艦用電子設備結構電磁兼容性設計要點

艦用電子設備結構電磁兼容性設計要點

湯恒1易艷春2

（1.中船重工集團第七二二研究所武漢邁力特通信有限公司武漢430079）（2.湖北師范大學黃石435002）

艦用電子設備的電磁兼容性能與其結構電磁屏蔽能力息息相關。電子設備結構設計時，若不考慮電磁兼容性的設計要求，該電子設備往往不能順利通過或不能通過電磁兼容性試驗，尤其很難通過電場輻射發射試驗。結構屏蔽設計是艦用電子設備電磁兼容設計中極其重要的一環。

電磁兼容；結構設計；屏蔽；接地

Class NumberTN03

1 引言

在民用電子產品的設計中，有人認為，電磁兼容設計主要是硬件設計的事情，與結構設計沒有關系；而有人則認為，電磁兼容設計主要是結構屏蔽設計的事情，只要結構的屏蔽性能設計和制造好了，所有的電磁兼容的試驗都能順利地通過。許多的民用或軍用電子設備，幾乎95%以上不能一次性地通過電磁兼容性的相關項目試驗，必須在結構或硬件上加以整改后才能通過全部項目的電磁兼容試驗，這就十分客觀地證明了前面兩種觀點是片面的，不科學的。因此，只有全面地、系統地、科學地認識到電子設備結構電磁兼容設計的重要性，才能為整機設備及系統通過電磁兼容試驗提供有力的技術保障。

戰爭本身是刺激技術發展的重要因素，先進的技術首先會應用于國防和軍事。各國軍工行業的電磁兼容技術領先于其它行業。

從軍用電子設備角度看，在戰爭模式發展到電子戰的今天，電子對抗、制電磁權的爭奪使得強化電子設備的電磁兼容性是確保在戰爭環境中人員、武器裝備、信息情報的安全、獲得戰爭勝利的關鍵環節。

現代軍用裝備中大量電子設備密集在狹小的空間內，相互間的電磁干擾非常嚴重，造成失靈、癱瘓、事故、甚至由于不能同時兼容工作遭受攻擊的情況屢見不鮮。隨著電子、電氣、計算機、控制技術的迅速發展，軍用裝備所處的電磁環境愈來愈復雜，各類軍用設備及系統的電磁兼容性問題，已成為能否完成預期任務的主要問題之一［2］。

例如：1982年4月2日～6月14日英阿馬島戰爭［3］期間，英軍的謝菲爾德號驅逐艦［4～6］號稱當時最先進的戰艦，擁有最先進的設備。英阿馬島海戰時，阿根廷的兩架“超級軍旗”戰斗機朝謝艦飛去，謝艦的對空警戒雷達發現目標，而阿根廷戰機退回，謝菲爾德艦以為阿根廷戰機回去了，其實阿根廷戰機并未回去，而是以超低空掠海飛行，并向謝菲爾德艦發射了“飛魚”導彈，謝菲爾德號驅逐艦沒有發現來襲飛魚，當時關閉了警戒雷達，正與衛星通迅，原因是兩種電子設備同時開機使用時，彼此間干擾嚴重，英軍當時為了保證與衛星通信的正常進行，臨時關閉了警戒雷達。所以當謝菲爾德艦長聽到導彈來襲聲音時已經來不及了，謝菲爾德艦就這樣被擊沉了。

要保證裝備具有良好的電磁兼容水平，必須在設計、制造等過程中，開展一系列活動，采取一系列措施，以控制和防止電磁兼容性問題的產生［7］。

軍用電子系統是否能夠適應復雜的戰場電磁環境，必須用系統電磁兼容性要求對其進行考核。因此，設計師在系統設計初期就應該充分考慮系統對戰場電磁環境的適應問題［8］。

如果在產品的開發階段，同時進行電磁兼容設計，就可以把80%～90%的電磁兼容問題解決在產品定型之前。那種不顧電磁兼容，只按常規進行產品設計，然后對樣品進行電磁兼容技術測試，發現問題再進行補救的做法，非但在技術上會造成很大問題，而且還會造成人力、財力的極大浪費，這是—種非常冒險的做法。所以，對于任何一種產品，盡早進行電磁兼容設計都是非常必要的。

2 電磁兼容設計的目的

電磁兼容問題是一系統工程問題，電磁兼容設計和管理應該貫穿于從產品的方案設計、研制到使用的全過程。

經驗證明：在產品研制設計之初就應考慮電磁兼容問題，否則待產品生產出來進行測試時才發現問題，再設法解決將花費很高的代價，甚至不能徹底解決出現的問題。

結合硬件及結構電磁兼容設計，電磁兼容設計的主要目的如下：

1）設備內部的電路相互不產生干擾，達到設計預期功能；

2）設備產生的電磁干擾強度低于特定的極限值；

3）設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力等。

3 電磁兼容結構設計整體原則

系統設計人員在進行產品總體設計時首先必須根據產品的輻射發射頻率、傳導發射頻率、電路特點等確認接地系統、共模EMI及差模EMI抑制方案等；結構設計人員根據產品特點確認結構的重點屏蔽部位，為保證實現所要求的屏蔽性能，結構設計人員需注重接地系統處理、結構材料選擇、縫隙處理、穿孔處理和搭接處理；對于沒有屏蔽性能要求的部位也必須注重搭接處理以提高產品的靜電抗擾性。

4 艦用電子設備結構設計要點

4.1 基本要求

艦船電子設備增長不僅表現在數量上，而且還表現在功率、靈敏度和復雜性上。當今，艦載系統在對外輻射千瓦級甚至兆瓦級電磁能量的同時，又可能接收微瓦級的信號電平。這些系統數量不斷增加，而且在空間上、時間上和頻譜上占據著非常有限的電磁環境。為了合理這些有限環境，艦船設計師必須盡力權衡這些系統的要求，并使彼此間的干擾到最小。這種復雜的設計需要采用最好的電磁兼容技術，并以系統和集中的方式使用電磁兼容技術［9］。

在產品結構方案設計階段，主要針對產品需要滿足電磁兼容法規標準、希望達到的屏蔽指標值等，對產品采用相對應的屏蔽設計方案、選擇相對應的屏蔽材料，以及評估和計算材料的厚度等提出設計方案，另外對屏蔽體之間的搭接設計、接地設計、穿孔設計、縫隙設計進行考慮，同時重點考慮接口連接器與結構件的低阻抗配合等屏蔽設計內容。

電磁兼容是一個整機性能指標，它與結構設計的好壞有著密切的關系。當然，結構設計得好，未必就能解決整機全部的電磁兼容性問題（此問題還與硬件電路EMI抑制相關）；但是結構設計得不好，則極有可能導致整機電磁兼容性設計的失敗，這也是引起人們對電磁兼容結構設計重視的原因。在設計一個新產品時，開始階段必須考慮電磁兼容問題。如果忽視了這一問題，到新產品使用時，電磁干擾問題會暴露出來（如謝菲爾德戰艦的慘痛教訓）。因此及早地解決電磁干擾問題不僅是使用者的使用要求，更是設計者勢在必行的設計要求。

考慮到海洋潮濕及鹽霧環境，人體及設備不具備產生靜電積累的條件，所以艦用電子設備，原則上可以不考慮靜電屏蔽和為靜電提供泄放通道。

另外，艦用電子設備，絕大多數為全封閉性的鋁合金加固設備，散熱性能不太好，因此結構屏蔽設計時還應兼顧設備整機的熱設計要求。

4.2 接地設計［10］

4.2.1 艦用電子設備地的種類

艦用電子設備提供的接地方式有兩種，一種為保護地（即機殼地），另一種為信號地（即工作地）。兩種接地柱中，要求保護地與機箱間低阻抗導通、要求信號地與機箱間高阻抗絕緣。保護地兼做安全地的作用，對保證人身及設備安全具有重要作用。

4.2.2 與接地柱間的連接

有些單板設計有對外的輸入輸出接口連接器，如：串口連接器、以太網口連接器、同軸連接器、光連接器等軍用航空連接器，如果它們的屏蔽外殼接地不良將會一定程度地影響到正常工作，例如以太網口有誤碼、丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把單板及設備機箱內的噪聲向外發送。一般來說，選用這些連接器時，要求選用帶有金屬屏蔽外殼的連接器，這些連接器的金屬外殼，一定要與保護地之間低阻抗連接。

單板上自身帶有屏蔽外殼的器件，其屏蔽外殼，須通過PCB與保護地低阻抗連接。

屏蔽電纜的屏蔽層都要連接到箱體的接口保護地（即機殼地）上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種各樣的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。

屏蔽電纜兩端的屏蔽層，都要很好地與保護地接地柱連接，確保屏蔽層兩端的電壓差為零，以防止屏蔽層產生共模輻射騷擾。

屏蔽電纜是在絕緣導線外面再包一層金屬鋁箔或金屬編織網（材料為鍍鎳銅絲）的電纜，金屬鋁箔和金屬編織網即屏蔽層。屏蔽層的屏蔽效能主要不是因反射和吸收電磁波所得到的，而是由屏蔽層接地后所產生的。也就是說，屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到較好的屏蔽作用。艦用電子傳輸電纜的屏蔽層的兩端必須接地，已經在很多設備上經過了驗證，接地不好的話，極有可能導致設備不能通過電場輻射騷擾試驗。

4.2.3 接地注意事項［11～12］

電磁噪聲或電磁干擾引起的故障，大多數出自機殼地、工作地（信號地）線路的電位波動。降低機殼地、工作地（信號地）線路阻抗，對提高抗電磁干擾能力十分有利。在進行接地系統設計和實施接地時需注意以下兩點：

1）須在箱體內濾波處理的信號地接地柱

信號地接地住必須與整個箱體的結構件保持絕緣，信號地在出結構箱體之前，建議進行濾波處理，必要時，還要為信號地開辟專門的屏蔽區域，以防止信號地穿出箱體時對箱體屏蔽性能的破壞。

2）信號地和保護地

信號地和保護地，在箱體外合成一點后就近接入大地，可有效地抑制電磁噪聲，可有效地減少電磁輻射。

4.3 結構屏蔽設計

箱體結構的屏蔽設計，是電子設備的結構電磁兼容設計中十分重要的一環，把箱體的屏蔽性能設計到位了，就相當于完成了結構電磁兼容設計的90%以上的工作。

結構的選材要合理，若材料選擇不合適，將導致結構的屏蔽性能降低或喪失屏蔽性能。在電磁波的傳播途徑上，任何切斷、阻礙、降低電磁波傳播能量的方法，都可阻礙或阻止電磁波的傳播，從而起到屏蔽作用。

電磁屏蔽是利用導電性能良好的導體做成的屏蔽體來阻止或減小電磁能量傳播所采取的一種結構措施。常用的方法有靜電場屏蔽、靜磁場屏蔽和變化的電磁場屏蔽。電子設備結構設計人員在著手電磁兼容設計時，必須根據有關標準、規范、規定所提出的電磁兼容要求進行有針對性的電磁屏蔽設計。在艦用電子設備內部，在自身板間電磁兼容得到了較好處理的前提下，對整機在結構上要對變化的電磁場進行屏蔽結構設計。艦用電子設備結構箱體，一般采用鋁合金進行結構設計和加工，因為鋁合金完全滿足艦用條件下電磁屏蔽的要求，而且可大大降低設備整機的重量，因為在常用的普通合金中，鋁合金的密度較小小，約為鋼的密度的1/3。

4.4 穿孔設計

艦用電子設備，一般情況下是完全密封的，沒有穿孔。若必須穿孔，則須在防鹽霧的前提下，在穿孔處加裝屏蔽網、截止波導通風窗等。

4.5 搭接設計

結構件與結構件之間，結構件與航空連接器屏蔽殼體之間，須添加導電襯墊，以實現接觸面間連續不間斷的低阻抗搭接，從而確保結構箱體的屏蔽性能。導電襯墊的材料，一般選用鋁鍍銀導電橡膠、鈹青銅指形簧片、新型耐鹽霧濺鍍鎳到點襯布等。

4.6 貫通導體的處理［13～14］

穿過具有較高屏蔽性能箱體的導體對箱體屏蔽性能的破壞是十分嚴重的。最為常見的貫通導體，就是進入箱體的電源線、數據線等電纜。對進出箱體的電纜，一般采用以下兩種方法進行處理：

1）將導線屏蔽起來，這相當于將屏蔽體延伸到電纜端部。屏蔽層環360°與箱體搭接好。

2）對導線進行濾波處理，濾除導線上的高頻成份（主要是高次諧波部分）。

屏蔽處理：在電纜端口上安裝低通濾波器，可以有效地濾除電纜上的高頻干擾成份、保持屏蔽體的完整性。但是，前提是電纜上傳輸的信號頻率與要濾掉的干擾頻率相差較遠。

4.7 屏蔽設計與設備的熱設計

艦用電子設備結構的電磁兼容設計，主要體現在結構的屏蔽性能的設計上，理論上來講，一個完整密封的結構箱體，屏蔽性能是最理想的。在實際工程應用中，設備內部電氣部分會產生的大量的熱量，需要通過結構件傳導到箱體上，然后通過箱體輻射到周圍環境中，因此艦用電子設備，在自然散熱的情況下，完整密閉的結構箱體，傳熱路徑長，其散熱能力往往不太理想。

經長期的摸索和驗證后，筆者繪制出了密閉機箱散熱能力圖（密閉機箱散熱面積、散熱量與箱內平均溫升圖）。在自然散熱條件下，密閉箱體的散熱能力見下圖（接近于QJ1474-88電子設備熱設計規范中對應的圖表）［15］。

圖中左邊縱坐標表示箱體內的發熱量，右邊縱坐標方框區域表示箱體內平均溫升，橫坐標表示有效輻射面積。通過此圖，可快速評估箱體的熱設計是否能確保芯片正常工作。

例1：在50℃環境下，某密閉箱體的有效散熱面積是1m2，箱體內的發熱量是240W，兩者橫坐標與縱坐標的交匯點落在δT=35℃的極限范圍之外，表明箱體內溫升超過了35℃，疊加環境溫度，箱體內的溫升將超過35+50=85℃，超出一般工業級芯片允許的極限溫度環境，熱設計不安全。

例2：在50℃環境下，某密閉箱體的有效散熱面積是1m2，箱體內的發熱量是140W，兩者橫坐標與縱坐標的交匯點落在δT=25℃的范圍之內，表明箱體內溫升超過了25℃，疊加環境溫度，箱體內的溫升將超過25+50=75℃，低于一般工業級芯片允許的極限溫度85℃環境，熱設計安全。

5 結語

為了確保艦用電子設備的電磁兼容性，設計者應著重關注電子設備的屏蔽設計，不應遺漏前述的設計要點。

［1］生建友.軍用通信設備的電磁兼容性設計［J］.電子機械工程，1997（04）：37-43.

［2］范惠敏.軍用電子設備的電磁兼容性設計［J］.艦船電子工程，2002（04）：54-58.

［3］中國人民解放軍軍事科學院外國軍事研究部.外國對英阿馬島戰爭經驗教訓的評論［M］.北京：中國對外翻譯出版公司出版，1983：32.

［4］龔惠明.“飛魚”導彈是怎樣擊中英國謝菲爾德號驅逐艦的？［J］.飛航導彈，1983（1）：66-71.

［5］凌翔.“謝菲爾德”級導彈驅逐艦［J］.當代海軍，1997（5）：33-35.

［6］曙光.英國導彈驅逐艦“謝菲爾德”號沉沒記［J］.航海，1988（5）：9-10.

［7］梁雙港，林榮剛，鳳衛鋒.論軍用裝備研制中的電磁兼容性控制［J］.電子質量，2014（2）：72-74.

［8］張亞婷，軍用電子系統的電磁兼容性設計［J］.火力與指揮控制，2010，35（7）：158-160，175.

［9］李國成.艦船設計中的電磁兼容技術研究與對策［J］.安全與電磁兼容，2002（02）：40-42，45.

［10］陳淑鳳.航天產品EMC設計和實施要點［C］//天津：第十二屆全國電磁兼容學術會議，2002：7.

［11］楊勇.軍用電子設備電磁兼容設計與研究［J］.科技傳播，2012（10）：58-59，21.

［12］詹金晶.淺析艦船電磁兼容中的接地設計方法［J］.電子世界，2016（13）：106.

［13］魏光輝等.短貫通導體對金屬腔體屏蔽效能影響研究（英文）［J］.高電壓技術，2013，39（10）：2344-2350.

［14］李新峰等.含短貫通導體的金屬腔體電磁輻射耦合規律［J］.高電壓技術，2016，42（03）：987-993.

［15］QJ1474-88電子設備熱設計規范［S］.航天部單位資料室，1988.

Key Point of Structure Electromagnetic Compatibility Design in Warship Eclectronic Equipment

TANG Heng1YI Yanchun2
（1.Wuhan Melit Telecommunications Co.，Ltd，No.722 Research&Development Institute，CSIC，Wuhan430079）（2.Hubei Normal University，Huangshi435002）

The electromagnetic shielding capbility of electronic equipment structure influences electromagnetic compatibility of warship greatly.During design period of electronic equipment structure，if not pay attention to the requirement of electromagnetic compatibility，the equipment cannot pass the electromagnetic test，or pass the test unsmoothly，it's very difficult to pass the radiated emission test of electric field especilly.Sheilding design of warship electronic equipment is extremely important in the design of elec?tromagnetic compatibility.

electromagnetic compatibility，structure design，sheilding，ground connection

TN03

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.005

2017年2月3日，

2017年3月20日

湯恒，男，工程師，研究方向：通信產品結構設計。