电磁屏蔽舱门优化设计＊

2014-11-23

舰船电子工程 2014年2期

（63891部队洛阳 471003）

1 引言

现代战争对装载电子作战功能设备的方舱提出了电磁屏蔽要求。高性能电磁屏蔽方舱可以对所承载的各种电子设备和操作人员提供有效的电磁防护，已成为保障武器装备的战斗力和生存能力的重要手段。

微波技术的发展以及电子侦察、电子对抗等技术水平的不断提高，对方舱舱体的电磁屏蔽性能要求也越来越高。在电磁屏蔽方舱的设计中，由于方舱的主体结构以及装配等限制原因，舱门的设计难度最大，同样也是最为关键的屏蔽部件［1］。兼顾屏蔽门表面防护和方舱移动性的要求，方舱舱门从选材到设计都应该从屏蔽效能角度予以考虑。

2 屏蔽原理和屏蔽效能

2．1 电磁屏蔽

电磁屏蔽是利用金属屏蔽体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露［2］。方舱的屏蔽设计中，主要是控制辐射传播。

电磁屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一类是非静电屏蔽，主要用于防止交变的电场、磁场及电磁场的影响。方舱舱体的电磁屏蔽属于后一种类型。

电场屏蔽的实质是用接地良好的金属屏蔽体将干扰源或者被试设备“包封”起来，从而阻断干扰源到敏感设备之间的电场传播路径［3］。根据这一原理，进行电场屏蔽设计时应注意以下几点：

1）屏蔽方舱舱体的材料尽量选用良导体，如铜、铝、银等材料；

2）屏蔽方舱舱体必须接地良好；

3）屏蔽体尽量减少开孔数量和减小开孔面积。

磁场屏蔽有低频磁屏蔽和高频磁屏蔽之分。

低频磁屏蔽是利用高导磁的材料（如铁、镍铁合金等）构成磁力线的低磁阻通路，均匀磁场的磁力线大部分沿屏蔽体通过，穿入屏蔽体内腔的磁力线很少。屏蔽体的磁导率越高，屏蔽材料越厚，屏蔽性能越高。

高频磁屏蔽是利用屏蔽体的涡流作用来进行屏蔽。涡流作用是当交变电磁场通过金属表面或有金属材料所包围的孔洞时，金属材料会因感应电势形成涡流，该涡流所产生的磁场与原来的磁场的方向相反，即涡流的磁场可以抵消部分原磁场，从而起到屏蔽作用。金属材料的导电率愈高，产生的涡流越大，屏蔽性能越好。

根据以上磁场磁屏蔽原理，在方舱舱体屏蔽设计时应处理好以下几个问题：

1）低频磁场屏蔽要使用钢板这样导磁率高的材料，并且要达到一定厚度；

2）高频时铁磁材料的磁导率降低，涡流效应是屏蔽的关键。因此选用如铜、铝等高导电率的材料较合适；

3）屏蔽磁场尽量使用整体构件，如果需要连接，尽量采用连续焊接的办法。

电磁屏蔽室用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施，电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡层时，受到一定程度的衰减，即产生作用。

2．2 屏蔽效能计算

屏蔽体的屏蔽效果是由该屏蔽体对电磁场强度削弱的程度来决定，通常用电磁屏蔽效能来衡量。屏蔽效能的定义：在电磁场中同一点无屏蔽存在时的电磁场强度与加入屏蔽后的电磁场强度之比，用SE表示，根据电磁波屏蔽的物理过程，屏蔽作用主要有三个方面的机理［4］：一是由于入射波在金属表面的反射，因为金属的导电率比较大，因此反射将会很大，也就是入射波的很大一部分能量被反射了回来，这部分损耗称为反射损耗；二是少量的透射波在进入金属体内部后由于传输损耗很大，也将很快被衰减掉，这部分损耗称为吸收损耗；三是电磁波在金属内部多次反射引起的多次反射损耗。如图1所示。

图1 屏蔽效能计算示意图

所以，屏蔽效能应为反射损耗（R）、吸收损耗（A）与多次反射修正系数（B）之和，即：

其中，多次反射修正项与吸收损耗有关，当吸收损耗大于10dB时，多次反射修正项可忽略。

吸收损耗A（dB）：A＝0．131t

反射损耗R（dB）：

当r≪时，近区若为电场：Re＝322-10lg

多次反射修正项与吸收损耗有关，屏蔽方舱的吸收损耗大于10dB，因此，方舱屏蔽效能的计算忽略多次反射修正项。

双层屏蔽板屏蔽效能：

一般来说，双层屏蔽结构的屏蔽效能小于两个单层金属板的屏蔽效能总和［5］。

3 屏蔽舱门设计与测试

3．1 舱门的设计要素

舱门是方舱舱体电磁泄漏的主要途径，舱门性能的高低对整个舱体的屏蔽效能的优劣举足轻重［6］。在设计和制作中，要考虑影响屏蔽效能的因素［7］。

1）选材和镀层处理

屏蔽舱门材料的选择除考虑2．1中电磁屏蔽理论分析因素外，还要兼顾制作工艺和成本使用的限制，通常选用高磁导率的钢和高电导率的铜和铝都能实现较好的屏蔽［8］。针对舱门位置同样有较高的电磁屏蔽要求，需采用涂覆手段。本例中方舱舱门采用双刀指簧屏蔽门，门刀和门框均采用钢板折弯拼焊成型，再对整体镀铜处理。

2）簧片

对于屏蔽舱门缝隙的处理，簧片是舱门电磁屏蔽设计中最为重要的一个关键要素。簧片的材料，表面质量，硬度，压缩量以及和门体的联接形式都会给门的屏蔽效能带来较大影响。本例中采用铍青铜簧片制成的双层指形簧片结构，簧片的悬臂部分实现弹性形变，簧片与其相配合的金属构件表面有一定接触压力，利用铍青铜簧片的高弹性性能，消除门框和门之间的缝隙，达到良好的电接触，从而实现高性能的电磁屏蔽性能。簧片的屏蔽效能如表1所示。

表1 簧片屏蔽效能

3．2 屏蔽效能测试

3．2．1 测试频点的选择

根据GJB6785-2009《军用电子设备方舱屏蔽效能测试方法》中规定，选取屏蔽效能测试频点如下：

低频段（9kHz～20MHz）：100kHz，200kHz，15MHz

高频频段（300MHz～18GHz）：450MHz，

900MHz，3GHz，6GHz，10GHz，18GHz

3．2．2 测试设备及方法

根据测试频点选择测试设备如表2所示。屏蔽效能测试布局如图2所示，测试时天线的测试布局要求如表3所示。

表2 不同频率范围所用的测试设备

表3 天线测试距离

3．2．3 屏蔽效能结果和对比

将本次舱门屏蔽效能的测试结果与文献［9］中的测试结果进行对比。为便于对比，将两组数据绘制图3，从图3的对比中可以清楚地看到，虽然由于测试设备的原因，选择的测试频点不尽相同，但相近频点处的屏蔽效能明显高于文献［9］中的测试结果。说明本文中的屏蔽方舱舱门的设计思路是正确的，采取的措施效果也较为明显，尤其是目前方舱屏蔽工作中的难点—低频处屏蔽效能较好，均比文献中的屏蔽效能高4dB～6个dB，达到国军标中规定的一类方舱规定。