控制方舱电磁屏蔽设计与仿真分析

张志雄，刘圣亮，李俊海，张利军

1.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原，030032； 2.山西中电科技特种装备有限公司，山西太原，030032

0 引言

作为某阵列天线集成系统的承载单元，控制舱内部集成了控制模块、配电单元、席位、显控和环控系统、转接口等，为人员和设备提供了可靠的电磁环境。为了保证设备在电子战环境下的使用功能，提高方舱电磁屏蔽效能是必不可少的手段[1]，结合GJB 6109-2007《军用方舱通用规范》，选用标准CAF40电子设备方舱，屏蔽效能在10MHz～6GHz范围内不小于60dB。

1 方舱电磁泄漏的主要部位

电磁屏蔽原理是通过金属板体将电磁波限制在一定空间范围内，使电磁场能量从一面传到另一面受到很大的衰减。屏蔽舱依据该原理，用金属材料制成一个六面体房间。屏蔽舱内有人员和设备在里面工作，因此屏蔽舱六面密闭的同时，必须留有人员及设备进出的屏蔽舱门、通风口、电源信号转接口等，以确保屏蔽舱能正常工作。造成屏蔽方舱电磁泄漏的结构部位主要包括大板结构、铆接缝、舱门、采光窗、通风口、空调口和转接板等[2-3]。

2 方舱电磁屏蔽设计

2.1 大板厚度的确定

根据电磁屏蔽效能计算可知，当大板蒙皮两层之间距离为1/4波长的奇数倍时，屏蔽效能最好，距离为1/4波长的偶数倍时屏蔽效能最差。但不论是哪种情况，屏蔽效能都远高于所要求的指标，考虑到舱体刚度、强度、保温性能、质量及工艺等，大板厚度确定为50mm。

2.2 舱体内、外蒙皮的选择

方舱舱体内、外蒙皮一般要求外观平整、密封性好、刚度强度高、导电性能好，因此选用铝板。按照金属板对电磁波吸收损耗公式计算，单层铝板厚度为0.5mm就可以满足10MHz～6GHz范围屏蔽为60dB以上的要求。综合考虑舱体及大板的整体强度，外蒙皮选用1.5mm厚的铝板，内蒙皮选用1mm厚的钢板。

2.3 舱门的屏蔽设计

屏蔽门是屏蔽舱的关键设备，是工作人员及设备进出的主要通道，在确保屏蔽效能的同时，它的可靠性、实用性及开启方便至关重要。本屏蔽舱将采用手动屏蔽门，舱门内外均可通过把手打开及关闭屏蔽门，并可在外部挂锁的情况下，内部可以不用任何工具就能够打开，保障舱内工作人员的安全。屏蔽门安装前，需通过打磨、喷砂等工艺将方舱蒙皮与门框型材二者连接部分的氧化膜去除。

舱门结构：插刀屏蔽门是由门框、门扇、锁紧装置组成。依靠门扇与门框的闭合来保证屏蔽舱的整体屏效。其密封形式为插刀式结构——双刀三簧片宽刀口插刀式结构。

舱门特点：手动开启、维护方便、应急便捷等。具有屏蔽性能好、可靠性高，易于清洁，保养、更换簧片不需要特殊工具等优点。

2.4 屏蔽窗的设计

方舱左右两侧开有外推式屏蔽窗，具有60dB屏蔽能力。在屏蔽窗内侧安装气弹簧用于助力及支撑，开启角度85°，保证舱内正常通风且兼具人员逃生的功能，屏蔽窗内部配备防蚊虫纱帘和遮光帘。屏蔽窗是由门框、门扇、锁紧装置组成。依靠门扇与门框的闭合来保证屏蔽舱的整体屏效。其密封形式为插刀式结构——双刀三簧片宽刀口插刀式结构。

2.5 信号口、电源口的屏蔽设计

采用加镍网衬垫、锡焊、加密铆钉、打磨连接处等办法解决孔口面板与面板支架、面板支架与内蒙皮、孔口罩与内蒙皮之间的电连续问题，根据连接线缆的种类和特性，在电源和信号输入和输出位置加装电源和信号滤波器[4-5]，如图1所示，为提高孔口的屏蔽能力，在孔口面板内贴铜箔，重点围绕线缆贴2～3层，并延伸贴至线缆2～3cm。

图1 电源和信号滤波器安装示意图

2.6 通风口的屏蔽设计

通风口采用通风波导窗来进行屏蔽，波导板与车体之间通过加镍网衬垫、锡焊、打磨连接处等工艺保证导电连续性。波导窗是由许多个小波导管组成的波导束，在通风状况下电磁波在穿越波导时能量经过吸收、反射逐渐损耗。合理地选择波导孔截面积和波导长度，就可以将电磁波进行隔离。波导窗安装示意图如图2所示。

图2 通风波导及安装示意图

通风口要求高屏效和低风阻，波导的开孔面积越大，风阻越低，换气量越好，根据计算和生产工艺，采用蜂窝孔直径为3.2mm、深度为30～48mm的蜂窝芯可以满足设计要求。

2.7 空调进、回风口的屏蔽处理

在舱体前壁板上开设空调进回风口，安装通风波导窗，法兰盘采用钢材制作而成，风道法兰盘与波导窗之间需间隙配合1mm，法兰盘镀锌处理，风道法兰盘与屏蔽波导窗之间使用CO2气体保护焊满焊的形式连接。在焊接波导窗时要注意焊接的时间和顺序，为减少焊接应力变形必须分段焊接和间歇焊接。

3 电磁屏蔽仿真与分析

根据控制舱体三维模型，采用CST电磁场仿真软件，建立电磁等效模型。根据实际工况，对各组件结构材料赋值，设置相应材料电磁属性，包括门隙转移阻抗、通风窗结构参数等[6]。屏蔽性能使用GJB 6785-2009《军用电子设备方舱屏蔽效能测试方法》对舱体屏蔽性能进行测试，依据该标准对激励源、频率、边界条件、测试点等进行设定。设定仿真频率范围为10MHz～6GHz，边界条件为open（add space）自由空间，激励源依据标准要求设为平面波（包括垂直极化和水平极化）。

3.1 舱体壁面屏蔽性能

通过仿真分析，得出左、右、后面壁板的屏蔽效能，如图3所示。

图3 方舱舱体壁板屏蔽效能

根据屏效仿真曲线看出，控制舱各方向在10MHz～6GHz频率范围的屏蔽效能均大于66dB，其中右侧（屏蔽门侧）因屏蔽结构件较多，屏效最低，其他方向屏效均大于该方向。同入射方向的垂直极化和水平极化的屏效有所不同，但屏效曲线全范围缠绕较为接近。

3.2 各屏蔽组件屏蔽效能

工作舱门的屏效整体基本在70dB以上，在低频率范围垂直与水平方向屏效基本相同，高频段范围在个别频点差别较大，分析因屏蔽门宽高差所引起。在5GHz左右范围垂直方向屏效较低，约为68dB，如图4所示。

图4 工作舱门屏蔽效能

通风口的屏效除外侧通风口在5GHz点水平方向略低于70dB外，全范围达到70dB以上。其中垂直方向的屏效高于水平方向约15dB，达到87dB以上，水平方向除4～5.5GHz范围的屏效为70dB以上外（5GHz为67dB），也均达到80dB以上。

左、右两侧的观察窗在技术指标要求的频率全范围大小和趋势均保持一致，电场屏效随频率升高略微降低，不同极化方向的屏效亦无差别，均可达到技术指标要求。

通过仿真曲线对比得出，该舱体左侧面的屏蔽效能在部分位置高于右侧面（屏蔽组件较多）。除下通风口、屏蔽门外，其他屏蔽件、壁体的屏效对于垂直、水平入射基本无差别。二者的极化方向对屏效影响在4GHz以上较高频段差别约为15dB以内，因二者屏蔽结构在长宽比差别较大形成。如存在加工工艺等原因产生泄漏，可能在4.5～5GHz频率产生耦合须加以注意。

4 电磁仿真结论

通过对屏蔽控制舱舱体进行电磁建模及仿真分析，可以得出如下结论：

（1）舱体右、左、正面的屏蔽效能有所差别，右侧面因屏蔽结构较多，屏效最低，正面最高，各面屏效相差约5～10dB；

（2）舱体其他屏蔽件、壁体的屏效相对于垂直、水平入射无差别，下通风口、屏蔽门的屏效方向存在3～15dB的差别，因二者结构在长宽比差别较大形成；

（3）控制舱在指标要求的10MHz～6GHz频率范围中屏蔽效能可达到66dB，除4.5～5GHz范围基本在70dB以上，正面的屏蔽效能可达到110dB以上。

5 结语

文中针对控制方舱的大板结构、接缝、舱门、采光窗、通风口、空调口和转接板等主要的电磁泄漏部位进行了结构设计，详细介绍了控制方舱主要泄漏部位的材料选型、加工工艺、电磁屏蔽处理等。根据实际工况，对各组件结构材料赋值，设置相应材料电磁属性，包括门隙转移阻抗、通风窗结构参数等，建立了控制方舱电磁等效模型，采用CST电磁场仿真软件对控制舱的壁板、工作舱门、通风口、采光窗、电源信号转接板进行了仿真分析，仿真结果表明控制方舱在10MHz～6GHz频率范围内蔽效能可达到66dB，满足阵列天线系统要求。