電子設備的電磁屏蔽設計及復合材料屏蔽檢測的應用

史廣偉，孫麗萍

（東北林業(yè)大學，哈爾濱 150040）

0 引言

隨著電子設備功能的增加，我國電子行業(yè)電子設備結(jié)構(gòu)設計的重心頁轉(zhuǎn)到抗電磁干擾技術研究。屏蔽技術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,并且是電子設備結(jié)構(gòu)設計的主要構(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)復合材料作為檢測樣本，該材料具有力學性能好，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。確保電子設備結(jié)構(gòu)件本身和電子設備與地系統(tǒng)中優(yōu)良的電連續(xù)性是其設計基本原理，并供應足夠低的阻抗(從直流電阻到高頻阻抗)，完成電阻設備結(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 電磁設備結(jié)構(gòu)設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

挑選屏蔽方案應注意成本、技術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,謹慎使用機柜級屏蔽方案;針對進出線纜很多的系統(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標準的要求)、法蘭同軸測試裝置(按ASTM D 4935-99標準的附錄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)復合板。參考試樣和負載試樣如圖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合而成的，具有一定的屏蔽效能。

圖2 參考試樣和負載試樣圖

3.4 測試程序

3.4.1 試驗設備的準備

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。

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載試樣都要實行預處理。

3.4.3 安裝

使導電面面朝信號源端當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)果的準確度。安裝試樣時應當先擰對角線的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)應當于優(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

應當提前估算試樣的屏蔽效能，在對試樣進行測試之前。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，所以，要對連接器進行再一次檢驗。

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備的電磁屏蔽設計，必需仔細地解析種種干擾信號根源于設計過程之中，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.碳纖維復合材料的電磁屏蔽特性[J].林業(yè)機械與木工設備,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.遠場區(qū)同軸傳輸線測試法的原理與進展[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.