关于舰载电子设备电缆布线设计问题的探讨

【摘要】介绍了舰载电子设备中电缆布线设计技术及其基本原则。论述了舰载电子设备中电缆布线设计与电磁兼容之间的关系，以及电缆布线设计与电缆布线施工一致性的关系。提出了舰载电子设备电缆布线设计的基本方法，并提出了通过电缆布线设计解决电磁兼容问题的方法。

【关键词】舰载设备；电子设备；电缆布线；电磁兼容

1.引言

舰船电子设备是舰船众多设备中的重要设备。舰船电子设备在舰船中发挥着重用。现在的舰船电子技术发展十分迅速，以前采用的机械控制机构，很多都已经改成了电气机械的控制系统。同时，舰船电子设备线缆所传送的信号越来越多，频率也越来越高，消耗的功率就越来越大。我们知道，现代舰船电子设备使用的电磁环境频率十分复杂，各种设备都工作在复杂的电磁环境中，所以必须采用必要的措施，以保证舰载电子设备的正常运行。

舰载电子设备的各种电子部件主要有显示模块、操控模块、电源模块、机箱底板、各种插件板、变压器、滤波器、阻容元件等。电缆布线设计，要完成电子设备中各种部件、插件、元件间的合理布线，保证布线位置与结构的合理，实现设备各种部件、插件、元件之间的电连接，并达到设备的电气、电磁兼容等性能指标。通常，由布线所形成的分布电容和杂散电磁场的分布情况十分复杂，同时由于噪声干扰的随机性，所以很难通过特定的公式计算，来得到最佳的布线方案。电缆布线的合理性，在很大程度上取决于经验的总结和实验方法的验证。

2.关于电缆布线设计的问题

印刷电路板（PCB）的设计，要经过原理图设计和电路板布线设计。印刷电路板生产厂，根据电路板布线设计进行生产。同样，电子设备电气系统的设计，也要经过原理图设计和电缆布线设计。电缆布线设计是为电气系统制造做的准备工作，工人根据布线设计对电气系统的电缆布线进行施工。

由于电缆是属于机械电气类的产品，在处理设计问题时，必须兼有电子技术与机械技术两方面的专业特点。电缆布线设计需要将电气技术、机械技术、制造技术的有关内容结合起来进行综合考虑。电缆布线设计的要求比较高，布线设计人员必须熟悉电气技术（尤其是电磁兼容）、机械技术、制造技术。

电气人员，对设备、元件、电缆、信号的电气性能很了解，但由于导线可能穿越多个空间，需要不同的固定和安装方式，同时设备内部空间结构复杂，电气人员很难完成机械上的设计任务。机械人员可以设计电缆的固定和安装方式，设计电缆的分布和布局，但机械人员很难完成电缆的电气、电磁兼容设计。例如，确定哪些电缆和导线可以捆扎在一起形成线扎（或线束），并合理的分布线扎，保证线扎间的电磁兼容性能。

电缆布线设计主要包括：①电缆和线扎的设计；②电缆的空间布局设计。电缆布线设计可以简单概括为：①电缆和线扎包括哪些导线，它们相互之间的电气、电磁兼容性能如何解决；②电缆和线扎在设备内部如何分布、安装和固定。

完成了电气系统的逻辑原理图设计之后，就可以进行电缆和线扎的设计了。在设计过程的这个阶段，需要确定将哪些导线组合在一起，形成电缆；需要确定将哪些导线、电缆绑扎在一起，形成线扎。并且对所有的电缆和线扎进行拓扑描述，以便电缆空间布局设计工程师能够利用这些拓扑描述，确定这些导线、电缆与线扎的最终性能要求。同时工程师还必须确定连接线的线径规格，估算每一根导线和电缆的长度，并且确定在什么地方安置滤波器和连接器等。

对于每一个电缆或线扎，工程师必须做出一个2维的设计图，通常称作线扎图。线扎图是表示多根导线和/或电缆绑扎或粘合在一起的图样。对于有特殊要求的线扎，可以采用旁注加以说明，例如采用“技术要求”的方式加以说明。线扎图中的线扎有结构式和图例式两种表示方式。

电子设备的各类导线集中在设备内部，这些导线会互相干扰，影响整机的电气性能，甚至影响一起工作的其它设备的整机性能。所以，要尽可能排除各种干扰，合理、有效地利用设备内有限的空间，对电缆和线扎进行精心的设计。电缆和线扎设计时，应按导线信号的电压、电流、频率等类型分类捆扎，尽量防止线间耦合串扰，同时要考虑设备的可靠性和可维修性，考虑布线的美观性。

电缆和线扎的设计，应尽量选择专业生产厂制造的电缆，避免工人手工制作电缆。专业生产厂有专用的生产设备和检测设备保障，并有成熟的生产工艺，能够满足不同的电气、电磁等要求，符合国际组织的各种标准。手工制作的电缆很难达到专业生产厂水平，特别是电磁兼容方面，电缆的性能没有可靠的保证，差别也比较大。对特殊要求的电缆，可以提出具体的技术参数，在专业电缆生产厂定制生产。

电气系统内部各功能模块之间需要相互通信，所敷设的电缆（线扎）电压不同、电流不同、频率不同，这些电缆的相互位置，以及走向都将对设备整体的电磁兼容性能产生影响。由于电缆总是有一定的长度，部分电缆的电流很大，有的电缆信号十分敏感，因此电缆比PCB、机箱或其它结构件更容易导致电磁兼容问题。可以说，大部分的电磁兼容问题是电缆引起的，所以，必须对电缆和线扎进行合理、有效的空间布局设计。

完成了电缆和线扎的设计，就可以进行电缆的空间布局设计了，也就是根据电缆和线扎必要数据，结合设备内部空间，进行电缆的合理布局，满足电气、电磁兼容设计的要求。在这个阶段，电缆布线设计工程师将决定每一根电缆、线扎的精确长度，决定电缆和线扎的精确位置，决定连接器与紧固装置的具置。

电缆布线设计工程师，将有关电气系统电缆和线扎的信息，加以分类、整理。根据这些信息，电缆布线设计工程师更新每一个线扎的设计图纸——线扎图，明确线扎的长度、方向、折弯角度等数据，更新电气系统的电缆和线扎在固定、安装过程中所需要的辅助零件清单。在此基础上，生成制造模板所需要的设计图纸与技术规格要求，这些模板都是在装配每个电缆、线扎时所需要使用的。

电缆空间布局设计是很重要的一项工作，是明确电缆和线扎的空间位置、布局，明确电缆和线扎的相对位置的。在进行电缆空间布局设计时，不能简单地按照布线原则，将不同电压、不同电流、不同频率的信号电缆分开敷设，必须根据电子设备内不同信号电缆的干扰特性，在理论计算和实验的基础上，总结设备内不同信号电缆的布局方法，减少相互干扰。

3.电缆布线设计与电缆布线施工一致性的关系

电子设备的电气系统，在电气性能要求越来越高的情况下，电磁兼容性要求也越来越高。电缆布线施工的差异，不仅仅是外观上的不同，布线的不同导致同一类设备的电磁兼容性能差别很大，影响设备的整机性能。

在生产中经常存在如下情况，机柜、加固机、插件、电源等电子设备的结构件，经常多次重复投产，有时用先进的加工中心加工，有时用普通机床手工加工，但每次生产的合格产品，都保持一致。同时，电子设备的电缆布线，经常是不同时期的产品布线不同，不同操作者加工的产品布线不同。为什么同样的制造部门，加工的产品，在一致性上存在这么大的差别？

对于机械类零件，不同操作者在加工零件时，是按照零件图（或装配图）施工，图纸上明确标注了零件的尺寸、公差、粗糙度、涂覆面、孔的配合关系等。所以，加工机械类零件时，无论是高级工还是中级工，无论是先进的加工中心还是普通机床，只要按图施工，产品都是一致的。

对于电气装配，多年来，传统的电子设备电气总装设计，通常只有一份接线图和接线表，这只相当于完成了电气系统的逻辑原理图设计。接线图和接线表在布线设计方面常会发生无电缆、无线扎、无布线设计等问题。

从上面的分析可以看出，电缆布线设计是电缆布线施工一致的前提和保证，单纯采取工艺方法是无法保证电缆布线施工一致性的。需要保证电缆布线一致的设备，尤其是电磁兼容性能要求高的设备，必须进行电缆布线设计。事实上，即便是有经验的不同布线工程师，对同一台电子设备进行电缆布线设计，也绝对不会完全相同。

4.舰载电子设备电缆布线设计的方法

从抗干扰的角度考虑，合理的布线就是要设法减小电路中的分布电容、杂散电感，把由此产生的杂散电磁场减到最小的程度。合理布线的另一个目的是合理布置电路的回路途径和环路面积，使之控制在人们需要的范围之内。

对于舰载电子设备而言，电缆布线设计与电路设计同样重要，合理、有效的电缆布线设计，是电气系统电磁兼容性能在布线方面的保证，是不可回避的设计工作。我们必须对电缆布线设计给予足够的重视，否则，当设备装配完工，再考虑上述问题，就为时已晚。有时即使采取了一些措施予以补救，也要付出很大的代价，甚至根本不能解决由电缆布线导致的电磁兼容问题。

（1）进行电缆和线扎的设计

在这个设计过程，要根据电缆和线扎的设计原则，明确电缆和线扎的各种参数，并对电缆和线扎进行拓扑描述，生成“线扎图”，从而彻底避免电装设计中的“无电缆、无线扎”现象。同时，配合电磁兼容等实验，逐步修改、完善设备的“线扎图”，并建立“线扎图模板”。

（2）进行电缆的空间布局设计

电缆的空间布局设计，工作量比较大，对设计者来说知识面要求比较宽，需要将电气技术、机械技术和制造技术的有关内容结合起来考虑，一般人员短期内很难达到比较高的设计水平。因此，工作人员必须不断扩展知识面，熟悉上述专业的知识，熟练掌握电缆布线软件，全面提高设计水平。

电缆的空间布局设计，应根据电缆空间布局设计原则，使用电缆布线软件，生成“电缆空间布局图”，解决电子设备电气装配设计中的“无布线设计”问题。同时，配合电磁兼容等实验，逐步修改、完善设备的“电缆空间布局图”，并建立“电缆空间布局图模板”。

（3）电缆布线设计的沟通

要完成电缆布线设计，电缆布线设计工程师必须做到电气设计、机械设计、制造技术的有效沟通（单/双向），有效的沟通是电缆布线设计的保障。各专业人员的沟通，应以文件和图纸的形式进行沟通，图纸和文件必须采用相同的标准。

通过分析可知，电缆布线设计工程师不只需要有相当的机械设计、电气设计和制造技术水平，更重要的是和上述工程师进行有效的沟通。电气、机械、工艺工程师对自己负责的产品进行电缆布线设计，能够及时修改相关设计，极大地提高设计水平，提高电缆布线的合理性；并且，可以减少设计的中间环节，减少各专业工程师与电缆布线工程师的沟通，使沟通、协调更顺畅。

只有在“电缆空间布局图模板”比较丰富，设备可以参照模板进行设计的情况下，电气、机械、工艺工程师才能在熟悉电缆布线软件的基础上，对模板修改和完善，进行“参考设计”，达到电缆空间布局设计的要求。这种参照模板的“参考设计”与真正的电缆空间布局设计还有很大差距，但可以在相类似电子设备的布线设计中采用，缩短设计周期。

5.结束语

通过对电缆布线的合理设计，可以解决电缆布线导致的电磁兼容问题。在电子设备的导线选用、器件选择、接地设计、屏蔽设计等方面，满足设计和工作要求的情况下，如果对设备进行了全面的电缆布线设计，就可以使绝大部分设备，在出厂时，电磁兼容性能就达到要求，从而彻底解决由电缆布线导致的电磁兼容问题。

作者简介：易书琴（1983—），大学本科，现供职于中国船舶重工集团公司第七一研究所，从事舰载设备电子对抗方面工作。