线束产品抗电磁干扰防护设计及应用

2013-03-05钟晓玲

机电元件 2013年2期

关键词：尾部线束附件

钟晓玲

(沈阳兴华航空电器有限责任公司)

线束产品抗电磁干扰防护设计及应用

钟晓玲

(沈阳兴华航空电器有限责任公司)

文章介绍了线束产品电磁干扰传播途径、屏蔽原理，并结合应用示例，介绍了线束产品抗电磁干扰的防护设计。

线束产品;抗电磁干扰;屏蔽;防护设计

1 引言

线束产品可以说无处不在，无论是测试设备之间的电气连接、航空发动机各附件与飞机控制系统之间的电气连接、导弹发射系统的电气连接、飞机各执行机构之间的电气连接、汽车发动机与各执行机构之间的电气连接等等，均离不开线束产品。

在电子技术飞速发展的今天，电子设备得到广泛应用，数量之多、功率之大、所占频带越来越宽，使背景噪声电平越来越高，电磁污染越来越严重，已成为目前主要公害之一，引起世界各行各业广泛关注。

如何使线束产品满足当今电子设备需要，满足电子对抗技术要求，线束产品的抗电磁干扰防护设计，也就成为线束产品设计人员研究课题之一。

2 基本概念

a )电磁干扰

电磁干扰－－因电磁骚扰引起设备、装置或系统性能下降。

b)电磁干扰传播途径

电磁干扰传播途径分为“传导”和“辐射”两种。

传导－－干扰信号通过金属线路传播，即干扰源和接收器之间有完整的电路连接。此电路包括导线、供电系统、公共阻抗、设备机壳、金属支架、接地线、变压器、互感和电容等集中元器件。总之，只要共用一个返回通路，将两个电路直接连起来，就会形成传导干扰耦合。辐射－－干扰以电磁波的形式通过空间传播。

c)抗电磁干扰

抗电磁干扰－－设备暴露在电磁辐射条件下所呈现的不希望有的响应程度，它分为两种形式:辐射敏感度和传导敏感度;

d)辐射敏感度

辐射敏感度－－对造成设备降级的辐射干扰程度;

e)传导敏感度:

传导敏感度－－当引起设备不希望有的响应或造成其性能降低时，对电源线、控制线或信号线上干扰信号的电流或电压的度量。

3 线束产品抗电磁干扰防护设计

线束产品通常由电连接器、导线、防波套、护套、转接件、模缩套、接线端子、转接器、电子元件等组成。线束产品抗电磁干扰防护设计就是通过结构设计达到抗电磁干扰目的。

线束产品用来传输电源电压和各种电信号，它虽然本身不产生电磁干扰，但却为电磁干扰信号提供干扰和辐射的媒体，导线中的电感是产生地噪声电压的一个重要参数，在任何一根导线中产生的电压都是流过它自身的电流和流过所有临近导线中的电流的函数。

导线可等效成为一个偶极子天线，可起辐射天线的作用，从而成为电磁干扰辐射源的一部分，同时起到接收天线的作用，成为系统对辐射发射敏感度的重要一环。

电源电缆和信号电缆还为传导电磁干扰电压和电流提供耦合途径。当导线集束后，导线与导线靠的很近，这就造成对近场耦合或串扰的潜在敏感性。当与电缆相连的电路工作在低阻抗时，则主要是通过线间互感的磁场耦合，其与干扰信号的频率、线间距离、耦合长度、线路阻抗和线束屏蔽层的接地方式等有关。当与电缆相连的电路工作在高阻抗时，则主要是通过线间分布电容的电场耦合，其与干扰信号的频率、线间距离、屏蔽、滤波等有关。抑制导线束辐射和接受的主要措施是屏蔽和滤波。

屏蔽就是利用金属屏蔽体(钢、铜、铝和铅等)把主串回路和被利用电缆传输电信号串回路隔开，使干扰电磁场减弱所采取的一种措施，如电连接器的金属外壳、导线外的防波套(屏蔽层)等。

如何做到线束产品外部防波套与电连接器尾部附件形成径向360°屏蔽，在使用过程中无电磁泄漏，满足电磁兼容性要求，导线束外部防护结构与电连接器端接技术是线束产品抗电磁干扰防护设计的关键所在。

按屏蔽作用原理，电缆的屏蔽体可分为静电屏蔽体、静磁屏蔽体和电磁屏蔽体。

静电屏蔽体的作用是使电场终止于屏蔽体的表面上并通过接地的方法把电荷传送到大地中去，通常静电屏蔽体是由逆磁材料(铜、铝和铅等)制成的。

a.屏蔽体与大地不接触时，被干扰导体b上受到静电感应影响

b.屏蔽体与大地不接触时，被干扰导体b上不受静电感应影响

静磁屏蔽体的作用是使磁场限制于屏蔽体内，它是用强磁材料(通常是钢)制成的。由于磁导系数很高，屏蔽体的磁阻很小，因而干扰源产生的磁通就大部分被限制于强磁屏蔽体中，而只有少数部分进入被屏蔽空间。

c.静磁屏蔽体

上述静电屏蔽体、静磁屏蔽体仅在低频时有效。如电缆，传输各种传感器信号、控制信号、电源信号、通讯信号等，电磁环境非常复杂，在抗干扰防护设计时，导线分别选择双绞或三绞屏蔽导线，导线屏蔽材料为逆磁材料－铜丝编织而成，通过指定点与发动机外壳短接，其目的就是使电场终止于导线屏蔽层表面上并通过接地的方法把电荷传送到发动机外壳。

导线束外是用强磁材料－1Cr18Ni9Ti不锈钢丝编织而成，其作用是使磁场限制于屏蔽体内。由于不锈钢丝磁导系数很高，屏蔽体的磁阻很小，因而干扰源产生的磁通就大部分被限制于强磁屏蔽体中，而只有少数部分进入被屏蔽空间。屏蔽体的磁导系数越大及屏蔽体厚度越大，则屏蔽效果越好;屏蔽体的半径越大，则屏蔽效果越差。

而在高频时应采用电磁屏蔽，电磁屏蔽体的屏蔽作用主要是由于屏蔽体表面的反射和屏蔽体内的高频能量衰减造成的。由于屏蔽体的金属波阻抗和周围的介质波阻抗不同，引起了电磁波反射。屏蔽体内的能量衰减则是由于金属内涡流引起的损耗所产生的。

强屏蔽体的吸收屏蔽效果远大于逆磁屏蔽体，但由于钢内的能量损耗很大，对能量传输来说是不利的，故一般不采用钢件作为单层屏蔽体。同样厚度的逆磁屏蔽体的屏蔽效果仅由电导系数σ的数值来决定，根据各种金属电导系数排列顺序，铜最好，铝次之，铅最差。因此，射频电缆在设计时，外屏蔽均采用铜丝编织屏蔽乃至采用双层屏蔽。

影响线束产品屏蔽效果除材料外，电磁泄露是影响产品屏蔽效果的重要因数。而线束产品电磁泄露的主要部位是防波套与连接器尾部壳体端接位置，通过下面具体应用示例，说明线束产品防电磁泄露的防护设计。

示例1:

某电缆，用于飞机与发动机各附件的电气连接，传输各种传感器信号、控制信号、电源信号。

环境特点:温度高、振动强度高，具有抗湿热、耐盐雾、防霉菌、抗电磁干扰等要求。

为满足产品上述使用要求，产品的抗电磁干扰防护设计不仅要考虑产品的抗干扰能力，还应综合考虑使用环境要求，尤其是高热、潮湿、振动条件下对导线的影响。

各种电气设备之间的电信号传输主要通过线束产品与各电气设备之间的电气连接来实现，而线束产品离不开导线和电连接器。

该产品的设计通过导线束外部选用带聚四氟乙烯管的不锈钢丝防波套。其一，该防波套具有很好的耐温性能，可在－60℃～250℃条件下长期工作;其二，该防波套具有很强的抗腐蚀性和很好的三防性能;其三，不锈钢丝编织的防波套具有很强的抗拉强度，对导线具有很好的保护作用和抗干扰作用。

此种结构防波套较硬、结构复杂，现有连接器尾附件很难将其固定。因此，设计专用尾部附件，该附件包括内外衬套，采用滚压技术将防波套固定于内外衬套之间，使防波套与连接器壳体之间紧密配合，防波套与尾部附件之间形成径向360°连接，接触电阻小于0.1mΩ，确保产品在使用过程中无电磁泄露，满足电磁兼容性要求，具体设计结构见图1。

图1 线束产品结构图

示例2:

某测试电缆用于地面电子设备间的相互连接，除有电磁兼容性要求外，同时，该产品移动敷设，要求产品具有良好的柔软度。在产品设计时，选用带记忆环固定的连接器尾附件。

记忆环是利用TiNiNb宽滞后形状记忆合金的宽滞后记忆恢复特性，针对航空、航天、船舶、雷达通讯等屏蔽电缆的防波套与电连接器之间，实现紧密连接而制成的环形紧固件。其特点是:首先，按配合标准要求，将防波套套在连接器尾部附件相应位置上，再将记忆环套在防波套上，用专用工具对记忆环加热，至环上色标由绿色转为黑色。该环能够产生6%～7%的径向收缩，将防波套沿连接器尾部附件圆周360°固定，使防波套与连接器尾部附件紧密接触，增强连接可靠性和抗电磁干扰能力，接触电阻小于0.1mΩ。同时，产品具有较强抗拉、抗振动、抗冲击能力。

该产品贮存温度为:≤60℃;长期工作温度:－70℃～200℃;记忆恢复应力:≥300MPa。

其优点是:使用方便、快捷。具体设计结构见图2。