舰船控制机柜电磁兼容设计＊

闫 鹏

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

随着舰船武器装备的发展，电子装备越来越多，结构越来越紧凑，在这狭小的空间里面，相互之间的干扰会很严重，电子设备产生的电子辐射干扰或传导干扰等会影响其他设备的正常工作。另一方面控制机柜功能要求越来越强大，机柜内部安装大量高精度、高灵敏度电子器件。电子环境逐步恶化，因此电磁兼容性设计就显得尤为重要，电磁兼容性设计还应在机柜结构与电气设计之前开展并伴随整个机柜的设计。

国军标GJB72A－2002给出了电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，即EMC）的概念：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态[1]。包括以下两个方面：

1）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；

2）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常的工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。

舰船控制机柜的电磁兼容的设计不仅要考虑机柜在特定的电磁环境中能否正常工作，还要考虑机柜对周围电磁环境的影响[2]。电磁兼容性已成为当前机柜设计的重要的指标，本文从机柜结构与电气设计上给出电磁兼容设计的几种方法。

2 控制机柜

图1 机柜结构示意图

本舰船控制机柜采用31U标准机柜，机柜由机架和6个分机组成。机架由骨架、顶盖板、侧板、底座、背部和底部减震器等组成。机柜采取分机抽拉式结构，各分机为独立机箱，分机与机架之间采用钢制两节滚动导轨、导向销和六个松不脱螺钉互相连接，形成一个标准机柜。机柜结构示意图如图1所示。

自柜顶到机柜底座为1＃～6＃分机，其中1＃分机安装铰链式面板，拉出后可由上向下朝外翻转，分机内部安装标准6U加固机机箱，其它五个机箱为滑轨抽屉式机箱，带有盖板，面板与分机为一个整体。

3 机箱EMC设计

滑轨抽屉式机箱为拼装式，由底板、侧板、盖板用螺钉拼接而成，如图2所示。由于加工、装配等原因，机箱结合面处会形成很多电气不连续的缝隙，该缝隙是电磁泄漏的主要通道，使机箱的屏蔽效能大大的降低。

对于滑轨抽屉式机箱的电磁兼容性设计主要是针对机箱缝隙的电磁泄漏而采取的以下几点措施：

1）提高结合面的光洁度，尽量减少结合面的缝隙；

2）利用屏蔽材料对缝隙处进行屏蔽，使结合面具有良好的电气连续性。在本机箱的设计中，在机箱的各结合面设计密封凹槽，在凹槽中填充金属丝网包裹的导电橡胶，保证各侧板的电气连续性，减少缝隙电磁泄漏；

图2 滑轨抽屉式机箱结构示意图

3）在机箱面板与机柜的结合处设计密封凹槽，在凹槽中填充金属丝网包裹的导电橡胶，保证机柜与机箱的电气连续性，减少缝隙电磁泄漏；

4）机箱具备良好的接地。

1＃分机是带安装铰链式面板的加固机，加固机里装有大功率的开关电源、电路板、敏感电子元器件等。加固机结构示意图如图3所示。

图3 加固机结构示意图

针对加固机安装有开关电源、电路板、敏感电子元器件采取了以下几点电磁兼容设计。

1）加固机采取整体密封设计；

2）加固机内部安装电源滤波器，在AC220V输入电源线上接入专用的电源EMI（电磁干扰）滤波器，可以有效的抑制电源线上的传导干扰；

3）如图3所示，在加固机内部设计了一个挡板，将加固机分成两个独立密封的两个腔，左边安装电源模块，右边安装电路板，将干扰源与敏感器件分开；

图4 电源模块和电路板示意图

4）在加固机的接缝处使用带屏蔽网的导电橡胶；

5）电源模块和电路板使用单独的屏蔽盒进行屏蔽，屏蔽盒设计成迷宫多腔结构，不同敏感级别的元器件分腔放置，电源模块和电路板如图4所示。

4 机柜EMC设计

控制机柜整体作为一台设备，由各分机和柜体组成，所以机柜的EMC设计既包括分机的EMC设计，也包括柜体的EMC设计。以下就从机柜的面板指示灯和开关开孔、通风口、观察窗、机柜走线与接地、连接器的安装等方面详细介绍机柜EMC设计。

图5 指示灯屏蔽设计示意图

在机柜的面板上需要安装一些指示灯、开关、保险等，因此在面板上加工对应的安装孔。这些开孔安装指示灯、开关、保险后可能造成电气上的不连续性，安装设备后存在缝隙，易造成电磁泄漏。设计中在机柜内部加装屏蔽罩将指示灯、开关、保险等暴露在机柜外部的部分罩住，并在其与机柜结合部加装导电衬垫，以减小缝隙和改善电接触。引出线上加装小型焊接型滤波电容（穿心电容），使引线所感应的干扰信号被旁路接地实现机柜电气上的连续性[3]，如图5所示。

机柜里安装有大功率模块，需用通过风冷对这些模块进行散热，在机柜底部和背部设计的有进、出风口。通风口一般采用开圆孔或百叶窗，虽然能够满足通风的需要，但此举破坏了机柜整体的屏蔽性，通风口是电磁干扰的主要泄露部位。必须在通风口安装电磁防护罩，由此提供射频衰减，又不妨碍通风的要求。本机柜利用波导管的截止频率特性，在机柜的通风口安装通风蜂窝板，以解决屏蔽和通风散热的问题，机柜出风口蜂窝板和截止波导蜂窝孔如图6、7所示。

图6 风口蜂窝板示意图

图7 截止波导蜂窝孔示意图

给定了六角形波导内壁外接圆的直径W（cm），可由式（1）算出蜂窝孔的截止频率为

计算出蜂窝孔的截止频率后，可由式（2）算出整个蜂窝板在各个频率下的屏蔽效能，式（2）中f为电磁波频率（Hz），L为波导长度（cm），SE为屏蔽效能（dB），n为波导个数（孔数）。

由式（2）可以看出，在蜂窝板厚度不变的情况下，蜂窝板面积越大，波导孔越多，屏蔽效能越不好[4]。

机柜内部的走线、接地、连接器的安装、观察窗的EMC设计对抑制各种耦合、串扰等有很大好处。本机柜在这些方面主要采取了如下措施：

1）机柜中各种裸露走线尽可能短；

2）模拟信号线、数字信号线、电源线应分组捆扎，并保持适当的距离；

3）对于信号线（如串口、网络）将进线与回线绞合在一起形成双绞线；

4）对于辐射干扰较大的和敏感线路导线应加以屏蔽；

5）对于外部进入到机柜的电缆应确保电缆屏蔽层与机柜柜体良好的接触；

6）采用模拟地、数字地、机壳地三套系统，并贯彻到电路板、分机、机柜；

7）连接器安装处不涂油漆，加装导电衬垫，应使电缆屏蔽层与连接器插头尾夹良好接触；

8）观察窗选用EMC导电玻璃，在导电玻璃的四周涂上导电胶，使其与面板粘贴，通过铝合金压板将屏蔽玻璃的导电层与前面板紧固。

5 结语

机柜的电磁兼容是一个比较复杂的问题，在实际工程中有很多不确定的因素，很难对其进行定量的计算，因此EMC设计要伴随机柜整个设计过程。文章从多个方面给出了EMC的设计方法，经过试验证明，这些方法都可有效地抑制和减少电磁干扰，机柜的EMC性能满足GJB151A－97中规定的部分项目的要求。

[1]GJB72A－2002，电磁干扰和电磁兼容性术语 [S].

[2]GJB151A－1997，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].

[3]吕仁清，蒋兴权.电磁兼容结构设计[M].南京：东南大学出版社，1990：25－27.

[4]王定华.电磁兼容原理与设计[M].成都：电子科技大学出版社，1995：88－90.