關于飛機電纜電磁屏蔽完整性的探討

王秉卓 于春風 孟欣/海軍航空大學青島校區

0 引言

復雜電磁環境是信息化戰場的主要特征之一，是裝備技術保障無法回避的客觀現實。強電磁輻射將可能損傷或直接摧毀目標電子設備內的各種敏感電子部件，癱瘓目標計算機系統和信息指揮網絡。隨著電子對抗設備、高功率電磁脈沖武器（EMP）、高能級微波電磁脈沖武器（HPM）的發展，低效的電磁防護已無法支持戰場制電磁權的爭奪，將導致我方失去信息優勢，甚至危害飛行安全[1]。

在為飛機電氣線路互聯系統（EWIS）設計電磁防護區時，應優先選用帶屏蔽保護的電纜。SAE AS50881[2]（Wiring，Aerospace Vehicle，航空航天飛行器布線）中規定：電纜或線束的外屏蔽層應端接至電磁防護區的終端設備，在電磁暴露區使用引線的方式時，需采取額外的措施來保證電氣線路的電磁兼容性符 合MIL-STD-464[3]（Electromagnetic environmental effects requirements for systems，系統電磁環境效應要求）[4]。

若電纜屏蔽端接方式選用不當且未采取額外措施時，將破壞電纜屏蔽的完整性，導致電磁屏蔽效能嚴重下降。本文主要針對部分現役飛機線束中多采用的“pigtail”引線及多根電纜屏蔽層引線串聯接地的屏蔽端接方式，分析其電磁屏蔽性能，并結合相關行業標準，給出電纜屏蔽端接處理方式的 建議。

1 電磁屏蔽

1.1 輻射耦合

電磁波以λ/2π 為邊界劃分近場和遠場，根據EMP、HPM 武器干擾頻帶特點（通常EMP 為1MHz 以下、HPM為1 ～100GHz）[1]，設備通常是在干擾源的遠場（輻射場），以輻射耦合的方式接收干擾電磁場能量。具體的輻射耦合形式主要有場耦合至接收天線、場耦合至電纜等。無論是哪一種輻射耦合形式，接收設備接收電磁場能量都需要形成閉合回路[5]。

無論是通過負饋線還是飛機機體，機載設備電路通常需要構成環（回）路才能正常工作。所有能構成閉合環路的電路都相當于等效天線，當有交變的干擾電磁場通過環路時，根據電磁感應定律，環路中會耦合產生感應電壓，并串入環路產生干擾。需要特別指出的是，當電磁波（激勵源）的頻率足夠高時，即使導線沒有通過集中參數構成閉合環路，也會通過電路中的分布參數形成環路。

1.2 環路接收性能

電磁波的遠場可以看作平面波以簡化計算。如圖1 所示，電場和磁場方向相互垂直，沿坡印廷矢量S向前傳播，閉合環路處于電磁場中，U 是由于受到輻射耦合而在環路中產生的開路電 壓。

圖1 等效天線接收電磁波輻射干擾

圖1 所示閉合環路的接收性能可表示為[6]：

其中，A為環路接收面積；θ為環路平面法線 與磁場強度H間的夾角。

同樣地，接收電壓可以用電場強度E 表示：

從式（1）可見，環路通過輻射耦合接收到的開路電壓與環路面積成正比。需要指出，式（1）表明環路的開路接收性能，當要預估干擾電磁波在負載兩端形成的電壓或環路電流時，必須說明環路的阻抗[6]。

1.3 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是指對以場形式造成的干擾進行有效抑制。電磁屏蔽利用的是金屬屏蔽體（金屬機箱、電纜屏蔽層）對電磁能流的反射、吸收等作用。如圖2所示，假設介質1 中有一電磁波從介質2 的左側射入，在左分界面上發生反射（反射損耗）和透射，透射波在介質2中傳播一段距離（其間會有吸收損耗），在介質2 的右邊界又會發生反射和透 射[5]。

其中，反射損耗與波阻抗的選取（在遠場，按平面波的波阻抗計算）和屏蔽體相對電磁波的空間位置有關。吸收損耗是由于電磁波在金屬中產生渦流發熱而引起的損耗，且電磁波頻率較高時吸收損耗相當大。透射電磁波能夠進入金屬的趨膚深度（δ）一般僅在微米級，進入趨膚深度后的場強已經很小，可以忽略。

完整的金屬屏蔽體的屏蔽效能可達100dB 以上，即使在工程塑料上噴涂金屬材料，也可以達到60 ～70dB，但當屏蔽體上有孔縫或者屏蔽端接不正確時，屏蔽效能將大大下降。

圖2 電磁波的反射、透射、傳播

2 屏蔽端接

在實際應用中，電纜屏蔽端接的處理方式往往不能保證屏蔽的完整性，當線束中存在多個或大量電纜單個屏蔽層需要同時接地時，所采取的屏蔽端接方式往往破壞了屏蔽的完整性，甚至造成更多的電磁輻射和干擾接收。

2.1 pigtail 效應

pigtail 是指在電纜屏蔽端接設計中使用一根短引線（可以是一段編織帶，更普通的是一段導線），將屏蔽層與連接器尾附件或者金屬機箱端接[6]，如圖3 所示；另一種是將短引線與連接器的插針（接觸偶）連接，然后連到設備機箱端接。

如圖4 所示，相比電纜屏蔽層與金屬機箱完整端接（左側），pigtail（右側）使線路在電磁暴露區形成等效環路天線（陰影部分），根據式（1），干擾電磁場將在pigtail 處產生一個干擾電壓Uw與信號電壓Us串聯。pigtail 圍成的環路面積越大，產生的干擾電壓Uw越大。

圖3 電纜屏蔽層pigtail引線端接

pigtail 的存在相當于在信號電路中串聯了一個數十納亨的電感[7]（pigtail上的分布電感的等效集中參數），當屏蔽層上有干擾電流通過時，將在pigtail端接處產生共模干擾電壓并串聯入有用信號中，隨干擾頻率的升高而迅速增加。

2.2 多根電纜屏蔽層引線串聯端接

多根電纜屏蔽層引線串聯端接是指將線束中某一根電纜的屏蔽層的引線（跨接線）串聯到下一根的電纜屏蔽層上，以此類推，將最后一根電纜屏蔽引線端接于電連接器尾附件，或者通過電連接器內預留的針孔端接至連接器（多根屏蔽層引線串聯后采用pigtail 方式與電連接器或機箱端接）。由于各屏蔽層是通過跨接線相連，因此也被稱為“手拉手”連接方式[2]，如圖5 所 示。

圖6 是多根電纜屏蔽層引線串聯端接方式示意圖，可以看出這種端接方式大大增加了環路接收面積，同時較長的屏蔽引線折疊布線也將增加其分布電感。

圖4 電磁波的反射、透射、傳播

圖5 多根電纜屏蔽層引線串聯端接

圖6 多根電纜屏蔽層引線串聯端接示意圖

3 參考標準

3.1 HB6438-2005

HB6438-2005[8]《飛機線束加工通用要求》8.3.3 節對多根電纜屏蔽搭接引線的處理提出了要求，如圖7 所示，允許多根屏蔽引線串聯端接的屏蔽端接方式，電纜屏蔽層間使用跨接線相連，串聯后留出接地線（最后一根屏蔽層引線），要求其長度不宜小于150mm（考慮到跨接線斷線的可能情況，接地線通常應有足夠的余量供跨接線快速修理使用）。

應指出，8.3.3 節給出的圖示中多根電纜外是有總屏蔽層的，且在8.5 節指出，為保證屏蔽的連續性，可對多根電纜屏蔽層的抽頭處增加總屏蔽套以進行接地處理。

可以說，HB6438-2005 允許了多根屏蔽引線串聯接地的屏蔽端接方式，并考慮到這種端接方式對屏蔽完整連續性的破壞而給出了改進方法，但未要求強制執行8.5 節。

3.2 MIL-HDBK419

美國軍用手冊MIL-HDBK419A[9]（Grounding Bonding and Shielding for Electronic Equipments and Facilities，Volume 1 of 2 Volumes Basic Theory，電子設備和設施的接地、連接和屏蔽，第1 卷基本理論，共2 卷）關于電纜屏蔽端接有具體的說明，8.8.1 節《電纜屏蔽（Cable Shields）》指出，如果要避免干擾，必須正確安裝電纜。

1）應避免用一根引線將多個導體屏蔽體接到連接器的地腳上，特別是當屏蔽到連接器、連接器到地引線長度超過1in 時，或在可能涉及不同電路相互作用的情況下。這種接地線是一種常見的阻抗元件，干擾電壓可通過它轉移到另一個電路。

2）如果要保持阻抗特性和屏蔽完整性，應特別注意連接器。應使用屏蔽殼來屏蔽連接器的各個插腳。設計良好的連接器有一個屏蔽殼來封閉其連接點。多個連接器的外殼應與屏蔽連接。同軸線應在屏蔽引腳中終止。使用同軸電纜的pigtail 連接易產生射頻泄漏。

3）當屏蔽線或同軸電纜錯誤地端接在連接器上時，會出現嚴重的干擾問題。在必須將大量屏蔽線的單獨屏蔽層接地的情況下，建議使用環接技術（halo technique）。裸露的非屏蔽導線應盡可能短，以減少導體之間的電耦合。當電纜進入一個完全密封的盒子但內部接地時，就會產生干擾。安裝屏蔽射頻電纜的正確方法是將屏蔽層放在連接器內部，并將其連接在連接器外殼上。

以上分析指出，作為一種常見的阻抗元件，pigtail 在電路中可以產生干擾電壓，并從一個電路轉移到另一個電路，特別要避免使用一根引線將多個屏蔽層串聯到連接器的地腳上。推薦使用帶有能夠屏蔽連接器的各個連接點的屏蔽殼的連接器，同軸線應在屏蔽引腳中終止。在必須將大量屏蔽線的單獨屏蔽層接地的情況下，應采用其他技術手段。

MIL-HDBK419A 第1 卷 在8.8.2 節《端與連接器（Terminations and Connectors）》中不建議對這些屏蔽層進行抽頭并將其連接到其中一個管腳上，而是給出了如圖7 所示的電纜屏蔽端接處理方式，連接器組件中，單獨的防護罩連接專門用于此目的的同軸銷，配合表面的屏蔽件在銷釘之前接觸。

4 解決方案

某公司提供了Star-Shield?零長度單體終端尾附件（Zero-Length Individual Termination Backshells）系列解決方案。如圖8 所示，該電纜屏蔽端接組件主要由圖中的1-7部分組成，0是壓接接觸偶。

Star-Shield?系列實現零長度單體屏蔽端接是將1 至2 根電纜的屏蔽層通過熱縮終止套管（內含焊錫環和一段屏蔽編織套）與一個卡套（金屬箍）連接在一起，使用熱風槍熔化焊錫環，使電纜屏蔽層、熱縮管屏蔽編織套、卡套三者間形成良好電接觸，如圖9 所示。

圖6 多根電纜屏蔽搭接引線的處理

圖7 電纜屏蔽連續性的連接器示意圖

圖8 零長度單體終端尾附件組成

圖9 電纜屏蔽層與卡套連接

圖10 卡套與星形卡套槽配合

圖11 星形卡套槽與錐形壓縮裝配環配合

圖12 緊固螺母與接頭組件配合

將卡套裝入一個星形卡套槽中，并將星形卡套槽嵌入錐形壓縮裝配環內，如圖10、圖11 所示。

將緊固螺母與接頭組件以規定的扭矩值擰緊，完成卡套、星形卡套槽、錐形壓縮裝配環、接頭組件四者之間的緊密配合，如圖12 所示。

最后，將接頭組件的另一端與連接器配合，完成Star-Shield?的全部安裝。Star-Shield?使所有導電體表面360°端接于設備機箱，實現了電纜與連接器之間暴露在外界電磁環境下未屏蔽電纜長度為零的目的，保證了屏蔽端接的完整性，消除了pigtail 效應帶來的不良影 響。

5 結束語

通過分析環路對電磁波的接收性能，認為pigtail 短引線、“手拉手”引線中存在的分布電感會放大屏蔽層電流引起的共模干擾，同時，增加的環路天線面積將加強對外界干擾的接收，對電纜電磁屏蔽產生較大不良影響。為保證電磁屏蔽的完整性，本文參考行業標準和有關資料，給出以下建議。

1）避免pigtail 引線的使用，在保證搭接電阻符合要求的前提下，建議電纜屏蔽應盡可能選用帶有同軸銷的連接器，或者搭配類似Star-Shield?的尾附件。

2）若實在無法避免pigtail 引線，也應杜絕屏蔽引線“手拉手”（多根電纜屏蔽層引線串聯）端接方式。同時，盡可能減小屏蔽引線的長度，采取屏蔽引線向后出線方式，連接到連接器針孔或尾附件，并且加裝360°搭接的總屏蔽套，以確保高效的電磁屏蔽效 能。