论探测器信号屏蔽层接地的可靠性

周亚芳

（中国空空导弹研究院，河南洛阳，471000）

0 引言

通信电路电气噪声的降低依赖于整个通信设施各信号接地点与系统地的接地阻抗的减小。这将使各通信电路之间存在的电位差最小，从而防止噪声源把噪声引导至通信电路中。怎样接地才能达到最佳效果，本文依托探测器信号的接地方式论证小信号屏蔽层通过螺纹咬合接地的不可靠性，并采用零件的转化处理达到接地的稳定性。

1 探测器信号的接地

如图1 所示，探测器屏蔽导线的屏蔽层焊接在模块的金属壳体凸起上，芯线通过凸起的中心孔穿入模块壳体内部，屏蔽导线的屏蔽层与模块壳体无缝连接，实现了导线的全段屏蔽。模块通过两个固定在骨架上的安装凸台固定在骨架上。屏蔽层接通过两次金属材料的转接，与骨架相连，骨架与大地相连，探测器信号线屏蔽层实现了接地。

图1 屏蔽层接地

从理论上看小信号传输路径上有效的降低了电磁干扰，但产品装配完成后测试时发现10%产品信号噪声非常大，其噪声的幅值接近于200mV，有效信号幅值为500mV，有效信号被噪声淹没。

2 原因分析

■2.1 电磁干扰的要素

电磁干扰的形成必须同时具备以下3 个因素：由电磁干扰源发出的电磁能量，经过某种耦合通道传输至敏感设备，导致敏感设备岀现某种形式的响应并产生效果。这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。

通常将这3 个因素称为电磁干扰三要素，为了消除电磁干扰的这三个要素，采用方法主要有：（1）降低干扰信号源的电平；（2）降低感受器的敏感性；（3）增加干扰源到感受器之间干扰传播途径衰减。

■2.2 原因排查

无论是对干扰源还是对感受器进行电磁屏蔽，都可以有效的衰减由电磁场引起的辐射干扰信号，感受器探测器是金属封装的，其屏蔽性能良好，单独测量均未出现干扰大的情况，干扰源模块已经整体用金属外壳封装，其它器件与探测器没有直接电气互联，噪声最大的电源模块也为金属封装，而探测器输出的信号为毫伏级的微弱信号，当外界存在交变的强磁场时，会使探测器引线感应的电信号与探测信号相当，从而表现出测试时噪声大，经用高斯计测试现场环境，在探测信号噪声偏大时，未发现现场存在强磁场的情况，为此确定感受器及干扰源不是引起噪声大的原因。

探测器引线连接探测器与模块，实现信号传输，其电缆采用的是屏蔽导线 屏蔽层的屏蔽效能取决于金属的导电率、编织层内线股之间的接触电阻、编织的角度和类型、线股的尺寸、屏蔽层覆盖率以及孔眼的尺寸等，此为低频信号，屏蔽材料为铜线编织网，理论上能实现屏蔽，导线屏蔽效能的降低，往往不是材料本身屏蔽性能不够，而是屏蔽的不连续性及接地不良造成。

屏蔽层与导线分离后导线通过模块金属壳体凸起的过线孔进行模块内部焊接，屏蔽层直接焊接在模块金属壳体提起上，电缆全段处于屏蔽状态，所以电缆的屏蔽是连续的。

在屏蔽层上引一根地线与系统地相连，噪声消失，因此认为此故障为探测信号传输线路屏蔽层接地不良造成。

屏蔽层的接地对屏蔽效能非常关键，当接地不良时，屏蔽层也会耦合电磁噪声，比如电缆上的脉冲信号会在没有接地的屏蔽层上形成环形电流，并导致屏蔽层不同点电势差异，引起噪声传递。再比如外部的电磁波会在没有接地的屏蔽层上传播（就和天线一样），所以需要接地，接地的目的就是让屏蔽层感应的信号有低阻抗的通道导走。

而接地又分子系统地与系统地，从定义上来说，电路或系统的零电位参考点，直流电压的零电位点或者零电位面，这时的这个地不一定为实际的大地（建筑地面），它是设备的外壳或其他金属板或金属带、金属线。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。此产品的子系统的地为模块金属壳体，系统地为金属骨架，满足作为接地平面的要求。

产品的屏蔽层直接连接在模块的金属外壳上，设计的接地方法是合理的，用低阻表测量屏蔽层与模块壳体之间阻值都在10mΩ 以下，说明焊接无问题，产品模块与探测器共地，对系统来说，需进一步检查此地是否与整机系统共地。

系统地为金属骨架，用低阻表测量整机金属骨架与屏蔽层之间的阻值，发现系统噪声小的阻值均在10mΩ 以下，而系统噪声不佳的产品阻值达到了0.5Ω、5Ω、十几Ω 等，进一步检查金属壳体与骨架之间阻值，发现最大有十几Ω，接地不良。

为此接地回路存在大的干扰，任何地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时，地线上产生压降，两个不同接地点之间必然存在地电压，整个系统存在多个子系统，所有的子系统地都是通过这种方式与整机系统接地，而各电路间又有信号线联系时将构成地环路，产生共模电流并在负载两端产生差模电压，对有用信号构成骚扰。

理想的接地回路应为零阻抗，使其不形成地电流回路，避免使电路、设备受磁场和地电位差的影响，设计之初从原理上，探测器屏蔽地焊接在预处理模块外壳，信息处理模块壳体靠安装凸台2 与骨架共地。如果信息处理模块壳体与骨架之间存在对地电阻，会造成探测信号地和系统地不共地，由于探测信号为弱信号，易受干扰，在产品调试、测试过程，会表现为探测信号上有叠加有噪声。当叠加到信号的噪声幅值大于200mV，将会出现信号判断异常。

从测量结果显示接地不良是此次故障的原因。

■2.3 接地不良机理

装配示意图如图2 所示，壳体与骨架连接相关的零部件及其表面的导电性能如表1所示。模块与骨架通过螺钉、凸台、安装凸台螺钉的螺纹咬合导通，其中的凸台表面不导电。

表1 零部件及其表面的导电性能

图2 模块安装图

使用万用表FLUCK15B 自动挡测试各零部件表面接触电阻，凸台表面电阻值∞，安装凸台螺钉表面电阻为0.0Ω，骨架表面电阻值为0.0Ω，模块壳体电阻值为0.0Ω，螺钉表面电阻值为0.0Ω。

根据零部件的材料、表面处理要求及实测情况，凸台采用烙酸阳极氧化的表面处理方式，镀覆层厚度为1.25～5.0μm，表面不导通，无法通过模块壳体、凸台、骨架的接触面导通。

进一步测量凸台上的两个安装螺纹孔，两个螺纹孔内表面的导通电阻为0.0Ω，根据图1、2 所示的装配关系，模块与骨架通过螺钉、凸台2、安装凸台螺钉的螺纹咬合导通，属于线连接，其接触面积仅为20～30%，对于接地性能要求高的场合，这种接地方式不是可靠连接，电镜检测螺纹机械连接接触情况，如图3 所示，间隙清洗可见，而产品在装配时为了保证螺纹连接的防松，在螺钉的螺纹表面及凸台的螺孔内腔涂有螺纹胶，螺纹胶固化后不导电，螺纹胶填充了螺钉与螺孔的所有间隙，进一步降低导通性能，为此螺纹咬合导通并不可靠。

图3 螺纹连接检测

接地不良的根本原因为未考虑子系统地与系统地之间的良好导通性，从表面上看屏蔽层接在模块金属壳体上，模块金属壳体装配在金属凸台上，金属凸台安装在金属骨架上，整个导通链路是连续的，但忽视了凸台表面进行了可烙酸阳极氧化处理，表面不导电。

3 改进方式

■3.1 涂导电胶

在螺钉上涂适量导电胶，可将螺纹与螺纹连接处间隙100%填充，如图4 所示，此种方式的导电机理在于导电性填料之间的接触。

图4 胶液连接

这种填料与填料的相互接触是在粘料固化干燥后形成的，在粘料固化干燥前，粘料和溶剂中的导电性填料是分别独立存在的，相互间不呈现连续接触，故处于绝缘状态。在粘料固化干燥后，由于溶剂蒸发和粘料固化的结果，导电填料相互间连结成链锁状，因此呈现导电性。

但如果粘料的量较导电性填料多得多，则即使在粘料固化后，导电性填料也不能连结成链锁状，或者完全不呈现导电性，或即使有导电性，它也是很不稳定的，反之，若导电性填料的量明显多于粘料，那么由粘结料决定的胶膜的物化稳定性就将丧失，并且也不能获得导电性填料之间的牢固连结。

因此采用导电胶的方式来增强导电性能，导电胶的配比及填充量将非常关键，配比上可以用电子称来控制，但什么样的配比才能达到最优导电，需要不断的试验，搅拌均匀可以依靠搅拌器来稳定实现，但填充胶料的多少则需要靠操作工来定性的控制，为此单独依靠导电胶来稳定控制导电性能并不理想，这种方式通常为辅助增加导电性。

■3.2 凸台表面转化处理

根据Q/5S31-2002《常用金属镀覆层和化学覆盖层选择原则与厚度系列》表3 铝及铝合金镀覆层的选择，烙酸阳极氧化膜层、转化处理膜层除胶接外应用场合相同，可以选择对凸台进行转化处理，转化处理具有良好的导电性，模块壳体安装面直接与凸台安装面贴合，实现面接触，只要螺钉装配到位，导通性能就能稳定。

表3 铝及铝合金镀覆层的选择

4 验证

凸台只采用转化处理，转化处理后使用万用表FLUCK15B 自动挡测量表面与螺纹内孔的阻值，阻值稳定显示0.0Ω，装配成整机后测量线束屏蔽层与系统地骨架的阻值，稳定显示0.0Ω，系统测试，探测器噪声消失。

同时零件表面为了接地需要局部做转化处理，这种应用是一种典型应用，在其他产品上也有过应用，如图5 所示，接地片上焊接屏蔽导线的屏蔽层，地片通过螺钉拧紧固定在骨架上，在地片与固件接触的表面对骨架表面进行了局部的转化处理，这种处理方式保证了产品接地的良好性。

图5 零件局部转化处理

也有采用导电胶与零件表面转化处理同时采取的案例，选用的导电胶为HLG-4 环氧树脂灌封料和球形铝粉按7：3（重量比）制成，接地片与骨架连接沉头螺钉上涂有适量导电胶，增强导电性能，且骨架上安装接地片的地方做了局部转化处理，整个导电性能稳定，接地良好。

5 结束语

屏蔽层的可靠接地，不光需要注意屏蔽层本身的接地是否良好，还需考虑与系统的接地是否良好，从文中的实例可以看出子系统的屏蔽层不管是连续性还是良好接地都考虑地很全面，但却忽视了与系统的共地回路。

对于小信号来说，靠螺纹咬合导通的方式来实现屏蔽层的最终接地是不稳定的，为了解决这种结构的接地需求，本文中论证了两种处理方案，螺纹上涂导电胶，增加螺纹与螺纹之间的导通面积，凸台转化处理，用面接触实现良好导通，这两种方式均是增加金属件接触面积来达到良好导通目的。