電磁屏蔽技術在衛星接收機房的應用研究及實現

張國平 李源鴻

衛星接收機房主要由衛星接收設備房、計算機房、操作大廳三部分組成。對于計算機機房，國家GB/T2887-2000 給出了電磁場干擾閾值（≤126 dB）和磁場干擾強度閾值（≤800 A/m）。

1 衛星接收機房建筑物附近遭受雷擊時磁場強度計算

該建筑物設計為第二類防雷建筑物（最大雷電流幅值150 KA）,當閃電擊于附近時，所產生的無衰減磁場強度H0=I0/（2·∏·Sa）（A/m）。

從圖1 可以看出，當雷閃擊點離衛星接收機房建筑物40 米以內，衛星接收機房內的磁場強度都大于800（A/m）,所以衛星接收機房必須采取一定的電磁屏蔽措施來保證機房內設備的安全。

圖1 建筑物附近遭受雷擊時機房的磁場強度曲線圖

2 衛星接收機房建筑物遭受直接雷擊時暫態高電位反擊及內部的磁場分布特征

在遭受雷擊時，雷電流將沿建筑物防雷系統中各引下線和接地體匯入大地，在此過程中，將在防雷系統中產生暫態高位uA=Rgi+hIQ·di/dt。如果引下線與其周圍電子或電氣設備之間的絕緣距離不夠，且設備又不與避雷系統共地，則兩者之間就會出現很高的電壓并會發生電擊穿，造成所謂反擊現象。這能導致電子或電氣設備的嚴重損壞，甚至危及人身安全。

建筑物遭受直接雷擊時建筑物內的磁場分布特征如圖2、圖3 所示。

圖2 建筑物比例模型實驗示意圖

圖3 建筑物內的磁場分布

由此可見，其磁場分布是極不均勻的，在靠近引下線的區域應特別注意雷電電池脈沖的防護。

3 衛星接收機房建筑物鋼筋混凝土剪力墻的電磁脈沖屏蔽效能

該鋼筋混凝土屏蔽層，鋼筋=12 mm；間距=100 mm；混泥土層厚度為200 mm。剪力墻的電磁脈沖屏蔽效能如圖4 所示。

圖4 單層無限大鋼筋混凝土屏蔽層示意圖

由圖可見，該建筑物鋼筋混凝土剪力墻對電磁脈沖波有一定的衰減作用，而且衰減微小，并不能起到完全屏蔽作用。

4 金屬網的屏蔽特性

圖5 金屬網示意圖

對于如圖5 所示的單層無限大金屬網的表面阻抗Zs，計算公式為：

利用上述表面阻抗公式可推導出單層金屬網對電磁波的屏蔽效能公式為：

4.1 金屬網不同材料的屏蔽效能圖6 所示

圖6 材料為PEC、銅、鋁時金屬網的屏蔽效能

4.2 金屬網網格大小的屏蔽效能圖7 所示

圖7 解析公式與CST 的單層金屬網屏蔽效能計算結果對比

4.3 金屬網金屬絲不同直徑的屏蔽效能圖8 所示

圖8 w 為0.05、0.1、0.2 和0.3 時，解析公式與全波仿真軟件計算結果對比

4.4 金屬網網格不同夾角的屏蔽效能圖9、圖10 所示

圖9 金屬網網孔形狀示意圖

圖10 兩線夾角θ 變化時，金屬網屏蔽效能隨頻率的變化規律

5 電磁屏蔽玻璃的屏蔽特性（表1）

表1 屏蔽效能與電磁波的反射率的關系

該玻璃是結合電磁屏蔽技術而研制出的特種玻璃。它的分類主要有二種：一是在夾層中夾金屬絲網；二是將含金、銀、銅、鐵、銦、錫等金屬或無機或有機化合物鹽類，通過物理（真空蒸發、陰極濺射）和化學（化學氣相沉積及熱分解、溶膠凝膠）的方法，在玻璃表面形成上述金屬膜層。

5.1 夾金屬絲網電磁屏蔽玻璃的屏蔽特性

金屬絲的直徑、絲網的目數都對屏蔽效果有直接影響。若網眼之間空隙寬度為b，則以矩形窗為例，其截止頻率f 及波長λ 為：fc=15/b λr=2b

對于平面波夾金屬絲網玻璃的屏蔽效能如下：

當λ/2＜πb 時：SE=0

當λ/2＞πb 時：

5.2 鍍金屬膜電磁屏蔽玻璃的屏蔽特性（表2）

對于導電膜，膜的方塊電阻（X）與膜對電磁波的反射率（R）及屏蔽效能之間關系計算式如下：

表2 方塊電阻、屏蔽效能和電磁反射率的關系

5.3 夾金屬絲網電磁屏蔽玻璃和鍍金屬膜電磁屏蔽玻璃的比較如表3

表3 兩種屏蔽玻璃的效能比較

6 利用上述電磁屏蔽特性在我站衛星接收機房具體應用及實現

衛星接收機房平面圖如圖11 所示。

6.1 衛星機房墻體的電磁屏蔽措施

衛星接收機房的墻體有磚砌墻和鋼筋混凝土墻二種。從上述第3 點得知鋼筋混凝土墻并不能起到電磁屏蔽作用，故機房所有墻體都必須做電磁屏蔽措施。從經濟成本及施工工藝考慮，采用金屬網電磁屏蔽方式，從上述第4 點金屬網的電磁屏蔽特性考慮，金屬網宜采用銅質材料且細、正方形網格且網格小和密的金屬網，以提高電磁屏蔽效能。

6.2 衛星機房墻體高腰玻璃窗的電磁屏蔽措施

從上述5.1 夾金屬絲網屏蔽玻璃的屏蔽特性得知，雖然對視線有一定影響，但電磁屏蔽效能相對較高。故衛星接收機房墻體高腰玻璃窗的電磁屏蔽措施宜采用夾金屬絲網電磁屏蔽玻璃方式實現。

6.3 衛星機房玻璃門、玻璃隔斷、操作大廳落地玻璃幕墻的電磁屏蔽措施

從上述5.2 鍍金屬膜電磁屏蔽玻璃的屏蔽特性得知，雖然它的電磁屏蔽效能略低于夾金屬絲網屏蔽玻璃，但它透視性好，故衛星機房玻璃門、玻璃隔斷、操作大廳落地玻璃幕墻的電磁屏蔽措施宜采用鍍金屬膜電磁屏蔽玻璃來實現。

6.4 衛星機房設備機柜的安全位置

從上述2 衛星接收機房建筑物遭受直接雷擊時暫態高電位反擊及建筑物內的磁場分布特征得出，衛星機房設備機柜的擺放位置應盡量遠離建筑物的結構柱及剪力墻（主引下線），設置安全距離大于1 米。

6.5 衛星機房的等電位接地系統

機房接地是為了達到更好的屏蔽效果；根據GB50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》，對機房內設備工作接地、保護接地、邏輯接地、屏蔽體接地、防靜電接地以及建筑物防雷接地等采用共用一組接地系統。

圖11 極軌衛星業務機房平面圖