電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計及復(fù)合材料屏蔽檢測的應(yīng)用

史廣偉，孫麗萍

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

0 引言

隨著電子設(shè)備功能的增加，我國電子行業(yè)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的重心頁轉(zhuǎn)到抗電磁干擾技術(shù)研究。屏蔽技術(shù)是針對電子機箱信息輻射外泄或外部輻射的電磁擾亂的最好辦法。使用屏蔽體阻礙或降低電磁能量傳送的方法是電磁屏蔽,是遏制輻射擾亂的好辦法,并且是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要構(gòu)成部分。屏蔽材料方面，本文選用實驗室制備的碳纖維木質(zhì)復(fù)合材料作為檢測樣本，該材料具有力學(xué)性能好，系能減震，自然環(huán)保等優(yōu)點，是屏蔽材料的一個重要發(fā)展方向[1]。

1 電磁屏蔽技術(shù)的主要措施

1）縫隙電磁屏蔽，裝入屏蔽材料于縫隙中完成電連接。

2）緊固點接入設(shè)計方式:降低縫隙的最大尺寸加大縫隙深度。提升零件韌性。

3）裝入屏蔽材料:在縫隙的構(gòu)成方式為活動縫隙或不可以用很多緊固點時，能于縫隙中裝入屏蔽材料。

在兩個金屬體中樹立一條低阻抗連接通路的工藝措施是搭接。確保電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件本身和電子設(shè)備與地系統(tǒng)中優(yōu)良的電連續(xù)性是其設(shè)計基本原理，并供應(yīng)足夠低的阻抗(從直流電阻到高頻阻抗)，完成電阻設(shè)備結(jié)構(gòu)件的等電位連接。其等電位接入對系統(tǒng)的安全性和電磁兼容性，或是產(chǎn)品普通工作都有很重的影響。

要求：需確保搭接面有優(yōu)良的導(dǎo)電性，清洗干凈，可靠接觸，足夠的緊固力和接觸范圍。

2 電磁設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中的電磁屏蔽方案的類別與選擇

2.1 電磁屏蔽方案的類別

為使產(chǎn)品完成電磁兼容，取自屏蔽措施的方式依照屏蔽級別的不同能分為：PCB板、元器件、模塊、插箱/子架、機柜等屏蔽。

2.2 選擇屏蔽方案

挑選屏蔽方案應(yīng)注意成本、技術(shù)難度和控制性等各部分的綜合要素,普遍參考如下原則：

1）依據(jù)據(jù)事實狀況,采用綜合方式, 完成綜合性能最優(yōu)的目標(biāo)在綜合選用不同級別的屏蔽方案中。

2）采取模塊屏蔽或插箱/子架屏蔽,謹(jǐn)慎使用機柜級屏蔽方案;針對進(jìn)出線纜很多的系統(tǒng)。

3）針對需求高的產(chǎn)品，可采取多級屏蔽方案，即模塊屏蔽加插箱/子架屏蔽，并可加機柜屏蔽。

3 電磁屏蔽原理和測試原理

3.1 電磁波的基本原理

電磁波的基本原理可以使用Schelunoff電磁波屏蔽理論表示成：SE=R+A+B (1)

式中：材料總屏蔽效能是SE，dB；材料表面單次反射衰減是R；材料吸收降低至A；材料內(nèi)部多次反射衰減為B (當(dāng)A＞15 dB時，可以忽略)[1,2]。

因屏蔽效能定義，在相同激勵電平下則是屏敝效能，有屏蔽材料與無屏蔽材料時所接入到的電壓或功率之比，并且用對數(shù)表示，所以有：

式中:屏蔽效能為SE，dB;無屏蔽材料時的接收電壓為V0;有屏蔽材料時的接收電壓為V1;無屏蔽材料時的接收功率為P0;有屏蔽材料時的接收功率為P1[3-5]。

有很多種方式來測量屏蔽效能(SE)，而每一種方法都各有好處和壞處。因其測試方式的選取需顧慮很多條件，比如：頻率范圍、測量誤差、動態(tài)范圍、樣本制備、試驗重復(fù)性、試驗時長和試驗成本等。30MHz～1.5GHz是本文所提的測試方式的頻率范疇。所測得的結(jié)果使用遠(yuǎn)場同軸傳輸線測量平面材料的方式得出SE是材料總屏蔽效能。

3.2 測試系統(tǒng)

測量屏蔽涂料的屏蔽效能能夠用法蘭同軸測試裝置按照遠(yuǎn)場同軸傳輸線測量平面材料的方式來測出。如圖1所示則是其測試系統(tǒng)配置原理圖。

圖1 測試系統(tǒng)配置原理圖

測試系統(tǒng)主要由ESCS 30接收機(符合GB 6113.1標(biāo)準(zhǔn)的要求)、法蘭同軸測試裝置(按ASTM D 4935-99標(biāo)準(zhǔn)的附錄A1制作)[6]、衰減器經(jīng)過50Ω射頻電纜連接,并經(jīng)計算機操控然后針對測試數(shù)據(jù)實行處理。

ESCS 30接收機的核心技術(shù)參數(shù)涵括：頻率范疇是9 kHz～2 750MHz、輸入電平是-38～137 dB、帶寬是200Hz/9 kHz/120 kHz/1MHz、檢波方式是峰值/準(zhǔn)峰值/平均值、跟蹤輸出電平是-130～13 dBm。

法蘭同軸測試裝置的核心技術(shù)參數(shù)涵括：頻率范疇是5 kHz～1. 5 GHz、特性阻抗是50Ω、電壓駐波比＜1.2、傳輸損耗＜1 dB、測量動態(tài)范圍＞100 dB、帶N型連接器。

10 dB固定衰減器的主要技術(shù)參數(shù)包括頻率范圍為30MHz～1.5GHz、特性阻抗為50Ω、駐波比＜1.2。

3.3 參考試樣和負(fù)載試樣的制備

本測試過程的試樣基板采用厚度為9mm的碳纖維木質(zhì)復(fù)合板。參考試樣和負(fù)載試樣如圖2所示,試樣的尺寸是配法蘭同軸測試裝置的。參考試樣和負(fù)載試樣是通過碳纖維與木纖維混合施加脲醛膠與異氰酸酯膠熱壓復(fù)合而成的，具有一定的屏蔽效能。

圖2 參考試樣和負(fù)載試樣圖

3.4 測試程序

3.4.1 試驗設(shè)備的準(zhǔn)備

完成法蘭同軸測試裝置制造后，為了保證50Ω特性阻抗，需要通過有資質(zhì)的計量檢測機構(gòu)校準(zhǔn)。

在正式的實驗之前，需按照圖1的配置把測量系統(tǒng)連接好。

由2個圓錐形法蘭構(gòu)成的法蘭同軸測試裝置。使試樣(涵括參考、負(fù)載試樣)放置兩圓錐形法蘭中間，這2個圓錐形法蘭必需用絕緣螺釘(尼龍螺釘)銜接。

3.4.2 試樣的預(yù)處理

在測試前置于(23±2)℃，(50±5)%環(huán)境中維持48h后，拿出試樣并且馬上實行測試[3,6]。并且需注意參考試樣和負(fù)載試樣都要實行預(yù)處理。

3.4.3 安裝

使導(dǎo)電面面朝信號源端當(dāng)夾入試樣于法蘭同軸測試裝置中央的時候，并且緊夾試樣，使試樣與法蘭同軸測試裝置的法蘭緊密銜接，從而防止因為接觸不良而引發(fā)測量誤差。

試樣的裝入對與錯聯(lián)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。安裝試樣時應(yīng)當(dāng)先擰對角線的2個螺釘；然后再擰另外2個螺釘，最后擰緊4個尼龍螺釘。

系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)于優(yōu)質(zhì)射頻屏蔽電纜銜接，比如雙屏蔽電纜等，以至于背景噪聲能夠減少。

3.4.4 系統(tǒng)的動態(tài)范圍校驗

應(yīng)當(dāng)提前估算試樣的屏蔽效能，在對試樣進(jìn)行測試之前。能夠經(jīng)過對比測量參考試樣得出系統(tǒng)的動態(tài)范圍的最大信號電平，和對比測量金屬負(fù)載試樣得出的最小信號電平來檢查。因為端口的連接器或者線纜引起的泄漏，信號會不經(jīng)過試樣而經(jīng)過一條并聯(lián)的信號通路，由此能降低系統(tǒng)的動態(tài)范疇。因為同軸連接器引起的泄漏不但取決于連接器的質(zhì)量而且還與連接器運用中的緊固力矩相關(guān)，所以，要對連接器進(jìn)行再一次檢驗。

3.4.5 測量

可對試樣實行測量在以上程序?qū)崿F(xiàn)后。圖3列出了屏蔽材料的測量圖像。屏蔽涂料在某一頻率對照的屏蔽效能的dB數(shù)從圖3中能夠看出。表1是屏蔽材料對采樣頻率的電磁波衰減測試值[4～6]。

圖3 屏蔽效能曲線圖

表1 電磁波衰減值測試結(jié)果

4 結(jié)論

工程實踐中所遇的普遍問題也是電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計，必需仔細(xì)地解析種種干擾信號根源于設(shè)計過程之中，采用種種高效方式，提升系統(tǒng)抗干擾能力。屏蔽則為減少設(shè)備電磁輻射干擾主要的方式,但也需要留意濾波和接地的等非結(jié)構(gòu)方面的重要性在屏蔽時候。依照遠(yuǎn)場同軸傳輸線測量平面材料的方式使用法蘭同軸測試裝置, 使屏蔽涂料的屏蔽效能能夠簡便地測量,因而可以正確評價屏蔽涂料的屏蔽效果。并且此方式還有測試簡便、試驗重復(fù)性好、測試時間短、試驗成本低的優(yōu)點。

[1] 孫麗萍,張澎濤.碳纖維復(fù)合材料的電磁屏蔽特性[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2005(3):46-47.

[2] 何益艷,杜仕國,施冬梅.銅系電磁屏蔽涂料的研究[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2002(5):1-2.

[3] 王慶,蔣全興,張林昌,等.SJ 20524-1995材料屏蔽效能的測量方法[S].CSIC-SJ,1995.

[4] 胡玉生.遠(yuǎn)場區(qū)同軸傳輸線測試法的原理與進(jìn)展[J].安全與電磁兼容,2006(2):43-45.

[5] 劉浩,朱躍生,鐘小艷.金屬絲網(wǎng)屏蔽效能測量方法[J].電子質(zhì)量,2007(7):15-17.

[6] ASTM.ASTM D 4935-99 standard testmethod formeasuring the electromagnetic shielding effectiveness of planar materials [S].1999.