電子設備的電磁屏蔽設計

楊明冬

(武漢光迅科技股份有限公司湖北武漢430074)

現代電子設備系統功能的增多，使通訊設備結構日趨復雜，而且由于系統內部元器件和功率密度的增加，再加上各種內外干擾源，使得整個系統的應用電磁環境變得極為惡劣。正因為如此，電子設備抗電磁干擾技術研究成為我國電子行業電子設備結構設計的一項重要內容。對于電子機箱的信息輻射泄漏或外部輻射的電磁干擾，屏蔽技術是最有效的一種手段。

1 電磁屏蔽設計基本原則

在對電子設備進行電磁屏蔽設計時，需要注意以下基本原則：

(1)選擇合適的屏蔽效能指標。電磁屏蔽設計之前總體指標的分配至關重要，有30 dB與70 dB準則之說：一般而言，在同一環境中的一對設備，騷擾電平與敏感度門限電平之差小于30 dB時，設計階段可不必專門進行屏蔽設計；若兩者之差超過70 dB，單靠屏蔽很難保證兩者兼容，即使達到指標，設備成本將急劇增加，較為可行的辦法是總體指標或方案做出適當調整，30～60 dB是屏蔽設計的常用期望值。

(2)屏蔽體的結構必須簡潔，盡可能減少不必要的孔洞，盡可能不要增加額外的縫隙；避免開細長孔，通風孔盡可能采用圓形孔并陣列排放。屏蔽和散熱有矛盾時盡可能開小孔，多開孔，避免開大孔。

(3)不能有直接穿過屏蔽體的導體。要重視電纜的處理措施，電纜的處理往往比屏蔽本身重要。一旦有一電纜從屏蔽體中穿出，將對屏蔽體的屏蔽效能產生顯著的惡化作用。

(4)屏蔽體的電連續性是影響屏蔽效能最主要的因素，相對而言，材料本身屏蔽性能的影響是微不足道的(低頻磁場例外)。要保證屏蔽體的導電連續性，減小孔洞與縫隙的長度。導電連續性即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體，但實際應用中的屏蔽體總會有部分孔洞和縫隙，設計時需妥善處理孔洞與縫隙。

2 電磁屏蔽技術的主要措施

2.1 縫隙的電磁屏蔽

電子設備由于功能的需要，存在大量的縫隙。這些縫隙的電磁屏蔽設計是電子設備屏蔽設計中最復雜、最關鍵的一部分。縫隙的電磁屏蔽可以大致分為兩種：緊固點(包括螺釘、鉚釘、點焊、鎖口等)直接連接；在縫隙中安裝屏蔽材料實現電連接。

緊固點直接連接的方案工藝簡單，成本低廉，一般是首選的方法。對于結構上不能采取緊固點連接(如活動縫隙)，可以采取在縫隙中安裝屏蔽材料的方式。

2.1.1 緊固點直接連接設計方案

(1)減小縫隙的最大尺寸。為減小縫隙的最大尺寸，最直接的方法是減小緊固點的間距。實踐證明，當縫隙的最大線性尺寸等于干擾源半波長的整數倍時，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線性尺寸小于λ/100，至少不大于λ/10波長。一般取螺釘間距為λ/20[1]。

(2)增加縫隙深度。增加結合面縫隙的深度可以大大提高縫隙的屏蔽效能，其作用要明顯大于減小緊固點的間距。如圖1，通過增加縫隙L值可以有效增加縫隙的屏蔽效能。一般推薦縫隙的深度是板厚的10～15倍。但根據經驗，由于零件的剛性和緊固點的面積，單排緊固時縫隙深度超過30mm就沒有實際意義，比較理想的值是15～25mm，至少應大于10mm。

圖1 縫隙深度

(3)提高零件的剛性。當緊固點距離不變時，結合面零件的剛性好，則縫隙的最大尺寸更小，因此提高零件的剛性可以提高縫隙的屏蔽效能。增加零件的剛性的常用措施有：采用型材(如圖2)、增加板材厚度、增加折彎次數(如圖3)等。

圖2 增加零件剛性（型材方式）

圖3 增加零件剛性(增加折彎次數)

2.1.2 安裝屏蔽材料

當縫隙的結構形式是活動縫隙或者不能使用太多緊固點時，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。目前常用的屏蔽材料主要有：導電布、屏蔽簧片、金屬絲網、螺旋管、導電橡膠等。

在選擇屏蔽材料后，選擇屏蔽材料合理的結構形式，保證屏蔽材料可靠的壓縮是屏蔽設計的重點。如圖4，方式二和三的結構形式兩零件之間的接觸能夠提供額外的屏蔽效果，另外由于有安裝槽，能夠保證屏蔽材料可靠的壓縮。因此，方式二和方式三的屏蔽效果比方式一好，其中方式三比方式二又稍微好些。

圖4 屏蔽材料的安裝形式

2.2 孔洞的電磁屏蔽設計

2.2.1 孔洞屏蔽效能影響因素

影響孔洞電磁屏蔽效能的主要因素有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔間距以及孔的數量，其中影響最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。需要注意的是屏蔽效能只與孔的最大尺寸有關，而與孔的面積并沒有直接的關系，因此在設計時盡量開圓孔，其次考慮開方孔，盡量避免開長腰孔。

3.2.2 通風孔的屏蔽

通風孔的屏蔽主要需要均衡通風與散熱之間的矛盾，考慮屏蔽需求時，通風板的常用類型有穿孔金屬板和波導通風板。

(1)穿孔金屬板。穿孔金屬板即在金屬板上面開陣列通風孔。通風孔尺寸越大，其屏蔽效能越差，為提高屏蔽效能，可在滿足屏蔽體通風量要求的條件下，以多個小孔來代替大孔，構成屏蔽性能穩定的穿孔金屬板。

(2)波導通風板。波導通風板是利用截止波導的原理制作成的通風板，常用的波導通風板的厚度有6.3mm，12.7mm和25.4mm三種規格，厚度越大，屏蔽效能越高。波導通風板的價格昂貴，特別是鋼制波導通風板的價格更高，一般在設計時應優先選用鋁制波導通風板，但由于鋁制波導通風板對低頻磁場幾乎透明，因此當對低頻磁場有要求時，應該選用鋼制波導通風板。

3.3.3 其他孔洞的屏蔽

由于指示燈、操作按鈕、觀察孔等需求會導致在電子設備面板上開各種孔洞，對于這些孔洞的電磁屏蔽設計時，可按照以下步驟考慮：

(1)最好將指示燈、操作按鈕、觀察孔等設置在屏蔽體外；

(2)建議選用屏蔽的元器件，例如帶屏蔽的指示燈、按鈕以及屏蔽玻璃等；

(3)采用加屏蔽罩的方法將這些孔洞屏蔽；

(4)對于小的孔洞，如果屏蔽效能足夠，如果孔洞中不引出電纜，可以不處理。

2.3 線纜的電磁屏蔽設計

為了避免電纜穿透對電子設備屏蔽體的影響，可以從以下幾個方面采取措施：

(1)采用屏蔽電纜時，屏蔽電纜在出屏蔽體時，采用夾線結構，保證電纜屏蔽層與屏蔽體之間可靠接地，提供足夠低的接觸阻抗。

(2)采用屏蔽電纜時，用屏蔽體連接器轉接將信號接出屏蔽體，通過連接器保證電纜屏蔽層的可靠接地[2]。

(3)采用非屏蔽電纜時，采用濾波轉接器轉接，由于濾波器高頻的特性，保證了電纜與電子設備屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

(4)采用非屏蔽電纜時，電纜在屏蔽體的內側(或者外側)要足夠短，使干擾信號不能有效地耦合出去，從而減小了電纜穿透的影響。

(5)電源線通過電源濾波器出屏蔽體，由于濾波器通高頻的特性，保證電源線與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

2.4 搭接設計

搭接指在兩個金屬物體之間建立一條低阻抗連接通路的工藝措施。由于通信產品十分復雜，接地回路不可避免需要許多零件組成，這樣各零件之間的搭接性能顯得十分重要，良好的搭接可以保證電子設備自身以及電子設備與地系統之間良好的電連續性。

2.4.1 搭接設計基本原則

搭接設計的基本原則是保證電子設備結構件自身以及電子設備與地系統之間良好的電連續性，并提供足夠低的阻抗(從直流電阻到高頻阻抗)，實現電阻設備結構件的等電位連接。電子設備結構件的這種等電位連接對系統的安全性和電磁兼容性，甚至產品的正常工作均有十分重要的影響。

2.4.2 搭接設計要求

(1)保證搭接面具有良好的導電性。一般要求電子設備結構件連接表面和電纜連接端子應該是導電的或者經過導電處理。由于工藝條件的限制，在產品設計中，搭接面的表面處理措施往往已經根據其他方面的需求確定下列，因此一般不單獨對搭接面的導電性能提出具體的指標要求。

(2)保證搭接面的清潔干凈。為了保證搭接面的導電性能，搭接面必須清洗干凈，保證無灰塵、油膜、油漆、氧化層以及其他非導電材料。

(3)保證搭接面可靠接觸。一般只允許采用面接觸的形式實現搭接，原則上禁止通過螺紋、鉚釘等方式實現搭接。

(4)保證搭接面有足夠的緊固力。對于單點搭接，可以采用螺釘、焊接等緊固方式，原則上限制采用鉚接的形式。采用螺釘連接時，必須采用M 5或者更大的螺釘連接，螺釘的緊固力應符合設備的扭矩要求，另外，螺釘應有防松裝置，保證不會脫落。

對于多點搭接，一般對連接形式不做具體要求。

(5)足夠的接觸面積。對于單點搭接，要求搭接面直徑大于φ15mm。

(6)防止搭接點產生電化學腐蝕。

3 結束語

電子設備的電磁屏蔽設計是工程實踐中遇到的普遍問題，在設計過程中必須認真地分析各種干擾信號來源，采取各種有效措施，提高系統抗干擾能力。

[1]邱成悌.電子設備結構設計原理[M]，南京：東南大學出版社，2001

[2]于慶禎.電氣設備機械結構設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.1