关于飞机电缆电磁屏蔽完整性的探讨

2020-09-21王秉卓于春风孟欣海军航空大学青岛校区

航空维修与工程 2020年6期

王秉卓于春风孟欣/海军航空大学青岛校区

0 引言

复杂电磁环境是信息化战场的主要特征之一，是装备技术保障无法回避的客观现实。强电磁辐射将可能损伤或直接摧毁目标电子设备内的各种敏感电子部件，瘫痪目标计算机系统和信息指挥网络。随着电子对抗设备、高功率电磁脉冲武器（EMP）、高能级微波电磁脉冲武器（HPM）的发展，低效的电磁防护已无法支持战场制电磁权的争夺，将导致我方失去信息优势，甚至危害飞行安全[1]。

在为飞机电气线路互联系统（EWIS）设计电磁防护区时，应优先选用带屏蔽保护的电缆。SAE AS50881[2]（Wiring，Aerospace Vehicle，航空航天飞行器布线）中规定：电缆或线束的外屏蔽层应端接至电磁防护区的终端设备，在电磁暴露区使用引线的方式时，需采取额外的措施来保证电气线路的电磁兼容性符合MIL-STD-464[3]（Electromagnetic environmental effects requirements for systems，系统电磁环境效应要求）[4]。

若电缆屏蔽端接方式选用不当且未采取额外措施时，将破坏电缆屏蔽的完整性，导致电磁屏蔽效能严重下降。本文主要针对部分现役飞机线束中多采用的“pigtail”引线及多根电缆屏蔽层引线串联接地的屏蔽端接方式，分析其电磁屏蔽性能，并结合相关行业标准，给出电缆屏蔽端接处理方式的建议。

1 电磁屏蔽

1.1 辐射耦合

电磁波以λ/2π 为边界划分近场和远场，根据EMP、HPM 武器干扰频带特点（通常EMP 为1MHz 以下、HPM为1 ～100GHz）[1]，设备通常是在干扰源的远场（辐射场），以辐射耦合的方式接收干扰电磁场能量。具体的辐射耦合形式主要有场耦合至接收天线、场耦合至电缆等。无论是哪一种辐射耦合形式，接收设备接收电磁场能量都需要形成闭合回路[5]。

无论是通过负馈线还是飞机机体，机载设备电路通常需要构成环（回）路才能正常工作。所有能构成闭合环路的电路都相当于等效天线，当有交变的干扰电磁场通过环路时，根据电磁感应定律，环路中会耦合产生感应电压，并串入环路产生干扰。需要特别指出的是，当电磁波（激励源）的频率足够高时，即使导线没有通过集中参数构成闭合环路，也会通过电路中的分布参数形成环路。

1.2 环路接收性能

电磁波的远场可以看作平面波以简化计算。如图1 所示，电场和磁场方向相互垂直，沿坡印廷矢量S向前传播，闭合环路处于电磁场中，U 是由于受到辐射耦合而在环路中产生的开路电压。

图1 等效天线接收电磁波辐射干扰

图1 所示闭合环路的接收性能可表示为[6]：

其中，A为环路接收面积；θ为环路平面法线与磁场强度H间的夹角。

同样地，接收电压可以用电场强度E 表示：

从式（1）可见，环路通过辐射耦合接收到的开路电压与环路面积成正比。需要指出，式（1）表明环路的开路接收性能，当要预估干扰电磁波在负载两端形成的电压或环路电流时，必须说明环路的阻抗[6]。

1.3 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽是指对以场形式造成的干扰进行有效抑制。电磁屏蔽利用的是金属屏蔽体（金属机箱、电缆屏蔽层）对电磁能流的反射、吸收等作用。如图2所示，假设介质1 中有一电磁波从介质2 的左侧射入，在左分界面上发生反射（反射损耗）和透射，透射波在介质2中传播一段距离（其间会有吸收损耗），在介质2 的右边界又会发生反射和透射[5]。

其中，反射损耗与波阻抗的选取（在远场，按平面波的波阻抗计算）和屏蔽体相对电磁波的空间位置有关。吸收损耗是由于电磁波在金属中产生涡流发热而引起的损耗，且电磁波频率较高时吸收损耗相当大。透射电磁波能够进入金属的趋肤深度（δ）一般仅在微米级，进入趋肤深度后的场强已经很小，可以忽略。

完整的金属屏蔽体的屏蔽效能可达100dB 以上，即使在工程塑料上喷涂金属材料，也可以达到60 ～70dB，但当屏蔽体上有孔缝或者屏蔽端接不正确时，屏蔽效能将大大下降。

图2 电磁波的反射、透射、传播

2 屏蔽端接

在实际应用中，电缆屏蔽端接的处理方式往往不能保证屏蔽的完整性，当线束中存在多个或大量电缆单个屏蔽层需要同时接地时，所采取的屏蔽端接方式往往破坏了屏蔽的完整性，甚至造成更多的电磁辐射和干扰接收。

2.1 pigtail 效应

pigtail 是指在电缆屏蔽端接设计中使用一根短引线（可以是一段编织带，更普通的是一段导线），将屏蔽层与连接器尾附件或者金属机箱端接[6]，如图3 所示；另一种是将短引线与连接器的插针（接触偶）连接，然后连到设备机箱端接。

如图4 所示，相比电缆屏蔽层与金属机箱完整端接（左侧），pigtail（右侧）使线路在电磁暴露区形成等效环路天线（阴影部分），根据式（1），干扰电磁场将在pigtail 处产生一个干扰电压Uw与信号电压Us串联。pigtail 围成的环路面积越大，产生的干扰电压Uw越大。

图3 电缆屏蔽层pigtail引线端接

pigtail 的存在相当于在信号电路中串联了一个数十纳亨的电感[7]（pigtail上的分布电感的等效集中参数），当屏蔽层上有干扰电流通过时，将在pigtail端接处产生共模干扰电压并串联入有用信号中，随干扰频率的升高而迅速增加。

2.2 多根电缆屏蔽层引线串联端接

多根电缆屏蔽层引线串联端接是指将线束中某一根电缆的屏蔽层的引线（跨接线）串联到下一根的电缆屏蔽层上，以此类推，将最后一根电缆屏蔽引线端接于电连接器尾附件，或者通过电连接器内预留的针孔端接至连接器（多根屏蔽层引线串联后采用pigtail 方式与电连接器或机箱端接）。由于各屏蔽层是通过跨接线相连，因此也被称为“手拉手”连接方式[2]，如图5 所示。

图6 是多根电缆屏蔽层引线串联端接方式示意图，可以看出这种端接方式大大增加了环路接收面积，同时较长的屏蔽引线折叠布线也将增加其分布电感。

图4 电磁波的反射、透射、传播

图5 多根电缆屏蔽层引线串联端接

图6 多根电缆屏蔽层引线串联端接示意图

3 参考标准

3.1 HB6438-2005

HB6438-2005[8]《飞机线束加工通用要求》8.3.3 节对多根电缆屏蔽搭接引线的处理提出了要求，如图7 所示，允许多根屏蔽引线串联端接的屏蔽端接方式，电缆屏蔽层间使用跨接线相连，串联后留出接地线（最后一根屏蔽层引线），要求其长度不宜小于150mm（考虑到跨接线断线的可能情况，接地线通常应有足够的余量供跨接线快速修理使用）。

应指出，8.3.3 节给出的图示中多根电缆外是有总屏蔽层的，且在8.5 节指出，为保证屏蔽的连续性，可对多根电缆屏蔽层的抽头处增加总屏蔽套以进行接地处理。

可以说，HB6438-2005 允许了多根屏蔽引线串联接地的屏蔽端接方式，并考虑到这种端接方式对屏蔽完整连续性的破坏而给出了改进方法，但未要求强制执行8.5 节。

3.2 MIL-HDBK419

美国军用手册MIL-HDBK419A[9]（Grounding Bonding and Shielding for Electronic Equipments and Facilities，Volume 1 of 2 Volumes Basic Theory，电子设备和设施的接地、连接和屏蔽，第1 卷基本理论，共2 卷）关于电缆屏蔽端接有具体的说明，8.8.1 节《电缆屏蔽（Cable Shields）》指出，如果要避免干扰，必须正确安装电缆。

1）应避免用一根引线将多个导体屏蔽体接到连接器的地脚上，特别是当屏蔽到连接器、连接器到地引线长度超过1in 时，或在可能涉及不同电路相互作用的情况下。这种接地线是一种常见的阻抗元件，干扰电压可通过它转移到另一个电路。

2）如果要保持阻抗特性和屏蔽完整性，应特别注意连接器。应使用屏蔽壳来屏蔽连接器的各个插脚。设计良好的连接器有一个屏蔽壳来封闭其连接点。多个连接器的外壳应与屏蔽连接。同轴线应在屏蔽引脚中终止。使用同轴电缆的pigtail 连接易产生射频泄漏。

3）当屏蔽线或同轴电缆错误地端接在连接器上时，会出现严重的干扰问题。在必须将大量屏蔽线的单独屏蔽层接地的情况下，建议使用环接技术（halo technique）。裸露的非屏蔽导线应尽可能短，以减少导体之间的电耦合。当电缆进入一个完全密封的盒子但内部接地时，就会产生干扰。安装屏蔽射频电缆的正确方法是将屏蔽层放在连接器内部，并将其连接在连接器外壳上。

以上分析指出，作为一种常见的阻抗元件，pigtail 在电路中可以产生干扰电压，并从一个电路转移到另一个电路，特别要避免使用一根引线将多个屏蔽层串联到连接器的地脚上。推荐使用带有能够屏蔽连接器的各个连接点的屏蔽壳的连接器，同轴线应在屏蔽引脚中终止。在必须将大量屏蔽线的单独屏蔽层接地的情况下，应采用其他技术手段。

MIL-HDBK419A 第1 卷在8.8.2 节《端与连接器（Terminations and Connectors）》中不建议对这些屏蔽层进行抽头并将其连接到其中一个管脚上，而是给出了如图7 所示的电缆屏蔽端接处理方式，连接器组件中，单独的防护罩连接专门用于此目的的同轴销，配合表面的屏蔽件在销钉之前接触。