方舱电磁兼容性设计.pdf

设计研究与车辆移动电源2023年第2 期方舱电磁兼容性设计王晓峰，王大飞，班怀国（中国电子科技集团公司第十五研究所，北京，10 0 0 8 3）摘要：本文针对方舱的电磁兼容性的概念进行了深入分析，从电磁兼容设计原则、屏蔽设计、布局设计、布线设计、接地设计、滤波吸收设计6 个方面给出了电磁兼容设计的关键技术和方法，对方舱的设计具有重要指导意义。关键词：方舱；电磁兼容性设计Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.02.001中图分类号：TM15文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 2-0 0 0 1-0 0 41引言方舱的应用越来越广泛，因为它的机动性和环境适应性都很强。随着科技的进步，方舱正朝着模块化、通用化、标准化的方向发展 。方舱作为装载设备和操作人员的主要载体，其内部需要为设备提供良好的电磁工作环境，以保证系统正常运行。电磁兼容性是指在规定的电磁环境下，设备或系统能够正常运行，对其所处环境中的其它设备不产生规定的电磁干扰能力的一种电磁兼容性。这里面包含了两个方面的要求：一是抗干扰，也就是自己能够持续可靠地工作在外界电磁场暴露的环境中；二是对外界的干扰，设备在对其他设备产生干扰应在最低限度范围内。方舱的电磁兼容设计主要包含方舱的屏蔽设计、布局设计、布线设计、接地设计和滤波吸收设计。2设计原则电磁兼容(electromagnetic compatibility，E M C)性设计 2 -5 应贯穿工程设计的全过程，并遵循以下原则：尽可能抑制干扰源，直接将干扰源隔离在分系统及设备之外；排除设备与设备之间的干扰耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；对敏感部位进行隔离，加强抗电磁干扰能力的分系统和设备本身，减少内部电磁环境变差的可能。对方舱车的电磁兼容设计来说，应综合利用屏蔽、接地、滤波、搭接、元器件、材料与工艺的合理选用、空间、时间、频率分隔，合理布线等技术措施，具体有以下5项。（1）元器件的采用需综合考虑元器件的电磁发射和电磁敏感两个特性选用带屏蔽的电感器，用于杂散耦合可能造成有害作用的电路；使用的继电器应具有屏蔽功能并保证有效的接地；选用的线缆接头应在线缆内各屏蔽层端接上有足够的插针；（2）对干扰源和敏感电路采用屏蔽技术选用屏蔽效能高的屏蔽线和屏蔽外壳；尽量减少接头、接缝、密封衬垫与孔洞的数目；用导电材料做密封衬垫；压紧所有的视频衬垫；严格把控设备外壳或方舱在接口窗、通风窗、开关、表头、显示器、键盘、指示灯、保险丝座、把手、检修孔和测试孔处的电磁泄漏；尽量对全部外壳间隔处进行电气搭接；重点考虑电源、充电器、交直流变换器的电磁屏蔽措施。（3）布局设计考虑各分系统、各设备及各器件的干扰传导和耦合传递采用空间隔离的方法进行舱体内部结构布局设计；天线布局设计满足最低隔离要求；电路板上元器件的布局满足板级电磁屏蔽要求。2023年第2 期与车辆移动电源（4）选用合适的电缆，进行合理的布线设计根据信号的不同采用对应匹配的信号线缆，对于视频模拟信号来说，通常采用同轴电缆，对于数字信号来说，可按照信号的特征和阻抗特性，采用同轴电缆、扭绞线或带线，同时限制采用单线传输。遵循信号和电源分开的原则，电源线和信号线、输入输出线缆均需分离布设；敏感电缆远离电源变压器和其他大功率装置布设；电线、电缆应根据传输信号的电平、灵敏度和干扰特性等因素进行合理的分类和匹配，以便有效地减少电磁干扰及耦合，并利用现有空间获得最佳的间距。(5）接地设计将安全地线、数字信号地线、模拟信号地线、射频信号地线、噪声地线等形成各自独立的接地平面或接地网络，安全地与大地相连 ，有效地搭接各种电路的地线和地面平面或地面网络。3屏蔽设计所谓方舱电磁屏蔽，是指利用舱壁这种金属屏蔽体对电磁信号从舱外向舱内或从舱内向舱外进行传导和辐射的控制能力。电磁屏蔽按原理可分为三种，分别是电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽包含静电屏蔽、交变电场屏蔽；磁场屏蔽包括低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两种。电磁屏蔽的种类不同，对屏蔽体的要求也是千差万别的。电磁屏蔽效能在实际屏蔽中，主要依靠屏蔽体即导电连续的结构来实现。实际的屏蔽体上面一般都有形态各异、大小不一的孔隙，这是由于制造、装配、维护、散热、观察和接口的要求，严重影响了屏蔽体的屏蔽效能，所以要采取屏蔽方法来抑制孔隙电磁外泄。（1）舱体屏蔽设计为了满足舱体屏蔽要求，舱体应尽量减少门、窗和孔口的数量且小孔口采用分散布置。门、窗和孔口边框要求屏效高的铝型材进行导电氧化处理，并采用双层屏蔽密封条，空调进出风口、通风窗等安装截止波导板，如图1所示。通风波导窗如图2。截止波导板是根据波导对电磁波的高通滤波特性制成的。结构形式采用具有较好工艺特性的六角形蜂窝状截止波导。波导孔径、波导长度、波导总孔数直接影响波导板的屏蔽效能 7 。图1蜂窝状波导板示意图图2通风波导窗截止频率为：1510(1)一W式中：W一一六角形波导的外接圆直径。波导窗的屏蔽效能公式如下：SE=20log+27.3-20 logn.(2)式中：L一一波导长度；n总孔数；f一一工作频率。根据以上公式可计算出波导板的孔径和厚度。（2）机柜屏蔽设计考虑机柜各部件之间良好的电气连接性，对机柜输入与输出的电缆进行屏蔽隔离处理。采用的电连接器需具备滤波功能。机柜上设置专门接地装置通过导线与舱壁地连接，使其具有良好的屏蔽能力。与车辆移动电源2023年第2 期4布局设计利用空间隔离来实现减小辐射干扰和感应耦合干扰是非常有效的方法之一，通过增加干扰源和接受器之间的空间距离，可以有效的减小干扰电磁场，从而使磁场强度小于接收设备敏感度门限。良好的布局设计可以避免各分系统、各设备及各器件间的干扰传导，以保证传输信号正常传送。(1）舱体内部结构布局设计方舱内集成有指控系统、通信系统、供电系统以及相关的电子设备，其中指控系统和通信系统等信息技术设备的工作频率范围很宽，各电子设备之间互为干扰源，所以采用空间隔离的方法，利用方舱内的大工作台，将信息系统与电源系统在空间上进行隔离，使其在独立的空间内工作；将通信系统与前两者的距离保持最大，并尽可能地降低机柜内各设备间的电磁干扰。（2）车顶天线布局设计天线布局设计的任务是确定每根天线的安装位置，使天线间不产生明显的干扰，重点满足天线与天线之间、天线与电缆之间、天线与设备之间的空间距离要求。大多数指挥通信车辆车顶集成了多频段多种类的无线通信设备天线，电磁环境相对来说较为复杂。需通过结合通信用频合理布局车顶天线，进行良好的屏蔽与隔离、滤波、接地等措施来做好电磁兼容设计，从而确保车载系统在复杂的电磁环境中能够正常工作，不会因为电磁对环境的干扰而发生故障，也不会出现性能严重变差的情况；同时，各电子设备在正常工作时，向所处的环境发射的电磁干扰能量不超过规定值，从而使不希望存在的相互影响减少到可允许的范围内，从而使系统内部的各种电子设备工作正常，运行稳定，运行可靠。5布线设计方舱内线缆布设是电磁兼容设计的重中之重，选择合适的线缆和正确的布线策略尤为关键。（1）舱体布线设计屏蔽的连续性和良好的接地是保证电缆屏蔽性能的前提，为了减少电缆间的互耦，选用屏蔽电缆，电缆与连接器接头处选择屏蔽进行可靠连接。舱体内的布线包含了分开、隔离、分类绑扎和电缆安置等一系列内容，根据电子设备输出不同信号电缆的干扰特性，在舱体的结构设计中，有针对性地设计舱体内专用的布线通道、布线槽等。（2）机柜布线设计机柜内部的电子设备较为集中，设备之间和设备对外的线缆均通过机柜后部走线，导致线缆高度集中，线缆与线缆之间互相干扰。为了减少线缆之间的相互影响，通过将线缆按照信号电压、信号频率、信号电流分类捆绑的方式来减小线缆之间的耦合串扰。尽量减小设备之间导线的长度，电源线和信号线隔离布设，电源线和信号地线分开布设。同时在机柜的结构设计过程中增加专用线缆的走线空间、走线通道、走线槽、布线支架、接地钉等设计。6接地设计电子设备的接地设计是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，良好的接地设计可解决大部分电磁噪声问题。接地设计是解决电子设备电磁噪声和干扰问题的最有效方法，良好的接地可将大部分电磁噪声进行抑制。反之，接地系统不良，是干扰和辐射的主要来源。同时，良好的接地设计是设备及人员的安全保证。7滤波吸收设计电缆是射频能量的良好传输介质，发射天线的射频信号可通过电缆传导到电子设备里造成干扰，方舱内部的干扰信号也会通过穿舱电缆进行传导，42023年第2 期与车辆移动电源二者叠加形成串扰，为了消除这些信号的影响，必须采取相应的滤波措施。（1）在方舱的电源接口窗、信号接口窗的内部安装滤波器，通过滤波器消除通过线路传导的干扰信号。（2）供电线路上分别加装滤波器，消除共用电线路上的相互串扰，将滤波器靠近接口处进行安装，并缩短滤波前电源引线与信号引线之间的距离，对滤波前电源引线、信号引线和接口进行电磁屏蔽处理。将电源适配器置于滤波器后端。（3）选用滤波器的截止频率应高于电缆传输信号频率。其中滤波器的3 dB插入损耗所对应的频率为截止频率。根据具体情况，可以用两种方法确定截止频率：模拟信号：信号的频率要低于截止频率；脉冲信号：若脉冲信号的重复频率是f，则15f小于截止频率。（4）对于电磁较为敏感的设备，其内部应采用滤波设计，通过加装线路滤波器的方法消除外界信号对其的串扰。采用浪涌抑制器对电快速脉冲（EFT或FTB）进行有效的抑制；直流阶跃信号采用积分电路缓冲处理；利用放电器件进行冲击响应的放电处理，达到电源和信号的平滑过渡，避免高次谐波的产生。所有滤波线路的输入线和输出线应分开布设，防止因高频耦合而降低滤波效果；供电电线穿装磁环，可有效减小供电电线的干扰发射。铁氧体磁环在电缆上使用时应注意以下事项：磁环的内径尽量小；磁环的壁尽量厚；磁环尽量长；线缆端头尽量安装磁环。8结语方舱的电磁兼容性是方舱的重要性能指标，它是保证舱内设备正常工作的重要参数。本文从方舱屏蔽设计、布局设计、布线设计、接地设计、滤波吸收设计5个角度对方舱的电磁兼容性进行分析，对方舱的电磁兼容设计方法进行了阐述，通过上述设计方法，可有效提高方舱的电磁兼容性能。参考文献：1王晓峰，刘琦，张秋冬。基于ICEPAK的某型方舱散热分析 J.电子技术与软件工程，2 0 18（2)：118-12 0.2王学科，邱扬.某电磁屏蔽方舱的优化设计 J.火控雷达技术，2 0 0 6，3（3 5)：49-6 9.3刘尚峰电磁兼容设计在铁路信号设备中的应用J 铁路通信信号工程技术，2 0 2 2（3）：10 5-110.4 黄鹏医疗方舱电磁兼容设计与基于FEKO系统仿真软件的仿真研究D北京：中国人民解放军军事医学科学院.5刘尚合，刘卫东电磁兼容与电磁防护相关研究进展 J高电压技术，2 0 14，40（6)：16 0 5-16 13.6刁平短波自适应跳频电台控制系统的设计与研究 D沈阳：东北大学.7 李雷.电磁屏蔽方舱泄漏要素的屏蔽特性研究 D西安：西安电子科技大学作者简介：王晓峰（198 4-），男，山西州人，高级工程师，博士，研究方向为机械动力学、载车系统热分析。The electromagnetic comnpatibilitydesign of square cabinWANG Xiao-feng,WANG Da-fei,BAN Huai-guo(China Electronics Technology Group Corporation Institute of the fifteenth,Beijing100083,China)Abstract:In this paper,the concept of electromagnetic compatibility of shelter is analyzed in depth.The key technologies andmethods of electromagnetic compatibility design are given from six aspects:electromagnetic compatibility design principle,shielding design,layout design,wiring design,grounding design and filter absorption design,it is important for the designing ofsquare cabinet.Keywords:Square cabinet,Electromagnetic Compatibility Design