電子設備的屏蔽對電磁兼容的影響

鐘怡文

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

隨著鐵路現代化建設的迅猛發展，室內信號設備除了既有線已有的系統外，計算機系統及網絡設備數量及種類不斷增加。運行中的電子、電器設備大多伴隨著電磁能量的轉換，高密度寬頻譜的電磁信號充滿整個空間，構成了極其復雜的電磁環境，從而形成了電磁干擾。這些都對設備的電氣適用性、電磁兼容性、接地、環境安全等級等提出了更高的要求。電磁干擾對設備的正常運行及人類自身健康安全都構成了嚴重威脅。因此在復雜的電磁環境中，如何減少相互間的電磁干擾，使各種設備安全正常運行，是一個急待解決的問題。

經驗證明,如果在系統開發階段解決設備電磁兼容問題的費用為1個單位，那么等到系統設計定型后再解決其問題，費用將增加10倍，而到設備批量生產后再解決時，費用將增加100倍，到用戶發現問題后才解決時，費用可能高達1 000倍。而在系統開發階段同時考慮設備電磁兼容性設計，就可望把80％～90％的電磁兼容性問題解決在產品定型之前。而屏蔽技術在設備結構設計中的應用是抑制電磁干擾行之有效的重要方法。

2 電磁兼容

2.1 電磁兼容定義

設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態；包括以下2個方面。

1）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現正常的工作性能且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級。

2）設備、分系統、系統在預定的電磁環境中正常地工作且不會給環境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾。

電磁兼容的研究內容就是找出干擾源,削弱電磁干擾。

2.2 電磁兼容設計的目的

1）電子設備內部的電路相互不產生干擾,達到預期功能。

2）電子設備產生的電磁干擾強度低于特定的極限值。

3）電子設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力。

3 電磁干擾及其抑制方法

系統要發生電磁兼容性問題——電磁干擾,必須具備3個因素，即電磁干擾源、耦合途徑和敏感設備。所以，在解決電磁干擾問題時，要從這3個因素入手，對癥下藥，消除其中某一個因素，就能解決電磁兼容問題。對新研制的電子產品，應該從設計開始階段就考慮電磁兼容問題，進行電磁兼容設計。常用的有效方法有接地技術、屏蔽技術、濾波技術。

4 屏蔽技術的應用

4.1 原理

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的作用，也就是切斷電磁波的耦合途徑。它采用低電阻的導體材料，并利用電磁波在屏蔽導體表面產生反射以及在導體內部產生吸收和多次反射而起到屏蔽作用，其目的是為了有效地阻止電磁波從一例空間向另一例空間傳播。

4.2 影響屏蔽效果的幾個因素及其解決措施

4.2.1 材料

當電磁波通過金屬板時，由于金屬板產生感應渦流形成歐姆損耗，并轉變為熱能損耗，與此同時，渦流反磁場抵消入射波干擾場產生吸收損耗。金屬的導電、導磁能力越強，金屬吸收電磁波能力越強；電磁波的頻率越高，越易被金屬吸收。

因此，在選擇屏蔽材料時，綜合其他因素應遵循以下原則。

1）當干擾電磁場的頻率較高時,利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽效果。

2）當干擾電磁場的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。

4.2.2 縫隙、孔洞

屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于構成屏蔽體的材料，而且取決于屏蔽體的結構。上面討論的是完整連續屏蔽體。但現實中一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何價值的。機箱或殼體上常開有很多顯示窗、通風口、不同部分結合的縫隙等。由于這些導致電不連續的因素存在，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。因此對屏蔽體縫隙、孔洞的研究也是十分必要的。

1）對于有孔縫的機箱,應將孔縫盡量布置于遠離激勵源的地方。

2）增加接縫處的重疊尺寸。

3）縮短螺釘的間距。在結合面上不加導電彈性襯墊時，應盡可能增加螺釘數量，減小螺釘間距，使縫隙長度響應減小，使屏蔽效能提高。

4）開孔設計。

當開孔面積相同時，應盡量少開大孔以及細長孔。對于可集中、又可分開開孔的機箱，應分別開孔，以減少泄漏量。

5）加接金屬導管。

一般來說,對大的孔洞，在實際設計中常采用金屬通風道，當頻率高于100 MHz時，可采用波導管作為通風道。由于金屬管相當于一個高通濾波器，使低于金屬管截止效率的電磁場經過管內傳遞有很大的衰減，所以就減小了孔洞引起的泄漏。

在屏蔽設計中，還要注意不能有導體直接穿過屏蔽體，屏蔽效能再高的屏蔽體，一旦有導線直接穿過屏蔽機箱，其屏蔽效能就會損失99.9％（60 dB）以上。

屏蔽只是減少電子設備電磁干擾的一種方法，它通常與濾波、接地、搭接等措施一起應用，從根本上解決電子設備的電磁兼容問題。

4.3 結構設計中應用屏蔽技術采取的措施

4.3.1 標準系列機柜結構設計

對電磁屏蔽的考慮主要是通過優化的結構形式使機柜框架與門、側板等內部構件導通，形成一個密閉的導通環，來達到電磁屏蔽的目的。標準系列機柜采用的鋁型材表面進行了鉻酸導電鈍化處理，保證了整體框架拼裝后電氣導通，機柜采用的鍍鋅彩鋼板柜門、側板與電磁屏蔽膠條連接處不做表面處理，保證了電磁屏蔽膠條與柜門、側板電氣導通的可靠性，對有通風要求的，可在柜門、側板上沖孔徑符合電磁屏蔽要求的網孔；另外，在機柜頂部或底部進出線處采用導電海綿作為密閉填充料，可使進出線的屏蔽層通過導電海綿與機柜良好接觸，確保設備整體導通，從而使整個機柜達到電磁兼容性能等級。

4.3.2 其他屏蔽物的結構設計

1）合理設計屏蔽體形狀。

盒形屏蔽體比板狀要好，全封閉的優于開有窗口和縫隙的。為獲得高屏蔽效能，要盡量縮小開孔面積和減少開孔數量。

2）減小盒體與盒蓋的接觸電阻，可采取以下結構措施。

①在盒體盒蓋之間安裝梳形彈片。

②使用盡量多的螺釘，增加接觸點數和壓力。

③使用電磁密封襯墊（表面導電的彈性物質），消除縫隙上的不接觸點。

3）雙層屏蔽蓋結構可以進一步提高屏蔽的效能。

4）有隔板的屏蔽盒體內采用分開的屏蔽蓋，以減小其間的寄生耦合。如圖1所示。

圖1（a）為在有一個隔板的屏蔽盒內采用一個屏蔽蓋。圖1（b）為分開的兩個屏蔽蓋，顯然分開的屏蔽蓋結構的屏蔽效果優于一個屏蔽蓋的結構。

5）合理選擇屏蔽體材料

屏蔽體的材料應選用良導體，如銅、鋁等。阻抗越小，其屏蔽性能越好。

電屏蔽體的厚度，一般取決于結構需要。

6）高頻電磁干擾作用下，電磁屏蔽殼體應采用高導電率材料，一般用鋁或銅制作。

7）金屬殼體材料厚度只要能滿足結構強度和加工工藝要求，大都能滿足屏蔽要求。

8）金屬殼體盡量封閉：為提高屏蔽效能，要求屏蔽體在電氣上盡量連續，因此應盡量減小孔和縫，對必不可少的孔、縫，應采取防護措施。

①縫隙泄漏：影響屏蔽完整性的主要原因是屏蔽體上的接縫。要提高屏蔽性能，就要求每一條接縫應該是電磁密封的。

為了提高縫隙的屏蔽效能，通常采用下列措施。

a.增加縫隙深度。

b.安裝導電襯墊。

c.涂導電涂料。

d.縮短螺釘間距：在不加導電襯墊時，螺釘間距一般應小于最高頻率的1％波長，至少不大于1/20波長。

e.安裝梳形簧片。

f.使用屏蔽膠帶。

②通風孔洞的屏蔽。

a.孔洞面積盡量要小。

b.孔洞形狀對屏蔽效能的影響：在孔的面積相等時，正方形孔比圓孔泄漏大，長方形孔比正方形孔泄漏大。盡量使孔洞的尺寸遠遠小于工作波段的最小波長。

c.覆蓋金屬絲網：金屬網的網孔越小，金屬絲導電性越好，其屏蔽效果越好。

d.為保險絲、插孔等加蓋金屬帽。

③顯示窗屏蔽設計。

a.盡可能在指示器、顯示器后面加屏蔽，并對所有引線用穿心電容器濾波。

b.在不能從后面屏蔽指示器/顯示器和對引線濾波時，要用于機殼連續連接的金屬網或導電玻璃屏蔽指示器/顯示器的前面。對夾金屬絲的屏蔽玻璃，在保持合理的透光度條件下，對30～1 000 MHz的屏蔽效能可達50～110 dB。在透明塑料或玻璃上鍍上透明導電膜，其屏蔽效果一般不大于20 dB。但后者可消除觀察窗上的靜電積累。

9）屏蔽體本身并不要求接地，但為了消除靜電效應，通常都將電磁屏蔽體良好接地，此時既起電磁屏蔽作用，又起靜電屏蔽作用。

5 結束語

以上分析了影響電磁屏蔽效果的一些因素及相應的解決方法，如果能在屏蔽的生產、使用、維護中充分地應用這些措施，電磁的屏蔽效能一定會有較大的改進。但是也要認識到電磁兼容性控制是一項系統工程，應該在系統設計、研制、生產、使用與維護的各個階段充分地考慮和實施才可能有效。隨著電子設備工作速度越來越高，電磁干擾及抑制問題日益突出。在不久的將來，EMC科學將會形成高度綜合、完整的一大學科。同時，EMC的預測、協調、監控和應用等會得到飛速發展。

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