舰用电子设备结构电磁兼容性设计要点

舰用电子设备结构电磁兼容性设计要点

汤恒1易艳春2

（1.中船重工集团第七二二研究所武汉迈力特通信有限公司武汉430079）（2.湖北师范大学黄石435002）

舰用电子设备的电磁兼容性能与其结构电磁屏蔽能力息息相关。电子设备结构设计时，若不考虑电磁兼容性的设计要求，该电子设备往往不能顺利通过或不能通过电磁兼容性试验，尤其很难通过电场辐射发射试验。结构屏蔽设计是舰用电子设备电磁兼容设计中极其重要的一环。

电磁兼容；结构设计；屏蔽；接地

Class NumberTN03

1 引言

在民用电子产品的设计中，有人认为，电磁兼容设计主要是硬件设计的事情，与结构设计没有关系；而有人则认为，电磁兼容设计主要是结构屏蔽设计的事情，只要结构的屏蔽性能设计和制造好了，所有的电磁兼容的试验都能顺利地通过。许多的民用或军用电子设备，几乎95%以上不能一次性地通过电磁兼容性的相关项目试验，必须在结构或硬件上加以整改后才能通过全部项目的电磁兼容试验，这就十分客观地证明了前面两种观点是片面的，不科学的。因此，只有全面地、系统地、科学地认识到电子设备结构电磁兼容设计的重要性，才能为整机设备及系统通过电磁兼容试验提供有力的技术保障。

战争本身是刺激技术发展的重要因素，先进的技术首先会应用于国防和军事。各国军工行业的电磁兼容技术领先于其它行业。

从军用电子设备角度看，在战争模式发展到电子战的今天，电子对抗、制电磁权的争夺使得强化电子设备的电磁兼容性是确保在战争环境中人员、武器装备、信息情报的安全、获得战争胜利的关键环节。

现代军用装备中大量电子设备密集在狭小的空间内，相互间的电磁干扰非常严重，造成失灵、瘫痪、事故、甚至由于不能同时兼容工作遭受攻击的情况屡见不鲜。随着电子、电气、计算机、控制技术的迅速发展，军用装备所处的电磁环境愈来愈复杂，各类军用设备及系统的电磁兼容性问题，已成为能否完成预期任务的主要问题之一［2］。

例如：1982年4月2日～6月14日英阿马岛战争［3］期间，英军的谢菲尔德号驱逐舰［4～6］号称当时最先进的战舰，拥有最先进的设备。英阿马岛海战时，阿根廷的两架“超级军旗”战斗机朝谢舰飞去，谢舰的对空警戒雷达发现目标，而阿根廷战机退回，谢菲尔德舰以为阿根廷战机回去了，其实阿根廷战机并未回去，而是以超低空掠海飞行，并向谢菲尔德舰发射了“飞鱼”导弹，谢菲尔德号驱逐舰没有发现来袭飞鱼，当时关闭了警戒雷达，正与卫星通迅，原因是两种电子设备同时开机使用时，彼此间干扰严重，英军当时为了保证与卫星通信的正常进行，临时关闭了警戒雷达。所以当谢菲尔德舰长听到导弹来袭声音时已经来不及了，谢菲尔德舰就这样被击沉了。

要保证装备具有良好的电磁兼容水平，必须在设计、制造等过程中，开展一系列活动，采取一系列措施，以控制和防止电磁兼容性问题的产生［7］。

军用电子系统是否能够适应复杂的战场电磁环境，必须用系统电磁兼容性要求对其进行考核。因此，设计师在系统设计初期就应该充分考虑系统对战场电磁环境的适应问题［8］。

如果在产品的开发阶段，同时进行电磁兼容设计，就可以把80%～90%的电磁兼容问题解决在产品定型之前。那种不顾电磁兼容，只按常规进行产品设计，然后对样品进行电磁兼容技术测试，发现问题再进行补救的做法，非但在技术上会造成很大问题，而且还会造成人力、财力的极大浪费，这是—种非常冒险的做法。所以，对于任何一种产品，尽早进行电磁兼容设计都是非常必要的。

2 电磁兼容设计的目的

电磁兼容问题是一系统工程问题，电磁兼容设计和管理应该贯穿于从产品的方案设计、研制到使用的全过程。

经验证明：在产品研制设计之初就应考虑电磁兼容问题，否则待产品生产出来进行测试时才发现问题，再设法解决将花费很高的代价，甚至不能彻底解决出现的问题。

结合硬件及结构电磁兼容设计，电磁兼容设计的主要目的如下：

1）设备内部的电路相互不产生干扰，达到设计预期功能；

2）设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值；

3）设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力等。

3 电磁兼容结构设计整体原则

系统设计人员在进行产品总体设计时首先必须根据产品的辐射发射频率、传导发射频率、电路特点等确认接地系统、共模EMI及差模EMI抑制方案等；结构设计人员根据产品特点确认结构的重点屏蔽部位，为保证实现所要求的屏蔽性能，结构设计人员需注重接地系统处理、结构材料选择、缝隙处理、穿孔处理和搭接处理；对于没有屏蔽性能要求的部位也必须注重搭接处理以提高产品的静电抗扰性。

4 舰用电子设备结构设计要点

4.1 基本要求

舰船电子设备增长不仅表现在数量上，而且还表现在功率、灵敏度和复杂性上。当今，舰载系统在对外辐射千瓦级甚至兆瓦级电磁能量的同时，又可能接收微瓦级的信号电平。这些系统数量不断增加，而且在空间上、时间上和频谱上占据着非常有限的电磁环境。为了合理这些有限环境，舰船设计师必须尽力权衡这些系统的要求，并使彼此间的干扰到最小。这种复杂的设计需要采用最好的电磁兼容技术，并以系统和集中的方式使用电磁兼容技术［9］。

在产品结构方案设计阶段，主要针对产品需要满足电磁兼容法规标准、希望达到的屏蔽指标值等，对产品采用相对应的屏蔽设计方案、选择相对应的屏蔽材料，以及评估和计算材料的厚度等提出设计方案，另外对屏蔽体之间的搭接设计、接地设计、穿孔设计、缝隙设计进行考虑，同时重点考虑接口连接器与结构件的低阻抗配合等屏蔽设计内容。

电磁兼容是一个整机性能指标，它与结构设计的好坏有着密切的关系。当然，结构设计得好，未必就能解决整机全部的电磁兼容性问题（此问题还与硬件电路EMI抑制相关）；但是结构设计得不好，则极有可能导致整机电磁兼容性设计的失败，这也是引起人们对电磁兼容结构设计重视的原因。在设计一个新产品时，开始阶段必须考虑电磁兼容问题。如果忽视了这一问题，到新产品使用时，电磁干扰问题会暴露出来（如谢菲尔德战舰的惨痛教训）。因此及早地解决电磁干扰问题不仅是使用者的使用要求，更是设计者势在必行的设计要求。

考虑到海洋潮湿及盐雾环境，人体及设备不具备产生静电积累的条件，所以舰用电子设备，原则上可以不考虑静电屏蔽和为静电提供泄放通道。

另外，舰用电子设备，绝大多数为全封闭性的铝合金加固设备，散热性能不太好，因此结构屏蔽设计时还应兼顾设备整机的热设计要求。

4.2 接地设计［10］

4.2.1 舰用电子设备地的种类

舰用电子设备提供的接地方式有两种，一种为保护地（即机壳地），另一种为信号地（即工作地）。两种接地柱中，要求保护地与机箱间低阻抗导通、要求信号地与机箱间高阻抗绝缘。保护地兼做安全地的作用，对保证人身及设备安全具有重要作用。

4.2.2 与接地柱间的连接

有些单板设计有对外的输入输出接口连接器，如：串口连接器、以太网口连接器、同轴连接器、光连接器等军用航空连接器，如果它们的屏蔽外壳接地不良将会一定程度地影响到正常工作，例如以太网口有误码、丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把单板及设备机箱内的噪声向外发送。一般来说，选用这些连接器时，要求选用带有金属屏蔽外壳的连接器，这些连接器的金属外壳，一定要与保护地之间低阻抗连接。

单板上自身带有屏蔽外壳的器件，其屏蔽外壳，须通过PCB与保护地低阻抗连接。

屏蔽电缆的屏蔽层都要连接到箱体的接口保护地（即机壳地）上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种各样的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。

屏蔽电缆两端的屏蔽层，都要很好地与保护地接地柱连接，确保屏蔽层两端的电压差为零，以防止屏蔽层产生共模辐射骚扰。

屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属铝箔或金属编织网（材料为镀镍铜丝）的电缆，金属铝箔和金属编织网即屏蔽层。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收电磁波所得到的，而是由屏蔽层接地后所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到较好的屏蔽作用。舰用电子传输电缆的屏蔽层的两端必须接地，已经在很多设备上经过了验证，接地不好的话，极有可能导致设备不能通过电场辐射骚扰试验。

4.2.3 接地注意事项［11～12］

电磁噪声或电磁干扰引起的故障，大多数出自机壳地、工作地（信号地）线路的电位波动。降低机壳地、工作地（信号地）线路阻抗，对提高抗电磁干扰能力十分有利。在进行接地系统设计和实施接地时需注意以下两点：

1）须在箱体内滤波处理的信号地接地柱

信号地接地住必须与整个箱体的结构件保持绝缘，信号地在出结构箱体之前，建议进行滤波处理，必要时，还要为信号地开辟专门的屏蔽区域，以防止信号地穿出箱体时对箱体屏蔽性能的破坏。

2）信号地和保护地

信号地和保护地，在箱体外合成一点后就近接入大地，可有效地抑制电磁噪声，可有效地减少电磁辐射。

4.3 结构屏蔽设计

箱体结构的屏蔽设计，是电子设备的结构电磁兼容设计中十分重要的一环，把箱体的屏蔽性能设计到位了，就相当于完成了结构电磁兼容设计的90%以上的工作。

结构的选材要合理，若材料选择不合适，将导致结构的屏蔽性能降低或丧失屏蔽性能。在电磁波的传播途径上，任何切断、阻碍、降低电磁波传播能量的方法，都可阻碍或阻止电磁波的传播，从而起到屏蔽作用。

电磁屏蔽是利用导电性能良好的导体做成的屏蔽体来阻止或减小电磁能量传播所采取的一种结构措施。常用的方法有静电场屏蔽、静磁场屏蔽和变化的电磁场屏蔽。电子设备结构设计人员在着手电磁兼容设计时，必须根据有关标准、规范、规定所提出的电磁兼容要求进行有针对性的电磁屏蔽设计。在舰用电子设备内部，在自身板间电磁兼容得到了较好处理的前提下，对整机在结构上要对变化的电磁场进行屏蔽结构设计。舰用电子设备结构箱体，一般采用铝合金进行结构设计和加工，因为铝合金完全满足舰用条件下电磁屏蔽的要求，而且可大大降低设备整机的重量，因为在常用的普通合金中，铝合金的密度较小小，约为钢的密度的1/3。

4.4 穿孔设计

舰用电子设备，一般情况下是完全密封的，没有穿孔。若必须穿孔，则须在防盐雾的前提下，在穿孔处加装屏蔽网、截止波导通风窗等。

4.5 搭接设计

结构件与结构件之间，结构件与航空连接器屏蔽壳体之间，须添加导电衬垫，以实现接触面间连续不间断的低阻抗搭接，从而确保结构箱体的屏蔽性能。导电衬垫的材料，一般选用铝镀银导电橡胶、铍青铜指形簧片、新型耐盐雾溅镀镍到点衬布等。

4.6 贯通导体的处理［13～14］

穿过具有较高屏蔽性能箱体的导体对箱体屏蔽性能的破坏是十分严重的。最为常见的贯通导体，就是进入箱体的电源线、数据线等电缆。对进出箱体的电缆，一般采用以下两种方法进行处理：

1）将导线屏蔽起来，这相当于将屏蔽体延伸到电缆端部。屏蔽层环360°与箱体搭接好。

2）对导线进行滤波处理，滤除导线上的高频成份（主要是高次谐波部分）。

屏蔽处理：在电缆端口上安装低通滤波器，可以有效地滤除电缆上的高频干扰成份、保持屏蔽体的完整性。但是，前提是电缆上传输的信号频率与要滤掉的干扰频率相差较远。

4.7 屏蔽设计与设备的热设计

舰用电子设备结构的电磁兼容设计，主要体现在结构的屏蔽性能的设计上，理论上来讲，一个完整密封的结构箱体，屏蔽性能是最理想的。在实际工程应用中，设备内部电气部分会产生的大量的热量，需要通过结构件传导到箱体上，然后通过箱体辐射到周围环境中，因此舰用电子设备，在自然散热的情况下，完整密闭的结构箱体，传热路径长，其散热能力往往不太理想。

经长期的摸索和验证后，笔者绘制出了密闭机箱散热能力图（密闭机箱散热面积、散热量与箱内平均温升图）。在自然散热条件下，密闭箱体的散热能力见下图（接近于QJ1474-88电子设备热设计规范中对应的图表）［15］。

图中左边纵坐标表示箱体内的发热量，右边纵坐标方框区域表示箱体内平均温升，横坐标表示有效辐射面积。通过此图，可快速评估箱体的热设计是否能确保芯片正常工作。

例1：在50℃环境下，某密闭箱体的有效散热面积是1m2，箱体内的发热量是240W，两者横坐标与纵坐标的交汇点落在δT=35℃的极限范围之外，表明箱体内温升超过了35℃，叠加环境温度，箱体内的温升将超过35+50=85℃，超出一般工业级芯片允许的极限温度环境，热设计不安全。

例2：在50℃环境下，某密闭箱体的有效散热面积是1m2，箱体内的发热量是140W，两者横坐标与纵坐标的交汇点落在δT=25℃的范围之内，表明箱体内温升超过了25℃，叠加环境温度，箱体内的温升将超过25+50=75℃，低于一般工业级芯片允许的极限温度85℃环境，热设计安全。

5 结语

为了确保舰用电子设备的电磁兼容性，设计者应着重关注电子设备的屏蔽设计，不应遗漏前述的设计要点。

［1］生建友.军用通信设备的电磁兼容性设计［J］.电子机械工程，1997（04）：37-43.

［2］范惠敏.军用电子设备的电磁兼容性设计［J］.舰船电子工程，2002（04）：54-58.

［3］中国人民解放军军事科学院外国军事研究部.外国对英阿马岛战争经验教训的评论［M］.北京：中国对外翻译出版公司出版，1983：32.

［4］龚惠明.“飞魚”导弹是怎样击中英国谢菲尔德号驱逐舰的？［J］.飞航导弹，1983（1）：66-71.

［5］凌翔.“谢菲尔德”级导弹驱逐舰［J］.当代海军，1997（5）：33-35.

［6］曙光.英国导弹驱逐舰“谢菲尔德”号沉没记［J］.航海，1988（5）：9-10.

［7］梁双港，林荣刚，凤卫锋.论军用装备研制中的电磁兼容性控制［J］.电子质量，2014（2）：72-74.

［8］张亚婷，军用电子系统的电磁兼容性设计［J］.火力与指挥控制，2010，35（7）：158-160，175.

［9］李国成.舰船设计中的电磁兼容技术研究与对策［J］.安全与电磁兼容，2002（02）：40-42，45.

［10］陈淑凤.航天产品EMC设计和实施要点［C］//天津：第十二届全国电磁兼容学术会议，2002：7.

［11］杨勇.军用电子设备电磁兼容设计与研究［J］.科技传播，2012（10）：58-59，21.

［12］詹金晶.浅析舰船电磁兼容中的接地设计方法［J］.电子世界，2016（13）：106.

［13］魏光辉等.短贯通导体对金属腔体屏蔽效能影响研究（英文）［J］.高电压技术，2013，39（10）：2344-2350.

［14］李新峰等.含短贯通导体的金属腔体电磁辐射耦合规律［J］.高电压技术，2016，42（03）：987-993.

［15］QJ1474-88电子设备热设计规范［S］.航天部单位资料室，1988.

Key Point of Structure Electromagnetic Compatibility Design in Warship Eclectronic Equipment

TANG Heng1YI Yanchun2
（1.Wuhan Melit Telecommunications Co.，Ltd，No.722 Research&Development Institute，CSIC，Wuhan430079）（2.Hubei Normal University，Huangshi435002）

The electromagnetic shielding capbility of electronic equipment structure influences electromagnetic compatibility of warship greatly.During design period of electronic equipment structure，if not pay attention to the requirement of electromagnetic compatibility，the equipment cannot pass the electromagnetic test，or pass the test unsmoothly，it's very difficult to pass the radiated emission test of electric field especilly.Sheilding design of warship electronic equipment is extremely important in the design of elec⁃tromagnetic compatibility.

electromagnetic compatibility，structure design，sheilding，ground connection

TN03

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.005

2017年2月3日，

2017年3月20日

汤恒，男，工程师，研究方向：通信产品结构设计。