燕云平,劉伯華

0 引言

隨著電子設(shè)備及系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜,電磁干擾也變得越來(lái)越嚴(yán)重,這就對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備提出了更嚴(yán)格更詳細(xì)的要求,也使得電子設(shè)備電磁兼容性能的研究成為現(xiàn)代及未來(lái)電子設(shè)備設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。加固機(jī)箱作為一種電子設(shè)備,對(duì)電磁屏蔽性能有很高的要求。通過(guò)電磁屏蔽理論的分析和研究,探討如何在結(jié)構(gòu)工藝上保證機(jī)箱的電磁屏蔽性和抑制電磁干擾的有效措施。

1 電磁屏蔽的原理

一個(gè)屏蔽體具有3種衰減作用:①因?yàn)榭諝馀c金屬交界阻抗的不相同而使得入射能量被屏蔽體表面所反射,稱反射損耗R;②當(dāng)入射能量通過(guò)屏蔽體時(shí)被吸收衰減,稱吸收損耗A;③當(dāng)入射能量通過(guò)屏蔽體內(nèi)部,到達(dá)屏蔽體另一面,由金屬與空氣交界阻抗不同引起的反射衰減,稱多重反射損耗B。所以屏蔽的計(jì)算公式為:

其中發(fā)射損耗與電磁波的波阻抗和屏蔽體的特征阻抗有關(guān),而吸收損耗中趨膚深度則是一個(gè)關(guān)鍵因素。反射損耗(近場(chǎng))的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離和屏蔽體的阻抗為:

而|Zs|=3.68*(f*μ/ó)1/2/10000000,遠(yuǎn)場(chǎng)則為 :

吸收損耗則與屏蔽體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率及電磁波的頻率有關(guān)。

校正因子僅適用于近磁場(chǎng)環(huán)境并且吸收損耗小于10 dB的情況。另外有一點(diǎn)必須說(shuō)明,由于屏蔽體吸收效率不高,其內(nèi)部的再反射會(huì)使穿過(guò)屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子可能是個(gè)負(fù)數(shù),表示屏蔽效率的下降情況。式中,A為吸收損耗(dB);R為反射損耗;B為校正因子;f為電磁波頻率(MHz);i為相對(duì)導(dǎo)磁率,ó為相對(duì)導(dǎo)電率;t為屏蔽罩厚度;D為波源與屏蔽之間的距離;Zs為屏蔽體阻抗。

2 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電磁屏蔽總體設(shè)就是除了考慮機(jī)箱自身的電磁屏蔽能力外,還應(yīng)對(duì)機(jī)箱整體的電磁屏蔽環(huán)境有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。從機(jī)箱整體設(shè)計(jì)出發(fā),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)箱的各個(gè)組成部分進(jìn)行合理有效的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)主要遵循以下3個(gè)原則:①盡可能抑制干擾源,直接將干擾源隔離在機(jī)箱及設(shè)備之外;②消除干擾源與分系統(tǒng)及設(shè)備之間的干擾耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳遞途徑;③隔離敏感部件,加強(qiáng)模塊本身抵抗電磁干擾的能力,以達(dá)到降低整體電磁環(huán)境惡化的風(fēng)險(xiǎn)。它包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:①布局設(shè)計(jì)。包括機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等;②屏蔽設(shè)計(jì)。包括模塊屏蔽設(shè)計(jì)、機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)。

2.1 加固機(jī)箱的布局

加固機(jī)箱采用全密封的鋁合金結(jié)構(gòu)。鋁合金是具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性的材料,是一種較高性能的屏蔽材料,通過(guò)將機(jī)箱內(nèi)部設(shè)備與機(jī)箱外殼的良好接觸,達(dá)到了靜電屏蔽的目的。機(jī)箱上留有的縫隙、指示燈以及電源接口、信號(hào)的輸入與輸出口等各種各樣的引出孔,會(huì)造成電磁泄漏,使機(jī)箱屏蔽效能降低。機(jī)箱主要由框架、前后面板、蓋板等組成,前面板上布置有開(kāi)關(guān),插座、接地柱等。除焊接連接外,所有可拆連接的接觸面均應(yīng)導(dǎo)電導(dǎo)磁接觸。內(nèi)部主要有功放模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、主控模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)接模塊、接口模塊以及收發(fā)模塊等組成,按頻率高低布置各印制板模塊。各模塊間主要通過(guò)轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行連接。每塊印制板模塊都采用單獨(dú)的屏蔽盒對(duì)其進(jìn)行分別電磁屏蔽,屏蔽盒與屏蔽板之間保持良好的電接觸。

2.2 電磁屏蔽

電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施。反之,用電磁屏蔽體可使敏感器件免受外界空間電磁場(chǎng)影響。結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽設(shè)計(jì),主要是通過(guò)材料的選用、結(jié)構(gòu)形式的確定和對(duì)屏蔽體孔縫泄漏的抑制,來(lái)降低和防止電磁干擾。電磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮以下幾點(diǎn):

①合理確定和分配屏蔽效能指標(biāo);

②對(duì)電磁干擾源和受感器進(jìn)行合理布局;

③明確設(shè)備內(nèi)信號(hào)線的類別,然后將同類信號(hào)線集中進(jìn)行走向分線布局設(shè)計(jì),必須避免不同類信號(hào)的走線集中在一起或緊靠著進(jìn)行走向分線;

④合理選擇屏蔽類型、屏蔽層厚度、屏蔽層的層數(shù);

⑤適當(dāng)增加結(jié)合縫隙深度和減小結(jié)合縫隙長(zhǎng)度(應(yīng)小于1/100λ);

⑥對(duì)于頻率大于50 MHz的電路,應(yīng)在機(jī)箱或盒體接合面處加入導(dǎo)電屏蔽襯墊,并合理減小螺釘間距,在螺釘以及可能發(fā)生相對(duì)位移處涂上導(dǎo)電膠(非游離態(tài));

⑦根據(jù)屏蔽體的功能(機(jī)箱或設(shè)備內(nèi)部的屏蔽)、容許的屏蔽空間,確定屏蔽體的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)形式、形位公差;

⑧對(duì)于頻率大于10 MHz的電路,應(yīng)合理劃分功能模塊單元,對(duì)功能模塊應(yīng)采取分蓋結(jié)構(gòu)或多層蓋結(jié)構(gòu),模塊之間的電氣連接應(yīng)采用饋通型濾波器。屏蔽體必須良好接地。一般情況下,接地電阻應(yīng)小于2mΩ,在局部要求嚴(yán)格的場(chǎng)合下,接觸電阻應(yīng)小于0.5mΩ。當(dāng)屏蔽體通過(guò)導(dǎo)線與地相接時(shí),導(dǎo)線的截面和截面周界都應(yīng)適當(dāng)增大,用以減少直流電阻和交流電阻;同時(shí)要盡量縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度,以減小導(dǎo)線的感抗。導(dǎo)線兩端最好用焊接;如果使用螺釘連接時(shí),最好能采用內(nèi)齒彈性墊圈或外齒彈性墊圈,以減小接觸電阻。為了使接地穩(wěn)定可靠,接地點(diǎn)應(yīng)防止受腐蝕。

2.3 屏蔽方法

電磁兼容設(shè)計(jì)是加固機(jī)箱設(shè)計(jì)的重要組成部分,在設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮到電磁兼容問(wèn)題,以避免在隨后的設(shè)計(jì)、制造、使用過(guò)程中走彎路。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)體,這一點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分困難,因?yàn)橐粋€(gè)完全封閉的屏蔽體是沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值的。一個(gè)實(shí)用的機(jī)箱上會(huì)有很多孔縫:通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開(kāi)口、不同部分結(jié)合的縫隙等。屏蔽設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是如何妥善處理這些孔縫,同時(shí)不會(huì)影響機(jī)箱的其它性能(美觀、可維性、可靠性)。

2.3.1 印制板的屏蔽

由于各模塊既是干擾源又是敏感體,因此將其用單獨(dú)的屏蔽盒進(jìn)行屏蔽。為了防止模塊內(nèi)部多級(jí)級(jí)聯(lián)電路的級(jí)間耦合,對(duì)內(nèi)部各級(jí)也必須進(jìn)行屏蔽隔離處理,各級(jí)之間用隔板隔開(kāi)。在結(jié)構(gòu)上將屏蔽盒設(shè)計(jì)成迷宮多腔結(jié)構(gòu),將不同級(jí)別的元器件獨(dú)立分腔布局,同時(shí)各腔、各級(jí)之間采用共蓋結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 印制板共蓋結(jié)構(gòu)模塊

屏蔽盒和屏蔽蓋之間的接觸面要平整,盡可能多地布置緊固螺釘,使盒與蓋保持良好的電接觸,消除縫隙寄生天線的影響,提高屏蔽效能。這些措施不僅有效地抑制了印制板模塊對(duì)外電磁輻射而且也提高了其抗干擾能力。

2.3.2 機(jī)箱縫隙的屏蔽

縫隙的電磁屏蔽可以大致分為兩種:緊固點(diǎn)(包括螺釘、鉚釘、點(diǎn)焊和鎖口等)直接連接;在縫隙中安裝屏蔽材料實(shí)現(xiàn)電連接.緊固點(diǎn)直接連接的方案工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,一般是首選的方法.對(duì)于結(jié)構(gòu)上不能采取緊固點(diǎn)連接,可以采取在縫隙中安裝屏蔽材料的方式.常用的屏蔽材料主要有:導(dǎo)電布、屏蔽簧片、金屬絲網(wǎng)、螺旋管、導(dǎo)電橡膠等。加固機(jī)箱體是通過(guò)同種材料釬焊焊接并經(jīng)過(guò)熱處理的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)的加固機(jī)箱

機(jī)箱與上、下蓋板,前、后面板的接縫均為狹長(zhǎng)縫,該狹縫形成寄生天線,是電磁泄漏的主要通道,因此在箱體與蓋板、面板的各個(gè)界面上均設(shè)計(jì)有密封溝槽。在此固定導(dǎo)電橡膠條并限制其過(guò)度壓縮,蓋板與箱體之間不僅通過(guò)導(dǎo)電橡膠條完全接觸,而且還有金屬之間的直接接觸,因此具有最好的導(dǎo)電效果和屏蔽功能。

2.3.3 孔、洞的屏蔽

加固機(jī)箱上常裝有各種開(kāi)關(guān)、電連接器、保險(xiǎn)絲、接地柱,因此在面板上就要加工出與之對(duì)應(yīng)的安裝孔為了增加機(jī)箱的散熱效果,機(jī)箱上需開(kāi)有板孔、抽氣扇進(jìn)風(fēng)孔和排氣扇排風(fēng)孔等。開(kāi)孔的形狀和周長(zhǎng)都必須符合要求。機(jī)箱內(nèi)部的電磁波會(huì)在機(jī)箱表面形成感應(yīng)電流,當(dāng)電流通過(guò)孔時(shí),會(huì)以輻射的方式發(fā)射能量,此輻射能量的大小與孔的形狀和周長(zhǎng)有關(guān)。相同面積的孔中,圓形孔的周長(zhǎng)最小。

由于插座、指示燈、操作按鈕、接地柱等需求會(huì)導(dǎo)致在電子設(shè)備面板上開(kāi)各種孔洞,對(duì)于這些孔洞的電磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí),可按照以下步驟考慮:

①最好將插座、指示燈、操作按鈕、接地柱等設(shè)置在屏蔽體外;

②建議選用屏蔽的元器件,例如帶屏蔽的插座、指示燈、按鈕、接地柱等;

③采用加屏蔽罩的方法將這些孔洞屏蔽;

④對(duì)于小的孔洞,如果屏蔽效能足夠,如果孔洞中不引出電纜,可以不處理。

3 仿真與結(jié)果分析

圖3(a)是機(jī)箱未采取屏蔽措施時(shí),設(shè)備做電磁兼容試驗(yàn)RE 102的結(jié)果?？梢钥闯?設(shè)備的輻射電平值超過(guò)了規(guī)定值。圖3(b)是機(jī)箱采取屏蔽措施后,設(shè)備做電磁兼容試驗(yàn) RE 102的結(jié)果。可以看出,設(shè)備的輻射電平值低于規(guī)定值,滿足使用要求。

圖3 機(jī)箱仿真曲線圖

經(jīng)過(guò)仿真分析:縫隙、孔洞是造成屏蔽機(jī)箱屏蔽效能降級(jí)的主要原因。細(xì)縫隙的作用就象有效的縫隙天線一樣,能接收和傳輸電磁信號(hào),在所有頻率(1/4波長(zhǎng)小于縫隙長(zhǎng)度)上,有潛在的危險(xiǎn)性。對(duì)加固機(jī)箱接縫和孔洞采取以上屏蔽措施后,測(cè)控系統(tǒng)電磁輻射干擾得到了有效的抑制,徹底解決了系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計(jì)是工程實(shí)踐中遇到的普遍問(wèn)題,在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須認(rèn)真地分析各種干擾信號(hào)來(lái)源,采取各種有效措施,提高系統(tǒng)抗干擾能力.完善的電磁兼容設(shè)計(jì),單靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員考慮屏蔽等是不夠的,必須作到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員、電路設(shè)計(jì)人員和工藝人員密切配合,在工藝上規(guī)范安裝操作方法以其滿足設(shè)計(jì)要求。電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程,需要在具體的工作中結(jié)合實(shí)際進(jìn)行合理的應(yīng)用,并隨著應(yīng)用的不斷深入進(jìn)一步提高EMC設(shè)計(jì)技術(shù)。

[1]區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出社,2003.

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