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線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

嘉峪檢測網 2022-07-28 13:06

01引言

線束產品可以說無處不在，無論是測試設備之間的電氣連接、航空發(fā)動機各附件與飛機控制系統(tǒng)之間的電氣連接、導彈發(fā)射系統(tǒng)的電氣連接、飛機各執(zhí)行機構之間的電氣連接、汽車發(fā)動機與各執(zhí)行機構之間的電氣連接等等，均離不開線束產品。

在電子技術飛速發(fā)展的今天，電子設備得到廣泛應用，數量之多、功率之大、所占頻帶越來越寬，使背景噪聲電平越來越高，電磁污染越來越嚴重，已成為目前主要公害之一，引起世界各行各業(yè)廣泛關注。

如何使線束產品滿足當今電子設備需要，滿足電子對抗技術要求，線束產品的抗電磁干擾防護設計，也就成為線束產品設計人員研究課題之一。

02基本概念

a) 電磁干擾

電磁干擾--因電磁騷擾引起設備、裝置或系統(tǒng)性能下降。

b) 電磁干擾傳播途徑

電磁干擾傳播途徑分為 “傳導”和“輻射”兩種。

傳導 --干擾信號通過金屬線路傳播，即干擾源和接收器之間有完整的電路連接。此電路包括導線、供電系統(tǒng)、公共阻抗、設備機殼、金屬支架、接地線、變壓器、互感和電容等集中元器件。總之，只要共用一個返回通路，將兩個電路直接連起來，就會形成傳導干擾耦合。輻射--干擾以電磁波的形式通過空間傳播。

c)抗電磁干擾

抗電磁干擾 --設備暴露在電磁輻射條件下所呈現的不希望有的響應程度，它分為兩種形式:輻射敏感度和傳導敏感度;

d)輻射敏感度

輻射敏感度 --對造成設備降級的輻射干擾程度;

e)傳導敏感度:

傳導敏感度 --當引起設備不希望有的響應或造成其性能降低時，對電源線、控制線或信號線上干擾信號的電流或電壓的度量。

03線束產品抗電磁干擾防護設計

線束產品通常由電連接器、導線、防波套、護套、轉接件、?？s套、接線端子、轉接器、電子元件等組成。線束產品抗電磁干擾防護設計就是通過結構設計達到抗電磁干擾目的。

線束產品用來傳輸電源電壓和各種電信號，它雖然本身不產生電磁干擾，但卻為電磁干擾信號提供干擾和輻射的媒體，導線中的電感是產生地噪聲電壓的一個重要參數，在任何一根導線中產生的電壓都是流過它自身的電流和流過所有臨近導線中的電流的函數。

導線可等效成為一個偶極子天線，可起輻射天線的作用，從而成為電磁干擾輻射源的一部分，同時起到接收天線的作用，成為系統(tǒng)對輻射發(fā)射敏感度的重要一環(huán)。

電源電纜和信號電纜還為傳導電磁干擾電壓和電流提供耦合途徑。當導線集束后，導線與導線靠的很近，這就造成對近場耦合或串擾的潛在敏感性。當與電纜相連的電路工作在低阻抗時，則主要是通過線間互感的磁場耦合，其與干擾信號的頻率、線間距離、耦合長度、線路阻抗和線束屏蔽層的接地方式等有關。當與電纜相連的電路工作在高阻抗時，則主要是通過線間分布電容的電場耦合，其與干擾信號的頻率、線間距離、屏蔽、濾波等有關。抑制導線束輻射和接受的主要措施是屏蔽和濾波。

屏蔽就是利用金屬屏蔽體(鋼、銅、鋁和鉛等)把主串回路和被利用電纜傳輸電信號串回路隔開，使干擾電磁場減弱所采取的一種措施，如電連接器的金屬外殼、導線外的防波套( 屏蔽層) 等。

如何做到線束產品外部防波套與電連接器尾部附件形成徑向 360°屏蔽，在使用過程中無電磁泄漏，滿足電磁兼容性要求，導線束外部防護結構與電連接器端接技術是線束產品抗電磁干擾防護設計的關鍵所在。

按屏蔽作用原理，電纜的屏蔽體可分為靜電屏蔽體、靜磁屏蔽體和電磁屏蔽體。

靜電屏蔽體的作用是使電場終止于屏蔽體的表面上并通過接地的方法把電荷傳送到大地中去，通常靜電屏蔽體是由逆磁材料(銅、鋁和鉛等)制成的。

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

a.屏蔽體與大地不接觸時，被干擾導體 b 上受到靜電感應影響

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

b.屏蔽體與大地不接觸時，被干擾導體 b 上不受靜電感應影響

靜磁屏蔽體的作用是使磁場限制于屏蔽體內，它是用強磁材料(通常是鋼)制成的。由于磁導系數很高，屏蔽體的磁阻很小，因而干擾源產生的磁通就大部分被限制于強磁屏蔽體中，而只有少數部分進入被屏蔽空間。

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

c.靜磁屏蔽體

上述靜電屏蔽體、靜磁屏蔽體僅在低頻時有效。如電纜，傳輸各種傳感器信號、控制信號、電源信號、通訊信號等，電磁環(huán)境非常復雜，在抗干擾防護設計時，導線分別選擇雙絞或三絞屏蔽導線，導線屏蔽材料為逆磁材料 -銅絲編織而成，通過指定點與發(fā)動機外殼短接，其目的就是使電場終止于導線屏蔽層表面上并通過接地的方法把電荷傳送到發(fā)動機外殼。

導線束外是用強磁材料 -1Cr18Ni9Ti 不銹鋼絲編織而成，其作用是使磁場限制于屏蔽體內。由于不銹鋼絲磁導系數很高，屏蔽體的磁阻很小，因而干擾源產生的磁通就大部分被限制于強磁屏蔽體中，而只有少數部分進入被屏蔽空間。屏蔽體的磁導系數越大及屏蔽體厚度越大，則屏蔽效果越好;屏蔽體的半徑越大，則屏蔽效果越差。

而在高頻時應采用電磁屏蔽，電磁屏蔽體的屏蔽作用主要是由于屏蔽體表面的反射和屏蔽體內的高頻能量衰減造成的。由于屏蔽體的金屬波阻抗和周圍的介質波阻抗不同，引起了電磁波反射。屏蔽體內的能量衰減則是由于金屬內渦流引起的損耗所產生的。

強屏蔽體的吸收屏蔽效果遠大于逆磁屏蔽體，但由于鋼內的能量損耗很大，對能量傳輸來說是不利的，故一般不采用鋼件作為單層屏蔽體。同樣厚度的逆磁屏蔽體的屏蔽效果僅由電導系數 σ的數值來決定，根據各種金屬電導系數排列順序，銅最好，鋁次之，鉛最差。因此，射頻電纜在設計時，外屏蔽均采用銅絲編織屏蔽乃至采用雙層屏蔽。

影響線束產品屏蔽效果除材料外，電磁泄露是影響產品屏蔽效果的重要因數。而線束產品電磁泄露的主要部位是防波套與連接器尾部殼體端接位置，通過下面具體應用示例，說明線束產品防電磁泄露的防護設計。

示例1:

某電纜，用于飛機與發(fā)動機各附件的電氣連接，傳輸各種傳感器信號、控制信號、電源信號。

環(huán)境特點:溫度高、振動強度高，具有抗?jié)駸?、耐鹽霧、防霉菌、抗電磁干擾等要求。

為滿足產品上述使用要求，產品的抗電磁干擾防護設計不僅要考慮產品的抗干擾能力，還應綜合考慮使用環(huán)境要求，尤其是高熱、潮濕、振動條件下對導線的影響。

各種電氣設備之間的電信號傳輸主要通過線束產品與各電氣設備之間的電氣連接來實現，而線束產品離不開導線和電連接器。

該產品的設計通過導線束外部選用帶聚四氟乙烯管的不銹鋼絲防波套。其一，該防波套具有很好的耐溫性能，可在-60°C~250°C條件下長期工作;其二，該防波套具有很強的抗腐蝕性和很好的三防性能;其三，不銹鋼絲編織的防波套具有很強的抗拉強度，對導線具有很好的保護作用和抗干擾作用。

此種結構防波套較硬、結構復雜，現有連接器尾附件很難將其固定。因此，設計專用尾部附件，該附件包括內外襯套，采用滾壓技術將防波套固定于內外襯套之間，使防波套與連接器殼體之間緊密配合，防波套與尾部附件之間形成徑向 360°連接，接觸電阻小于 0.1mΩ，確保產品在使用過程中無電磁泄露，滿足電磁兼容性要求，具體設計結構見圖 1。

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

圖 1 線束產品結構圖

示例2:某測試電纜用于地面電子設備間的相互連接，除有電磁兼容性要求外，同時，該產品移動敷設，要求產品具有良好的柔軟度。在產品設計時，選用帶記憶環(huán)固定的連接器尾附件。

記憶環(huán)是利用 TiNiNb 寬滯后形狀記憶合金的寬滯后記憶恢復特性，針對航空、航天、船舶、雷達通訊等屏蔽電纜的防波套與電連接器之間，實現緊密連接而制成的環(huán)形緊固件。其特點是:首先，按配合標準要求，將防波套套在連接器尾部附件相應位置上，再將記憶環(huán)套在防波套上，用專用工具對記憶環(huán)加熱，至環(huán)上色標由綠色轉為黑色。該環(huán)能夠產生6% ~7%的徑向收縮，將防波套沿連接器尾部附件圓周 360°固定，使防波套與連接器尾部附件緊密接觸，增強連接可靠性和抗電磁干擾能力，接觸電阻小于 0.1mΩ。同時，產品具有較強抗拉、抗振動、抗沖擊能力。

該產品貯存溫度為:≤60°C;長期工作溫度: -70°C ~200°C;記憶恢復應力:≥300MPa。

其優(yōu)點是:使用方便、快捷。具體設計結構見圖2。

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用

圖 2 帶有記憶環(huán)的線束產品結構圖

示例 3:在環(huán)境條件相對穩(wěn)定，用于試驗室測試設備且固定敷設的測試電纜，在導線束外部防護設計中，防波套與連接器的固定也常常采用導電率較高的銅導電線芯將其固定，也能起到很好的導電效果，接觸電阻小于 0.1mΩ，既可起到很好的屏蔽效果，也可降低成本，同時有利于維修，具體設計結構見圖 3。

線束產品抗電磁干擾防護設計及應用