电子设备机箱的电磁屏蔽设计探讨

#开发设计#

电子设备机箱的电磁屏蔽设计探讨

周秀清1

刘兆黎

2

(1.中科院空间科学与应用研究中心通信室 北京) (2.中国石油物资装备(集团)总公司 北京)

摘 要:电子设备机箱,除具有机械支撑和保护作用外,还具有一定的屏蔽效能,以确保设备的电磁兼容性。通过对屏蔽效能的定义公式分析,得出做好机箱的电磁屏蔽,不仅取决于构成机箱的材料,而且取决于机箱的结构,即首先要选用高导电、导磁特性的材料作为屏蔽材料,其次要保证机箱导电的连续性。文章同时给出了机箱缝隙电磁泄露及穿过机箱电缆的一些处理方法。

关键词:电子设备;机箱;屏蔽效能;电磁兼容性;电磁屏蔽

中图法分类号:TN 07 文献标识码:B 文章编号:1004-9134(2006)04-0024-04

0 引 言

对电子产品的设计者来说,结构设计和电路设计均对产品的电磁兼容起着关键性的作用。可是在以往他们更关注电路设计的电磁兼容性,觉得机箱似乎没什么技术含量,只不过起机械保护作用。忽略了机箱除了出色的机械保护,还有很重要的屏蔽电磁干扰的功能。

机箱的电磁屏蔽是解决电子设备电磁兼容问题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。特别是随着电路工作的频率日益提高,单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。机箱的屏蔽设计与传统的结构设计有许多不同之处,一般如果在结构设计时没有考虑电磁屏蔽的要求,很难将屏蔽效果加到机箱上。所以,对于现代电子产品设计,必须从一开始就考虑屏蔽的问题。

因此首先做好机箱的电磁屏蔽是解决电子设备电磁兼容问题的一个必不可少的环节。

1 电磁屏蔽概述

电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。目前的各种电子设备,尤其是军用电子设备,通常都有金属壳体(机箱或机柜),它除了机械支撑和保护作用外,还兼有电磁屏蔽的功能,这包括两方面的问题:其一,设备的对外电磁辐射会污染电磁环境,影响其它设备的

正常工作;有的设备还会造成信息泄露等。其二,设备在外界电磁干扰的影响下,会引起工作紊乱,甚至损坏设备。因此,机箱对电子产品电磁兼容性能的影响已引起人们的普遍重视。

电磁屏蔽一般分为两种类型:一类是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响,另一类是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响[1]。

静电屏蔽应具有两个基本要点,即完善的屏蔽体和良好的接地。

电磁屏蔽不但要求有良好的接地,而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性,对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。

2 屏蔽材料的选择

屏蔽体的有效性是用屏蔽效能来度量的。屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点没有屏蔽存在时的电磁场强度E 1与有屏蔽时的电磁场强度E 2的比值,它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度[2]。用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一,因此通常用分贝来表述屏蔽效能,这时屏蔽效能(SE)的定义公式为:

SE =20lg (E 1/E 2) (dB)

(1)

式(1)中,E 1是没有屏蔽体时测得的场强,E 2是有屏蔽体时测得的场强。屏蔽效能与场强衰减的关系见表1。

第一作者简介:周秀清,女,1973年生,工程师,2001年硕士毕业于石油大学(北京)机电工程学院工程力学专业,毕业后一直在中国科学院空间科

学与应用研究中心通信室工作,主要从事电子设备的结构工艺设计等方面的工作。邮编:100080

#

24#

石 油 仪 器

PE T ROLEUM INSTRUMENTS

2006年08月

表1屏蔽效能与场强衰减的关系

屏蔽前场强屏蔽后的场强衰减量屏蔽效能/dB

10.10.920

10.010.9940

10.0010.99960

10.00010.999980

10.000010.99999100

10.0000010.999999120

屏蔽效能越高,每增加20dB的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能,而军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能,TE MPEST 设备的屏蔽机箱的屏蔽效能要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的,成本也很高。

用式(1)只能测试屏蔽材料的屏蔽效能,而无法确定应该使用什么材料做屏蔽体。要确定使用什么材料制造屏蔽体,需要知道材料的屏蔽效能与材料的哪些特性参数有关。工程中实用的表征材料屏蔽效能的公式为:

SE=A+R+B(dB)(2)式(2)中,A称为屏蔽材料的吸收损耗;R称为屏蔽材料的反射损耗;B称为多次反射修正因子。

电磁波在屏蔽材料中传播时,会有一部分能量转换成热量,导致电磁能量损失,损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗,式(2)中A的计算公式为: A=3.34t(f L r R r)1/2(dB)(3)式(3)中:t为材料的厚度;L r为材料的磁导率;R r 为材料相对于铜的电导率,对于特定的材料,这些都是已知的;f为被屏蔽电磁波的频率。

当电磁波入射到不同媒质的分界面时,就会发生反射,使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量的损失称为反射损耗,式(2)中R的计算公式为:

R=20lg(Z w/4Z m)(dB)(4)式(4)中,Z w为入射电磁波的波阻抗;Z m为屏蔽材料的特性阻抗。

电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值:Z w=E/H。在距离辐射源较近(

若辐射源为大电流、低电压(辐射源电路的阻抗较低),则产生的电磁波的波阻抗小于3778,称为低阻抗波,或磁场波。若辐射源为高电压,小电流(辐射源电路的阻抗较高),则波阻抗大于3778,称为高阻抗波或电场波。当距离辐射源较远(>K/2P,称为远场区)时,波阻抗仅与电场波传播介质有关,其数值等于介质的特性阻抗,空气为3778。

屏蔽材料的阻抗计算公式为:

|Z m|=3.68@10-7(f L r/R r)1/2(8)(5)式(5)中,f为入射电磁波的频率(Hz);L r为相对磁导率;R r为相对电导率。

电磁波在屏蔽体的第二个界面(穿出屏蔽体的界面)发生反射后,会再次传输到第一个界面,在第一个界面发生再次反射,而再次到达第二个界面,在这个界面会有一部分能量穿透界面,泄露到空间。这部分是额外泄露的,应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子。不过,在大部分场合,式(2)中B都可以忽略。

从上面几个公式,就可以计算出各种屏蔽材料的屏蔽效能,为了方便设计,下面给出一些定性的结论:

(1)在近场区设计屏蔽时,要分别考虑电场波和磁场波的情况;

(2)屏蔽电场波时,使用导电性好的材料,屏蔽磁场波时,使用导磁性好的材料;

(3)同一种屏蔽材料,对于不同的电磁波,屏蔽效能是不同的,对电场波的屏蔽效能最高,对磁场波的屏蔽效能最低,也就是说,电场波最容易屏蔽,磁场波最难屏蔽;

(4)一般情况下,材料的导电性和导磁性越好,屏蔽效能越高;

(5)屏蔽电场波时,屏蔽体尽量靠近辐射源,屏蔽磁场源时,屏蔽体尽量远离磁场源;

另外,对于1kHz以下这种频率很低的磁场,很难屏蔽,只能采用高导磁性的材料进行屏蔽,常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金。

因而为了满足电磁兼容性要求,常常用高导电、高导磁特性的材料作为屏蔽材料,如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。随着对民用产品电磁兼容性要求的严格化,越来越多的厂家采取在塑料机箱上镀镍或铜的方法来实现屏蔽。

3机箱孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策

一般除了低频磁场外,大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际工程中,常见的情况是金属做成的屏蔽体,并没有这么高的屏蔽效能,甚至几乎没有屏蔽效能。这是因为,屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料,而且取决于屏蔽体的结构。

首先,需要了解的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否

#

25

#

2006年第20卷第4期周秀清等:电子设备机箱的电磁屏蔽设计探讨