舰船电子设备环境适应性及其电磁兼容性设计

孙畅 韩允

(1. 中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北 宜昌 443003；2 海军飞行学院教研部，辽宁 葫芦岛 125003)

1 引言

随着科技的进步，现代电子设备对电磁兼容性的要求越来越高。为提高屏蔽效能降低其对控制设备的影响，对保证舰船安全，提高战斗力有着重要的作用。据报道，舰载控制系统发生的故障50﹪以上是由环境因素造成的，随着控制系统技术的提高，使用环境的恶劣，可靠性问题就显的越来越突出。因此，提高电磁兼容及环境保护，加强可靠性设计是非常重要的。

2 控制系统设计思路及目标

2.1 设计思路

从控制系统的使用环境出发提高其电磁兼容性；

在控制系统结构设计上采取措施提高电磁屏蔽效能；

对控制系统内部的敏感部件采用多重屏蔽设计。

2.2 设计目标

针对舰船控制系统的使用环境，提高舰船控制台的抗电磁干扰能力，在一定的使用环境下,一定的平面波场内，使控制台的屏蔽效能达到最佳工作状态。

3 环境保护设计

由于舰载控制系统使用条件苛刻，过去精力主要集中在技术方面，对环境影响的考虑较少。为使舰载设备适应海洋环境，须采用环境技术及相应的解决方法。

3.1 加固及散热技术[2]

加固技术：结构设计中，结构的优化以及模块成组与组合均应立足于自身特征的保护，对于设备加固主要体现在选材上，一般选用耐腐蚀、高强度的金属材料，对线路板级选用经应力筛选后的器件；对模块级采取组合、隔振、罐封及去应力制作工艺，提高器件自身的环境适应能力。

散热设计：舰船控制系统一般为框架结构，内部留有空间，对栈接后的系统有利空气流通。此类结构，内部是中间镂空，空气在系统中为上下流动，从而使热量散发；对内部模块可通过散热设计，根据环境情况选择不同温度级别的模块；对密封设备的散热，如单元密封，一般采用冷板式散热；对整机密封，一般采用气－气对流散热。

3.2 密封性设计[1]

过去舰船电子设备多为开放式结构，虽然采用了“三防”措施，但大量潮气、盐雾、霉菌仍腐蚀设备及器件，为此舰船电子设备在设计阶段应考虑密封性设计，原则如下：

a) 舱外露天设备采用水密结构形式；

b) 舱内设备采用防滴式或全封闭结构，对要求高的局部设备采用气密式；

c) 对于抗恶劣环境有要求的设备，不用或少采用防溅式。

3.3 表面防护设计[1]

舰船控制系统工作在恶劣的海洋环境下，高浓度氯离子对金属材料会产生腐蚀，不仅影响外观，而且影响设备的使用寿命。在设计阶段采用优质耐腐蚀的涂料及热喷涂金属技术对控制系统外表进行防护。

881 聚氨酯系列防护涂层：其工艺是对设备外表面进行吹沙处理后，对表面喷涂环氧底漆，干燥后再涂覆881聚氨酯系列防护涂料，一般用于高强度铝合金表面防护。

无机富锌片锌涂料：该防护涂层具有优异的抗潮湿、耐海水与盐雾腐蚀性，其喷涂工艺与881聚氨酯系列防护涂层类似，一般用于普通碳素钢及不锈钢表面防护。

3.4 抗磁场设计[3]

舰船控制系统中的通风口一般是电磁干扰源的主要泄露部位，一般用金属网屏蔽，其性能在频率高于 100 MHz时急剧下降，不能满足GJB151A-97的要求，如用波导管的截止频率特性，当电磁波频率低于截止频率时，将产生很大的衰减特性。通风口是电磁干扰的主要泄露部位，在控制系统的通风孔上安装通风蜂窝板，也可解决屏蔽与通风散热问题。例如：若蜂窝板的厚度为L，截止频率为：

式中:w为六角形波导内壁外接圆直径(cm)。

计算出截止频率后，依据下式计算出任一频率的波导屏蔽效能为：

式中：f—电磁波频率（Hz）；L—波导长度（cm）；A—屏蔽效能（dB）

18 Hz时，屏蔽效能为：

强磁屏蔽技术是抗强磁设计中常用的方法，其手段是采用高导磁金属材料，对设备或器件加屏蔽罩，使磁力线在屏蔽罩内形成磁回路，使设备得到有效防护。但加屏蔽罩会使整体体积、重量增大、结构复杂、不便于维护保养。因此，屏蔽罩应根据设备的使用环境，结合设备自身的特点及要求而定。选择屏蔽材料厚度，屏蔽罩的形状应根据设备的装舰要素确定。在设计中应对设备中的磁敏感器件，如显像管、霍尔元件等可能受强磁场的影响而不能正常工作的器件进行局部屏蔽；也可采用整体屏蔽后，进行强磁冲击试验，再确定二级或更高级别屏蔽的部位。大多数舰船设备采取局部屏蔽后就能满足使用要求，但有些重要设备需多级屏蔽才能满足要求，如抗强磁型导航雷达的强磁屏蔽设计就采取了多级屏蔽。

4 电磁兼容性设计

4.1.1 机柜壳体屏蔽设计[4]

一般情况下由钢和铝制成的电子设备机壳能达到屏蔽作用，是因为钢和铝都具有较高的导电率（钢=0.1，铝=0.61），铝的相对磁导率为1，钢的相对磁导率为 140，这使得钢为理想的适用于磁场屏蔽的材料。虽然增加屏蔽体材料的厚度也能提高屏蔽效能，但更大厚度将受到尺寸、重量的限制，而重量增加将使设备变得无法使用。实心导电屏蔽体的屏蔽效能是反射、吸收和多次反射损耗的总和。

当f=50 Hz时，电子设备内部主要为磁场干扰。钢的相对电导率为σr= 0.1，相对磁导率µr=1000，距离r=0.1 m。由于钢低频段的高导磁性，对磁场已没有反射损耗，可认为50 Hz的反射损耗Rm=0。

吸收损耗：

反射损耗：

由于A＞10 dB，多次反射修正系数B可不记。

因此1.5 mm厚的钢板对100 MHz干涉波的屏蔽效能为：

事实上，机柜内部的主要功能模块一般都经过多次屏蔽，例如计算机电源模块内部的线圈一般要经过电源模块壳、计算机机箱、机柜壳体屏蔽，它产生的电磁场已衰减到很小，有此可见，采用1.5 mm厚的10号钢板焊接成整体，通过机架把整个系统屏蔽起来，利用机架对电磁干扰反射和吸收损耗，切断机箱内外干扰信号的传播来减弱或者消除电磁干扰对系统内外设备的干扰。

4.1.2 线路板的电磁兼容性设计

控制系统是由各类电路板、传感器及其它检测设备等组成。线路板是构成电子设备的基础，保证线路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键。由对称原理可知，一个电路的电磁辐射和接受能力是一致的，即一个电路的电磁辐射效率越高，往往接收效率也高。在设计中抑制线路板的电磁辐射，同时也提高了线路板的抗干扰能力。

抑制线路板上电源线和地线干扰

a) 不用的门电路输入端不悬空，不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。

b) 线路板用45折线，以减小高频信号对外的发射与耦合。

c) 线路板上的噪声元件与非噪声元件距离尽量远，电源线、地线尽量粗。

4.1.3 元件布置合理分区及布局

元件在线路板上的排列位置，充分考虑抗电磁干扰问题，各元件之间的引线尽量短，并把模拟信号与高速数字电路合理分开，使其相互间的信号耦合最小。布局时，强辐射电路要尽量远离I/O接口电路；I/O接口电路的电源线、地线最好能与线路板上其它电路的地面和电源线面隔离，这样可以减小线路板通过 I/O电路耦合到电缆上，可以减小电缆产生的共模辐射。

4.2 内部布线原则

4.2.1 线间电磁耦合的抑制方法[5]

对磁场耦合：使用双绞线和屏蔽线减小干扰；增大线间距离(使互感减小)。尽可能使干扰源线路与受感应线路呈直角布线。

对电容耦合：增大线间距离；屏蔽层接地；降低敏感线路的输入阻抗；在敏感电路采用平衡线路作输入，利用平衡线路固有的共模抑制能力克服干扰。

4.2.2 采用的布线方法

按功率分类，不同分类的导线分别捆扎，分开敷设的线束间距离为50～75 mm。

4.3 电缆的选用

一般控制设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线，设备产生的大部分辐射都是通过各种导线实现的，而外界的干扰往往也是首先被导线接收到，然后流入设备中的，因此信号电缆选用带屏蔽的双绞线，信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消。

4.4 对静电的防护

静电放电通过直接传导、电容耦合、电感耦合三种方式进入控制系统的电子线路。对电路直接放电会导致电路损坏。对邻近物体放电，通过电容或电感耦合会影响到电路工作的稳定性。防护方法：(1)使用带有接地的金属屏蔽壳体将放电电流释放到地。金属外壳接地可限制外壳电位的升高，造成内部电路与外壳之间的放电。(2)内部电路用单点接地与金属外壳相连，防止放电电流流过内部电路。

5 结束语

对舰船控制系统可靠性的要求在不断提高，针对其电子设备的某些特殊要求，在设计阶段对其进行有效地环境保护及电磁兼容性设计，是提高系统可靠性及抗恶劣环境的重要手段。

[1] 张晓云，郭玉海等.便携式拉伸应力腐蚀试验器的研制[J].装备环境工程，2004，1（2）：18-22.

[2] 吴晗平.舰载电子设备可靠性与环境防护技术[J]. 装备环境工程，2004，1（2）：64-68.

[3] 白云同.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[4] 吕仁清，蒋全兴.电磁兼容性结构设计.东南大学出版社，1990.

[5] 张志华，北京瑞特电子技术公司EMC部，电磁兼容与电磁干扰抑制技术[M].1999.