某军用方舱舱体屏蔽设计

引言

随着现代战场电磁环境复杂性,为适应作战需求，对军用方舱的电磁屏蔽性能指标也提出了更高的要求,因此军用方舱屏蔽设计要求也越来越高。从电磁屏蔽原理入手,介绍了方舱电磁屏蔽的重要性,分析了方舱产生电磁泄漏的主要原因;然后分别对方舱壁板、方舱门、 转接孔口、采光窗等主要结构件电磁屏蔽的设计规范进行阐述,分析提高方舱屏蔽效能的措施,为方舱的电磁屏蔽设计提供一定参考。

1、电磁屏蔽原理

电磁屏蔽既屏蔽外部环境的电磁能量对内部设备的辐射，同时也屏蔽内部设备产生的电磁能量向外部环境的泄漏。随着作战环境的多样化，军用方舱内安装有大量的电子设备，相互间干扰的可能性较大，在战场上敌方施加的各种大功率干扰信号，均可造成电子设备不能正常工作，常采用各种屏蔽措施抑制干扰 [1-2]。随着干扰源的性质不同进行分析研究，对应采用不同的屏蔽措施，达到最大限度的抑制干扰。以下对影响军用方舱屏蔽因素进行分析：

1.1 电场屏蔽

当干扰源是以电压形式出现时，干扰源与电子设备之间就存在容性电场耦合。在这种情况下，最有效的抗干扰方法，是实施电场屏蔽；目前最简单有效的方法是采用屏蔽材料具备较好的导电能力(如铜、铝等),并且保证屏蔽体接地良好。

2.2 磁场屏蔽

当干扰源是以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰，抑制这类干扰有效办法是实施磁场屏蔽。磁场屏蔽首先应考虑干扰源的频率高低，因为随干扰频率的不同，屏蔽原理也不同，它将涉及到屏蔽材料的选用，屏蔽壳体设计、制作等各方面的影响因素。

2.2.1 低频磁场屏蔽

低频一般在 100kHz 以下的电磁波。为抑制磁场耦合干扰，应尽量减小分布互感，其办法是选用具有高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体，将干扰源或屏蔽起来，这样能使干扰源产生的磁通被引到铁磁材料中，从而不与被干扰的电路交链。

2.2.2 高频磁场屏蔽

频率在 100kHz 以上高频磁场的屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到其目的。在高频磁场情况下，屏蔽壳体表面形成的涡流越大越好，而铁磁材料的磁损损耗太大，不利于在屏蔽壳体上形成尽量大的涡流，达不到有效消除高频磁场干扰的目的。对于高于 100kHz的高频干扰,采用高导电率材料(如铜、铝等)产生逆向磁场与外界高频磁场对冲抵消,实现屏蔽效果。高频磁场中,由于材料的趋肤效应,涡流仅在屏蔽壳体表面薄层流过，屏蔽壳体无须做得很厚。

1.3 电磁场屏蔽

电磁波在传播过程中会产生反射、透射和吸收，吸收的电磁波也会在屏蔽体内部经过多次的反射而逐步耗散。利用金属表面的反射和金属材料内部多次反射来吸收电磁波, 这一原理可以抑制电磁场传播,从而实现电磁场屏蔽。对于频率越高的电磁波,电磁波在金属内部衰减的越快,吸收效果越好,反之金属的导电、导磁能力越强,电磁场吸收效果越好。

2、电磁屏蔽方舱性能指标

1) GJB870—1990《军用电子设备方舱通用规范》中提出,在 0.15MHz～10GHz 频率范围内,屏蔽方舱对电磁波的屏蔽效能不低于 60dB 。

2) GJB6109—2007《军用方舱通用规范》将电磁屏蔽方舱的屏蔽等级划分成 3 个级别, 详见表 1

表 1 电磁屏蔽效能

根据国军标屏蔽效能划分,国内屏蔽方舱主要分为 40dB 和 60dB 两种。

3、电磁屏蔽方舱

3.1 方舱电磁泄漏分析

电磁屏蔽方舱由各个独立的舱板拼接而成，组舱时的各舱板拼接处和内外包边、包角铆接缝的缝隙会造成电磁泄漏,此外,舱板上开设的门、窗、孔口、电气转接板等部件也是造成电磁泄漏的主要因素。因此,在进行方舱结构件设计中要解决好缝隙问题,保证舱体各部位的电气连续性从而达到较好的屏蔽效果。为了确保方舱系统的屏蔽性能,达到要求屏蔽效能指标,通常设计时理论屏蔽效能应高于实际要求。

3.2 舱体屏蔽

舱体是有独立的壁板拼接而成，对存在拼接缝隙应从内外分别进行防护。外包边宽度 80×80mm ，厚度 6mm ，确保搭接面，40dB 屏蔽粘接铜胶带可增加高频时指标，60dB 舱板搭接采取焊接工艺，效果会更好。内压条导电氧化，要求高时采用低碳钢镀锌或镀镍，压条结合面保持金属本体，安装点加密，该角部对接为直段上对接，衬压铜筛网，隔墙两侧按屏蔽结构处理。壁板尽量少开孔口，如必须应加大距离，并加以封堵或加滤波等措施，孔口尽量小，布线尽量走明线，避免壁板内部连通孔。

3.3 门窗孔口布置原则

根据实际设计和生产验证，一般应尽量减少门、窗、孔口的数量, 且孔口不宜集中排布。方舱最多开设 2 个门(工作门、应急门)且不能在同一壁板上。舱体上的电源孔口和信号孔口应保证较大的安装距离,最好将两个孔口布置在不同的舱板上;舱体上开设的进排风口尽量不开设在门体所在的舱板上,此外还要与电源孔口保持较大的距离。

3.4、电源孔口、信号孔口的屏蔽设计

电源孔口、信号孔口是军用方舱中必须具备的结构设施,但是电源孔口、信号孔口对舱体屏蔽性能影响较大, 因此在对军用方舱的电源孔口、信号孔口设计时, 必须要减小其对军用方舱电磁波屏蔽性的影响。在设计时,可以对信号口、电源口等部位选择导电材料进行覆盖,增强孔口面板与孔口面板支架的连续性。处理好缝隙是保证电磁屏蔽的关键。

3.5 采光窗的屏蔽设计

采光窗是军用方舱的是一个重要组成部分,采光窗的材料通常选择导电性能好的合金材料,其次应保证采光窗与军用方舱的壁层内外蒙皮相连接,确保二者的衔接性，通常在采光窗表面覆盖上由铜丝组成的铜丝网，确保电气连续性[3]。

3.6 通风口的屏蔽设计

舱板上的通风窗需采用截止波导,既能满足方舱通风量的要求, 又能满足整个方舱的屏蔽效能要求, 通风窗的连接处采用金属丝网屏蔽衬垫,安装部位必须用工业酒精进行擦洗清洁后再进行安装,确保不会掺杂杂质影响导电性。

3.7 滤波器安装

要确保高性能屏蔽方舱的屏蔽效能,除了对方舱进行严格的屏蔽设计外,对进、出方舱的电源线、信号线等也须采取与所要抑制频段相同的滤波措施。方舱所用的滤波器分为电源线滤波器和信号线滤器。 滤波器与方舱的安装连接对于确保方舱的高频屏蔽特性具有极为重要的作用, 必须采用穿墙式安装形式，见图 1。

图1 滤波器安装形式

3.8 方舱舱门的屏蔽设计

舱门是舱体最大的孔口，解决舱门的电磁屏蔽效能是军用电磁屏蔽方舱的最关键的一点。门体在结构设计上要充分考虑，确保门体导电连续且可靠。当电磁屏蔽要求高的方舱，选用专用的门型材，门体结构设计时可采取一道簧片或两道屏蔽条结构。理论结合实践证明，为保证密封可靠、和电连续性，设计舱门和框时须增加骨架的刚强度，封闭结构，以保证装配使用中产生更小的形变。采取屏蔽丝网、铆接、焊接等安装方式，保证内外蒙皮与门框可靠的电连续。门框要进行表面处理，屏蔽效能为 40dB 的金属型材采取导电氧化、增加导电性，屏蔽效能 60dB 的金属型材镀镍磷合金，保证接触面有较好的导电性和耐磨性。

3.9 波导板安装

通风小门采用波导板屏蔽，波导板与导电的门口框搭接，中间衬垫金属丝网，波导板材质、尺寸选择原则仍遵循外形越小、越厚、磁导率越越好。根据测试实际屏蔽效果，当通风波导外形尺寸超过400mm，应设计两个独立风口。

4 结论

国内传统的大板方舱屏蔽设计和生产工艺已日趋成熟，基本实现了 40dB、60dB 屏蔽性能指标要求，但大多采用高反射的电磁屏蔽材料进行屏蔽，虽然达到了屏蔽指标，舱体内部反射回来的高能量电磁波同样会对电子设备产生电磁干扰，因此兼顾吸收效果的高性能屏蔽复合材料是屏蔽发展的一个重要趋势。

今后考虑对新材料应用，如碳纤维复合屏蔽材料和石墨烯复合屏蔽材料方舱成型技术，实现屏蔽功能和结构承载一体化，达到方舱屏蔽性能指标要求，同时可实现方舱轻量化设计要求。

参考文献：

[1] 区健昌,电子设备的电磁兼容性设计．北京:电子工业出版社,2004

[2] 林为干,符果行．电磁场理论．北京:人民邮电出版社,1984

[3] 白艳玲.电磁屏蔽方舱设计要素[J].新技术新工艺,2011 (8): 116-118.

作者简介：孙康 1995.02.01 男安徽 毫州人汉本科助理工程师研究方向:方舱及电气系统方面的研究工作