路 延,贾翠霞,唐晓斌,武 剑

(1.北京联海信息系统有限公司，北京 100041；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

典型通信装备应用平台复杂多样，电磁环境的复杂多变，尤其是快上升沿脉冲电流形成的电磁脉冲场，对通信装备特别是C4ISR系统、信息化作战平台安全性乃至生存能力构成了严重的威胁。本文从典型通信装备的受扰机理[1]进行分析，针对典型通信装备的使用环境，可采用的最主要防护措施是屏蔽、滤波和接地等。电磁屏蔽是利用金属屏蔽体控制设备外向内或内向外电磁干扰的传导和辐射，主要与屏蔽体的材料、结构和频率有关；滤波可以抑制相关电磁信号的传导发射；接地则主要降低多电路共用接地阻抗产生的噪声电压等。

本文主要研究通信装备的电磁防护技术。依据典型通信装备的常见外观尺寸，设计一个2U屏蔽机箱来进行电磁防护技术研究，主要包括壳体材料和形状设计、通风窗设计、孔缝处理以及谐振频率的转移技术，分析典型通信装备屏蔽效能的影响。

1 典型通信装备电磁防护研究

1.1 典型通信装备受扰分析

复杂电磁环境是信息化战场的标志性特征，存在于战场的各个角落，使作战的难度与复杂性也随之增加，对通信系统也有很大的影响。因为各种作战平台之间都需要通过电磁环境进行传递数据和指令，通信在参与形成战场电磁环境的同时也将受到电磁环境的严重影响，进而影响到指挥控制系统的稳定性。电磁环境效应一是使通信的连续性受到影响。当受外界的电磁干扰时，容易出现数据传输中断。二是传递数据的正确性受到影响，导致传输数据误码率的增加，进而造成传递信息的失真，影响整个作战的进程[2]。

从电磁信号对通信装备的耦合路径进行分析，可以从后门耦合和遮挡效应进行研究，具体见图1装备受扰路径分析。

图1 装备受扰路径分析

1.2 典型通信装备受扰数据分析

从实验室测试得到的相关数据如表1可以看出，900 MHz～1.5 GHz频率范围分布着大量的电磁干扰信号，某通信装备在该频率范围具有更加容易出现敏感的特性。结合多种通信装备的工作频点，对100 MHz～1.5 GHz频率进行仿真。

表1 典型通信装备受扰数据统计

2 典型通信装备电磁防护技术研究

2.1 研究思路

图2 研究思路框架图

2.2 模型建立

根据某典型通信装备的实际尺寸，设计图3为2U屏蔽机箱模型，侧面上有缝隙，前侧面具有操作面板，后侧面有通风孔、电源开孔和信号开孔等，这些都会对机箱屏效产生影响。

图3 2U屏蔽机箱模型图

除此以外屏蔽机箱的通风孔采用3×5半径为3 mm，间距为15 mm圆孔组成，侧壁上方缝隙长度为200 mm，宽为1 mm。

图4 电连接器仿真模型

2.3 激励源

由于电磁脉冲信号激励信号为电磁脉冲，CST中仿真激励源是50kV/m的电磁脉冲。

3 典型通信装备电磁防护仿真

3.1 屏蔽材料对屏蔽效能的影响

以常见的2U屏蔽机箱设计仿真模型，侧面上有缝隙，前侧面具有操作面板，后侧面有通风孔、电源开孔和信号开孔等，通过对2U机箱的屏蔽材料，开孔数量、形状、厚度、谐振等方面对2U屏蔽机箱作电磁防护仿真。

为保证折页机构的工作精度，折页机构的运动副间隙必须进行严格的控制，同时，折页机构的速度不是很高.这种情况下，可以忽略销轴与套圈间的碰撞，认为销轴与套圈始终保持接触.

以三种常用不同材料作为2U机箱的屏蔽材料选择，分析材料对机箱屏蔽效能的影响。

图5 不同材料屏蔽层屏蔽效能仿真结果

如图5所示，给出了装备2U电磁防护屏蔽机箱分别采用铜、铁、铝材料的屏效仿真结果。在低频时的屏蔽机箱的屏效主要由屏蔽体的材料来确定，由图中仿真结果分析可知100～700 MHz时铁材料屏蔽效果最好，在700 MHz～1 GHz铜材料屏蔽效果最好。但总体来说差距相差并不大，综合考虑材料重量、硬度等条件，一般都选用铁或铜材料屏蔽机箱对装备进行防护。

3.2 开孔数量对屏蔽效能的影响

在保持开孔总面积(900mm2)不变的条件下，研究开孔数量对机箱屏蔽效能的影响[3]，如图6所示，依次增加开孔数量，开孔均位于机箱壁面的中心位置。

图6 三种开孔数量示意图

如图6所示，给出典型装备2U电磁防护屏蔽机箱在同等面积时开一个孔、四个孔、九个孔时屏蔽效能仿真结果。从仿真结果上可以看出，在同等面积下，开孔数量越多，机箱的屏蔽效能越好。

图7 不同开孔数量屏蔽效能仿真结果

在设计机箱的通风口时，尽可能的采用多孔来代替单孔，这有助于提高屏蔽腔体屏蔽效能，在设计腔体表面的多孔时，尽可能采用具有一定间隔的孔阵，这样可以有效地避免因外界电磁干扰在孔缝之间的耦合导致屏蔽体本身的屏蔽效能下降。

3.3 开孔形状对屏蔽效能的影响

在保持开孔总面积(900mm2)不变的条件下，孔数量为9个时，研究开孔形状分别为正方形与圆形时对机箱屏蔽效能的影响。

如图8所示，在低频段(150～900 MHz)圆形孔屏蔽效能要明显好于方孔，在高频段(900 MHz～1.5 GHz)机箱的谐振频率发生改变，尽管如此，在非谐振频率处，圆形孔的屏蔽效能也好于方孔。

图8 不同开孔形状屏蔽效能仿真结果

根据麦克斯韦方程，结合电磁脉冲对孔缝的耦合特性[4]，当开孔面积相等时，圆形孔耦合的电磁能量比方孔小，圆形孔耦合进入腔体的场强小，设计时尽量使用圆形孔。对于面积相同的矩形孔，随着长宽比的增加腔体中心处屏蔽效能依次下降，设计时应尽量使用长宽比小的方孔。同时，对于总面积相同的孔，开孔数越多时腔体中心处屏蔽效能越大，设计时应采用多个小孔代替单个大孔。所以建议选择的次序为：圆孔、正方形孔、矩形孔缝，这样对抗电磁脉冲更有利。

3.4 缝隙厚度对屏蔽效能的影响

图9 缝隙厚度不同时屏蔽效能仿真结果

由图9所示，缝隙[5]厚度为0.1 mm时屏蔽效能最低，缝隙厚度为5 mm时，机箱屏效变好，而当缝隙厚度为10 mm时，机箱的屏蔽效能有了较大提高，此时缝隙基本不透波，在非谐振频率能够达到70 dB左右，能够满足大多数情况下屏效需求。

增大缝隙的厚度或者对缝隙采用重叠的方式进行处理，既增大了细缝的有效厚度，同时减小了入射波的角度，可以有效的增加屏蔽效能。

3.5 机箱内部不同位置屏蔽效能差异

对730 MHz分别在这9个位置监测其屏蔽效能，得到屏效如表3所示，可以看出由于2U机箱自身空间并不大，因此各位置处屏效差异不大，但在距离通风孔最近的位置(8、9)，屏效要低于其他位置，距离电源孔与信号孔较近的位置(6、7)屏效略高，位置(4、5、2、3)屏效依次增加，位于中心处的位置(1)屏效最高。

图10 机箱内9个监测位置示意图

表3 机箱内同一频点不同位置处屏蔽效能

频率f:730MHz位置12345SE(dB)38.735.435.233.633.7位置6789/SE(dB)32.532.330.630.7/

根据仿真可知，在装备设计时应尽可能离开孔缝，因在孔附近的耦合场很强，反之，当远离孔缝时，耦合场较弱。对应在设计腔体时，应将装备尽可能离开孔缝，这样有助于提高系统对外界电磁干扰的抵抗能力。

3.6 机箱内部衬板对谐振频率的影响

电磁波进入一个由导体制成的封闭空腔时，在腔内将被连续反射。当电磁波辐射发射频率与腔体的谐振频率重合时，即发生了谐振，空腔也即为谐振腔[6]。

长方体谐振腔可以看成一个两端封闭的矩形波导，当腔体谐振时，腔内产生半波长整数倍的驻波，腔内的电磁波由矩形波导中的传输模式演变而来。

矩形腔体的固有谐振频率fb的计算公式为

(1)

其中，i、j、k为零或整数(i、j、k最多只能有一个为零)，l、w、h分别是矩形腔体的长、宽、高。

由上式可知，可以通过改变腔体的长、宽、高转移谐振频率。在实际设计时，由于机箱的尺寸常常会有约束限制，可以在机箱内设置某种材料的衬板或隔板，改变其内部结构，从而改变腔体大小及腔体内部介质的介电常数和磁导率，达到改变谐振频率的目的。

由上面一系列仿真可以看出，2U机箱具有多个谐振频段，其中在1.3～1.4 GHz频率范围内谐振较大，通过机箱内部设置衬板来有效抑制在敏感频段范围内电磁干扰强度。

如图11所示，在无衬板时，2U机箱在1.4 GHz附近屏蔽效能在10 dB左右，该频点为机箱谐振频点，设计一个尺寸为60 mm×200 mm×10 mm的铝质衬板，安置在机箱内，可以看到谐振频率发生偏移并受到一定程度抑制。若机箱内设置金属衬板或吸波材料能有效抑制谐振频率的电磁泄漏。

图11 有衬板与无衬板时机箱1.4 GHz谐振频点屏蔽效能

外界电磁干扰通过腔体的孔缝耦合进入腔体，进入腔体的电磁场能量集中在腔体的谐振频率附近，故在腔体的谐振频率对通信装备危害最大。在设计屏蔽腔体时，可以通过合理安装内部衬板大小以及在机箱内的位置来改变机箱的谐振频率，使得改变后的谐振频率远离电磁干扰的响应频率，减少对通信装备的影响，这对通信装备电磁防护起重要的作用。

4 结 语

从实战出发，以典型通信设备尺寸、结构为例，针对性设计2U电磁防护机箱，并对机箱开孔数量、形状、大小、缝隙及谐振等进行全方位比较、研究及仿真验证，不仅给出研究及验证结论，更对在设计阶段装备结构确立、器件选型、屏蔽材料选择等提供指导建议，从而在提高同类型产品设计能力的同时，增加效率并减少成本，增强通信装备的电磁环境适应性。

由于通信装备的多样性，无法一一通过实物及试验加以验证。本文针对典型通信装备开展电磁防护技术设计，并通过电磁仿真软件建立模型对防护效果予以验证。

设计腔体就是为了提高屏蔽效能，利用电磁场仿真软件，对谐振腔谐振频率技术进行研究仿真，得出了谐振腔谐振频率转移的方法。因此研究有孔矩形腔的屏蔽效能特性并抑制谐振频率、提高腔体的整体屏蔽效能更具有实际意义。