抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究

王 威，徐抒巖，楊 絮

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2. 中國科學院 研究生院，北京 130039；3. 長春理工大學 電信學院，長春 130022）

抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究

王 威1,2，徐抒巖1，楊 絮3

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2. 中國科學院 研究生院，北京 130039；3. 長春理工大學 電信學院，長春 130022）

本文詳細分析設(shè)備中存在的電磁干擾，首先采用盒狀設(shè)計方法，要求箱體表面縫隙的直線尺寸要小于干擾電磁波波長的1/4，箱體的通風孔設(shè)計成波導管的形狀，對欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減。然后，通過軟件仿真得到箱體屏蔽效能曲線和數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后，對設(shè)備進行EMI輻射測量，實測數(shù)據(jù)未超過GJB151A-97 RE102限值，驗證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計達到了設(shè)計要求。

電磁干擾；屏蔽技術(shù)；仿真；測量

0 引言

箱體屏蔽是抑制電磁干擾（EMI）的重要手段，主要針對輻射的電磁干擾進行抑制。對于裝在箱體內(nèi)的電子學系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)運行過程中需要通風散熱，要顯示電壓電流值、顯示運行狀態(tài)，那么通風孔、安裝表計及外部連接器需要在鋼板上開孔，箱體上留下縫隙，就會破壞完整的密封屏蔽，由此引起的屏蔽性能的下降。通過設(shè)備箱體的屏蔽設(shè)計，提高設(shè)備的屏蔽性能，要求設(shè)備箱體抑制EMI能力達到GJB151A-97 RE102標準限值。

1 屏蔽技術(shù)分析

屏蔽是以某種導電材料或?qū)Т挪牧现瞥傻钠帘误w將敏感器件或區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，達到阻斷或減少電磁能傳播的一種技術(shù)，是抑制電磁干擾的措施之一。屏蔽抑制的是以場的形式沿空間傳播的干擾，它是一種雙向抑制的技術(shù)，既可以限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏，又可以防止外部輻射干擾進入。

電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為：

1）電場屏蔽，包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽；

2）磁場屏蔽，磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽；

3）電磁場屏蔽，既是前兩種的總和。

1.1 電磁干擾的屏蔽效能

屏蔽效能是用來描述屏蔽體的好壞的指標。它表現(xiàn)了屏蔽體對電磁波的衰減程度。由于屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的1/100至1/10000，因此通常用分貝來表述[1]。

設(shè)備箱體的屏蔽效能計算示意圖如圖1所示。

1）設(shè)備箱體的屏蔽材料吸收部分電磁波，形成吸收損耗；

2）電磁波在設(shè)備箱體內(nèi)發(fā)生反射，減小了電磁波的強度。反射后衰減的電磁波稱為反射損耗。

根據(jù)SE＝R＋A＋B

其中，SE為屏蔽效能，A為吸收損耗，R為反射損耗，B為多次反射損耗。

上式中

出于分析的角度，利用式（1）來計算位吸收損耗：

式中f為頻率（Hz），mr為屏蔽體材料相對于銅的相對磁導率、sr為屏蔽體材料相對于銅的相對電導率， m0＝4p×10－7H/m為常數(shù)，s0＝5.82×10－7/ W ·m為常數(shù)，l為壁厚（cm）。

1.2 箱體屏蔽材料的特性及其結(jié)構(gòu)選擇

圖1 屏蔽效能計算示意圖

由磁屏蔽理論可知，磁屏蔽是利用由高導磁材料制成的磁屏蔽體來構(gòu)成的，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽體上來分流，達到屏蔽的目的。磁導率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據(jù)。

通常磁性材料分為：

1）弱磁性材料，包括順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)，其特點是相對磁導率產(chǎn)mr＝1，B與H是線性關(guān)系，mr在任意頻率的環(huán)境中，始終保持常數(shù)；

2）強磁性材料：鐵磁性物質(zhì)，其特點是B與H為非線性關(guān)系，頻率增高，磁導率mr降低。

屏蔽效能除了與屏蔽材料直接相關(guān)外，與屏蔽體結(jié)構(gòu)也相關(guān)。

電屏蔽結(jié)構(gòu)，影響電屏蔽的一個重要的因素就是分布電容C，減小C就能提高屏蔽效能。因此一般情況下，電屏蔽體的形狀最好設(shè)計成盒形，盒形結(jié)構(gòu)通常包括單層蓋結(jié)構(gòu)盒雙層蓋結(jié)構(gòu)，根據(jù)要求屏蔽的程度不同來選擇。

磁屏蔽結(jié)構(gòu)，磁屏蔽是利用屏蔽體對磁通進行分流，因而大多采用盒狀、筒狀或柱狀的結(jié)構(gòu)。由于磁阻與磁路的橫截面積 和磁導率成反比，因而磁屏蔽體的體積和重量都比較大。若要求較高的屏效時，一般采用雙層屏蔽，此時在體積重量增加不多的情況下，能顯著提高屏蔽效能。

電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、反射來達到減弱干擾能量作用的。因此，電磁屏蔽可采用板狀、盒狀、筒狀、柱狀的屏蔽體。

1.3 不完整屏蔽對屏蔽效果的影響

1.3.1 縫隙影響

如圖2所示，設(shè)在金屬屏蔽體中有一無限長的縫隙，其間隙距離為g，屏蔽板的厚度為t，入射電磁波的磁場強度為H0，泄漏到屏蔽體中的磁場強度為Hp，當趨膚深度d＞0.3g 時，可以得到Hp＝H0-ptg。由上式分析可以知道，當縫隙較窄較深時(亦即t較大，g較小)，磁場泄漏就小，反之就大。磁場通過這個縫隙的衰減為

公式（2）只是對實際情況的簡化和抽象，縫隙所帶來的泄漏比較復雜，它與縫隙的寬度、板材的厚度，縫隙的數(shù)目以及波長等都有密切關(guān)系。干擾的頻率越高，縫隙的泄漏越嚴重，特別是當縫隙的直線尺寸接近波長時，會產(chǎn)生天線效應，嚴重地破壞屏蔽體的屏蔽效果。

圖2 無限長縫隙示意圖

1.3.2 通孔影響

由于通風及其安裝固定各種附件的需要，可能會在在屏蔽結(jié)構(gòu)上開有圓形或矩形的孔洞，電磁波會通過這些孔洞產(chǎn)生泄漏。

設(shè)屏蔽板上有若干個孔洞，包括圓孔和方孔，孔的面積為S，屏蔽板面積為A，當A遠大于S的時候，亦即圓孔的直徑或方孔的邊長比波長小很多時，通過孔洞泄漏的磁場強度Hp為

若屏蔽板上有n個孔，則總的泄漏磁場強度為

結(jié)合上述幾個公式可得泄漏磁場強度。

在實際情況下，金屬屏蔽板后側(cè)電磁波總的透射系數(shù) 應為金屬屏蔽板本身的透射系數(shù)TS與孔洞電磁波的透射系數(shù)之和，即

其中

因此總的屏蔽效能為

2 屏蔽體通風孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使屏蔽體在開了若干通風孔以后，不但能保證良好的通風散熱，而且能保證屏蔽效能不下降，其基本出發(fā)點在于，將每個通風孔設(shè)計成對欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減波導管的形狀[2]，如圖3所示。

圖3 波導管形式的通風孔截面圖

2.1 箱體通風窗的實壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

通用通風窗結(jié)構(gòu)是直接在屏蔽體壁上開孔，如圖4所示。每個通風孔直徑為d，相鄰通風孔間矩為d，相鄰通風孔間矩為c，通風孔形成的通風窗口(孔陳列)的邊長為l，屏蔽壁厚為t，則該窗口對磁場的總屏蔽效能為

圖4 實壁開孔通風示意圖

2.2 箱體通風窗的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備箱體的實壁開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于電磁屏蔽存在兩個問題：

1）實壁開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足形成衰減器的條件，要求t大于d，即要求箱體的壁厚大于開孔的孔徑。要求孔徑小于l/4；

2）如果在設(shè)備箱體上直接開通風孔，那么灰塵會通過通風孔進入箱體內(nèi)，污染電子學系統(tǒng)，甚至可能導致短路現(xiàn)象的發(fā)生。蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計的通風窗可以避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

綜合上述兩種原因，本設(shè)備箱體選擇蜂窩結(jié)構(gòu)的通風窗設(shè)計，達到良好的屏蔽效果。

2.3 箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

針為避免設(shè)備箱體內(nèi)的電子學系統(tǒng)的元器件工作時溫度高，必須在箱體采用蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計的通風窗，為元器件進行通風散熱。根據(jù)電子學系統(tǒng)的干擾電磁波波長，在箱壁處開圓孔直徑為5mm，那么對波長小于20mm的電磁波起到完全屏蔽。為了進一步加強屏蔽效果，在箱體內(nèi)壁加一層孔徑為0.5mm的金屬網(wǎng)，同時又能達到散熱的目的。把邊界設(shè)置為輻射邊界時，加固箱體距輻射邊界的距離為求解頻率波長的1/4。如圖5所示。仿真求解頻段為0.1 GHz～1GHz；求解步長為0.02GHz；求解迭代步數(shù)為50次；求解精度為0.02。采用離散掃描。首先提取通風板正前方8mm處的泄漏電場的場強值E1；去掉屏蔽殼體后再提取相應點的電場場強值E2；對比兩次場強結(jié)果，得到箱體的屏蔽效能

圖5 加固箱體的邊界設(shè)置示意圖

圖6為仿真得到的屏蔽效能曲線。表1為屏蔽效能具體實驗數(shù)據(jù)。

圖6 加固箱體屏蔽效能仿真結(jié)果曲線

表1 加固箱體屏蔽效能仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

3 EMI測量結(jié)果

3.1 測試框圖

測量來自設(shè)備及其有關(guān)電線、電纜的電場輻射發(fā)射，EMI測試框圖如圖7所示。

圖7 EMI測試框圖

3.2 測試過程描述

試樣件放在屏蔽室內(nèi)的測試圓臺上（圓臺上覆有接地銅皮），在距試樣1m處，分別架設(shè)有源棒狀天線（10kHz～30MHz）、雙錐天線（30MHz～200MHz）、對數(shù)周期天線（200MHz～1GHz）和雙脊喇叭天線（1GHz～18GHz）， 在30MHz～18GHz測試頻段，進行天線的水平極化和垂直極化方式測試。用ESI40接收機監(jiān)測試樣及有關(guān)電纜的電場輻射發(fā)射[3]。

3.3 測試曲線

本實驗是在中國科學院光電研究院EMC實驗室進行，圖8是天線垂直極化狀態(tài)下的電場輻射發(fā)射曲線（10kHz～1GHz），圖9是天線水平極化狀態(tài)下的電場輻射發(fā)射曲線（10kHz～1GHz），圖10是天線水平極化狀態(tài)下的電場輻射發(fā)射曲線（1GHz～18GHz）。

圖8 10kHz～1GHz電場輻射發(fā)射測試曲線（天線垂直極化）

圖9 10kHz～1GHz電場輻射發(fā)射測試曲線（天線水平極化）

3.4 測試結(jié)果

受試件10kHz～18GHz電場輻射發(fā)射測試，未超過GJB151A-97 RE102限值，該項測試通過。

4 結(jié)論

圖10 1GHz～18GHz電場輻射發(fā)射測試曲線（天線水平極化）

本文詳細分析設(shè)備的電磁干擾源、結(jié)構(gòu)的縫隙和通孔的影響，選擇合適的屏蔽材料，建立設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)模型，仿真實驗得到了設(shè)備較好的屏蔽效能曲線和實驗數(shù)據(jù)；并按GJB151A-97要求，對設(shè)備進行EMI輻射測量，實測數(shù)據(jù)未超過GJB151A-97 RE102限值，驗證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計達到了設(shè)計要求。

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Research on the shielding technology for EMI suppression

WANG Wei1,2, XU Shu-yan1, YANG Xu3

TN492

B

1009-0134(2011)5(下)-0071-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).21

2010-11-29

國家自然科學基金資助項目（60507003）

王威（1978－），男，河南駐馬店人，副研究員，研究生，主要從事電源和EMC設(shè)計工作。