机箱电磁屏蔽的理论分析

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作者简介：吴景艳（%’(’$

），女，河南洛阳人，郑州大学信息工程学院硕士研究生。文章编号：%"")$#’%&（!"")）"!$"%(%$")机箱电磁屏蔽的理论分析

吴景艳，邹

澎（郑州大学信息工程学院，河南郑州)*""*!）摘要：研究了机箱的电磁屏蔽特性，分析其产生电磁泄漏的机理，与相应的数学模型建立联系，给出可以采取的

屏蔽电磁泄漏的措施，并做了一定的比较。

关键词：机箱；电磁屏蔽；泄漏；模型

中图分类号：+,’(#-%文献标识码：.

随着电子技术的蓬勃发展，电气电子设备对电磁干扰的灵敏度增加、所处的电磁环境日趋复杂，使其很容易在不同程度上受到其它设备的电磁干扰，轻则性能变差，重则使控制系统产生误动作甚至造成严重的事故；这些电磁辐射对人体健康的危害也很大，长时期处在电磁辐射污染的环境下，会使人产生疲劳、记忆力下降、生理机能减退等不良症状；设备的电磁辐射还导致了信息泄漏。因此，电磁干扰的危害性受到了广泛关注［%/)］。在研究抗电磁干扰中，电磁屏蔽措施是抑制电磁辐射和信息泄漏、预防电磁干扰的重要技术措施之一；其中，设备外壳（机箱）为防止敏感设备受到干扰、防止电磁泄漏产生干扰而采取的电磁屏蔽设计，显得尤为重要。本文以微机机箱为例，从电磁兼容的技术出发，分析了机箱屏蔽机理，与相应的数学模型建立联系，为机箱屏蔽的测量和分析提供了理论依据。

!机箱产生电磁泄漏的机理

密闭的金属壳机箱，屏蔽效果应当是比较好的，但是机箱上不可避免地留有装配接缝、散热孔和通风口，安装各种调节旋纽、电源线、各种信号线的引出孔等，这些孔洞和缝隙使其外壳屏蔽不是完全的，产生电磁泄漏，

使屏蔽性能大大降低。

图%机箱上主要的孔缝分布

012

-%+345167819:71;<;=>?1<3;@46<56@;76;B :748A ?64以微机机箱为例，产生电磁泄漏的部位主要有：机箱上的缝

隙、散热孔或通风孔，光驱和软驱口、指示灯、C D E 口，

键盘、鼠标、显示器电缆的接口，音频、视频输入／出口，电源线接口，网线接口，

F D !#!串行口以及后面板上各种接口板的输入

／出口等。如图%所示的箱体上，仅列出主要的孔缝。

"机箱电磁泄漏的数学模型

机箱的屏蔽性能以屏蔽效能来度量，屏蔽效能是指对给定外

来源进行屏蔽时，无屏蔽体时空间某点的电场强度!"

（或磁场强度""）与有屏蔽体时该点电场强度!%（或磁场强度"%）的比值。通常以分贝（5E ）表示：#!5E G !"@2!"!%G !"@2"""%

。在建立数学模型时，本文只给出电场强度表达式。

"$!缝隙天线模型

缝隙能有效地切断机箱壁的表面电流线，表面电流的中断将部分由缝隙处形成的位移电流来承接，此位移电流相当于缝隙表面的（切向）激励电场，产生电磁辐射。设在无限大导体平板上有一个缝隙，长为!%，

宽为&，

在远区产生的电场［*］：!!’(%!")*+"·A ;6（,%A ;6!）-A ;6,%61

）第!!卷第!期

!"")年)月

河南科学H I J .J D K L I J K I M ;@N !!J ;-!.B

8-!"")

其中，!"!#$%是缝隙的波腹电压，$%是缝隙波腹处的切向电场。又因$%!&"’%，

则：($!()#$"#’%*·%&

’（+,%&’"）-%&’+,’()"（$

）由缝隙波腹处的切向磁场，可以计算远区的辐射电场$!

。

图$均匀照射孔径*(+,$-)(.&/0(1120()34(&)35

6/42/6!.!孔洞辐射源模型

当电磁波入射到金属板上的一个孔洞时，其作用相当于

一个口径天线的辐射，根据惠更斯原理，口径面上的分量可

以看成是次级子波的波源，在金属板的后面就会产生电磁能

量的泄漏。设一均匀照射孔径如图$所示，长为,，宽为/，

在远区产生的辐射场

［7］：$)#$’08%*,/（#1%&’"）)&"’0$&*

,/（#1%&’"）（9）其中，&"是空间波阻抗，’0是孔径面上的切向磁场，

可利用贴近场探头测量，"为矢径23与孔径法线的夹角，*是孔

径的中心到3点的距离，#!$%4。

机箱上的缝隙或孔径，可以看成是许多均匀照射孔径组

成的直线阵或平面阵，如图9

所示。图9均匀照射孔径组成的直线阵或平面阵

*(+,9:661()63//3;&/513)63//3;&.356/42/

6图8等效磁偶极子模型*(+,8<&=61&.6>2(?316)403+)64(%=(5

&16!,"等效磁偶极子辐射模型

图8中是一个等效磁偶极子，半径为5，电流为6"，

空间某一场点7与2点的距离为*，与环上任一电流元的距离为*8，"、’、(。等效磁偶极子的几何尺寸很小，可以满足!*@*8!03A "&$%!#+

，在远区的辐射场［B ］：($!(

)&"6"+9$&*

’()"（8）其中，&"是空间波阻抗，

9!%5$，"为矢径27与磁偶极子法线的夹角。机箱上的缝隙或孔径，同样可以看成是许多等效磁偶极子组成的直线阵或平面阵，如图B 所示。"可以采取的屏蔽措施

",#缝隙屏蔽处理

机箱的屏蔽效果和缝隙的传输损耗有关，传输损耗越大，屏蔽效果越好。缝隙的传输损耗由下式来表示：

—$C #—河南科学第$$卷第$期

图!磁偶极子组成的直线阵或平面阵"#$%!&’’(#)’*++*,-+.(*)’*++*,-/0*$)’1#23#.

-(’!3&"45($#!$／%"46&7$%

（3&）（!）式（!）中，$为金属板厚度或缝隙深度，%为缝

隙长度。

显然，对于可拆式接缝的屏蔽，可以通过

增加缝隙深度、减小缝隙长度，提高传输损耗，

即提高屏蔽效果。此外，还可以采用缩短螺钉

间距、加铍铜簧片、在缝隙处涂上导电涂料［8］、

接缝处加入导电衬垫或导电屏蔽胶带、增加接

缝处重叠尺寸、接缝避免安排在转角处等措

施，减少加工带来的接合面微小缝隙的电磁泄

漏，提高它的屏蔽效果。

!&"通风孔的屏蔽处理

当通风孔的最大尺寸达到!20时，屏蔽性能可下降953&以上［6］。机箱作为电子设备屏蔽体，

既要有效地满足屏蔽要求，又要能有效地解决内部元器件和组件的通风散热问题。通风孔往往是屏蔽体上一个最大的开口，因此通风孔的材料和安装形式决定了整体屏蔽效能的好坏。对通风孔的设计可采用以下措施：

7%4%:覆盖金属网

在大面积的通风孔上，通常覆盖金属丝网来减少孔洞处的电磁泄漏。金属丝网的屏蔽性能同网面的反射损耗，丝网直径、网孔的疏密程度、网丝材料的导电率以及网丝间的接触电阻等因素有关。当金属丝的直径远小于网丝中心间距时，金属丝网的屏蔽效率为：

’(":58)45(-$:5（*·

+）（9）式中：*（00）—网丝中心距，+

（;<=）—干扰频率。安装方式可采用两种形式：一是把金属丝网的周边与设备机箱焊接在一起。二是采用环形压圈通过紧固螺钉安装。

金属丝网存在着经纬线交叉点，易出现接触不良，使阻抗增大，导致屏蔽效能下降，或在某些需大面积屏蔽的结构中由于刚度差等原因而不宜使用。这时候可以采用具有一定刚度和强度的金属网板（密集型穿孔

金属板或由金属板拉制的网板）。为了良好的导电接触，还须加导电橡胶衬垫［>］。只要孔径相对于主要频

段信号的最小波长足够小，机箱仍具有较高地屏蔽效能。反之，将引起严重泄漏。穿孔金属板在甚高频下屏蔽效能亦要下降。当工作频率较低、对屏蔽效能要求不甚高，最经济有效的方法是使用穿孔金属板或金属丝网。

7%4%4截止波导式通风窗

波导是简单的管状金属结构，在电气上呈现高通滤波器的特性，允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减。利用这个特性，只要采用的波导使干扰信号的频率落在其截止区内，干扰信号就不能穿过，也就起到了电磁屏蔽的作用，这样的波导称为截止波导。在甚高频上，截止波导式通风窗是一个最佳的选择，能同时实现良好的通风性能和屏蔽性能。与金属网板相比，截止波导式通风窗的工作频段宽，即使在微波段仍有较高的屏蔽效能。

屏蔽体最终的屏蔽效能还是要取决于波导通风窗的安装情况，较好的安装方法有焊接或者铆接，一般采用螺钉安装方式，使用弹性的导电衬垫来保持接缝处的紧密接触。

#结论

本文以微机机箱为例，分析了电磁泄漏的机理，与缝隙天线模型、孔洞辐射源模型、等效磁偶极子辐射模型联系起来，并且从缝隙和通风孔这两个方面讨论了机箱屏蔽可以采取的几项措施，为机箱屏蔽的测量、分析和设计提供了理论依据。

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76:—4558年8月机箱电磁屏蔽的理论分析