和電磁防護(hù)能力。

［1］劉尚合，孫國至.復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，19（1）：1-5.

［2］孫榮平，成本茂，郭龍.復(fù)雜電磁環(huán)境下機(jī)載電子設(shè)備的電磁兼容仿真研究［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9（2）：57-60.

［3］蔣超，王保成.航空地面電源［M］.徐州：空軍勤務(wù)學(xué)院出版社，2014：107.

［4］徐可.軍用電子裝備戰(zhàn)場損傷評估與修復(fù)技術(shù)研究［D］.江蘇：南京航空航天大學(xué)，2007：12-13.

［5］丁世敬，趙躍智，葛德彪.電磁屏蔽材料研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2008，22（4）：30-33.

［6］蘇新兵，王建平，沈燕良.某型飛機(jī)壓力加油控制盒電磁兼容設(shè)計［J］.裝備環(huán)境工程，2005，2（6）：58-62.

［7］徐結(jié)海.對電磁兼容性中應(yīng)用屏蔽技術(shù)的研究［J］.黑龍江科技信息，2011（36）：35.

［8］呂文紅，郭銀景，唐富華.電磁兼容原理及應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：179.

［9］姚平剛，劉學(xué)全.機(jī)車電氣設(shè)備屏蔽電纜端接技術(shù)分析及設(shè)計［J］.電子世界，2014，（6）：15-17.

［10］孫學(xué)士.汽車電子設(shè)備電磁屏蔽措施幾屏蔽效能測試研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2012：15.

［11］夏能弘，易學(xué)勤，宋文武.EMP激勵下帶孔縫金屬機(jī)箱的耦合特性研究［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（3）：21-24.

［12］黃雋，費(fèi)奇志，張浩然.電磁脈沖武器對軍機(jī)座艙后門耦合效應(yīng)及軟殺傷分析［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2011，26（1）：5-10.

Electromagnetic Shielding for A Certain Support Equipment under Complex Electromagnetic Environment

LUO JiaweiWANG BaochengSUN GuowenSUN Yulin
（Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou221000）

The electromagnetic environment that support equipment faced was introduced.The influence of complex electromagnetic environment on support equipment was analyzed.Then several measures and designs of EMI protection from three aspects of overall cabinet，control system and cable were taken.The ability of electromagnetic shielding for support equipment was improved.

electromagnetic shielding，support equipment，electromagnetic environment，electromagnetic interference

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.037

2017年1月8日，

2017年2月27日

羅佳偉，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。王保成，男，碩士，副教授，研究方向：航空四站裝備防雷及電磁防護(hù)。孫國文，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。孫玉琳，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。