一種ATR機箱的電磁屏蔽設計

燕云平,劉伯華

0 引言

隨著電子設備及系統的廣泛應用和電子技術的不斷發展,電磁環境變得越來越復雜,電磁干擾也變得越來越嚴重,這就對系統和設備提出了更嚴格更詳細的要求,也使得電子設備電磁兼容性能的研究成為現代及未來電子設備設計與研制過程中急需解決的問題。加固機箱作為一種電子設備,對電磁屏蔽性能有很高的要求。通過電磁屏蔽理論的分析和研究,探討如何在結構工藝上保證機箱的電磁屏蔽性和抑制電磁干擾的有效措施。

1 電磁屏蔽的原理

一個屏蔽體具有3種衰減作用:①因為空氣與金屬交界阻抗的不相同而使得入射能量被屏蔽體表面所反射,稱反射損耗R;②當入射能量通過屏蔽體時被吸收衰減,稱吸收損耗A;③當入射能量通過屏蔽體內部,到達屏蔽體另一面,由金屬與空氣交界阻抗不同引起的反射衰減,稱多重反射損耗B。所以屏蔽的計算公式為:

其中發射損耗與電磁波的波阻抗和屏蔽體的特征阻抗有關,而吸收損耗中趨膚深度則是一個關鍵因素。反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產生源的性質以及與波源的距離和屏蔽體的阻抗為:

而|Zs|=3.68*(f*μ/ó)1/2/10000000,遠場則為 :

吸收損耗則與屏蔽體的磁導率、電導率及電磁波的頻率有關。

校正因子僅適用于近磁場環境并且吸收損耗小于10 dB的情況。另外有一點必須說明,由于屏蔽體吸收效率不高,其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子可能是個負數,表示屏蔽效率的下降情況。式中,A為吸收損耗(dB);R為反射損耗;B為校正因子;f為電磁波頻率(MHz);i為相對導磁率,ó為相對導電率;t為屏蔽罩厚度;D為波源與屏蔽之間的距離;Zs為屏蔽體阻抗。

2 電磁屏蔽設計

電磁屏蔽總體設就是除了考慮機箱自身的電磁屏蔽能力外,還應對機箱整體的電磁屏蔽環境有一個比較全面的認識。從機箱整體設計出發,在產品設計階段對機箱的各個組成部分進行合理有效的電磁屏蔽設計。其設計主要遵循以下3個原則:①盡可能抑制干擾源,直接將干擾源隔離在機箱及設備之外;②消除干擾源與分系統及設備之間的干擾耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳遞途徑;③隔離敏感部件,加強模塊本身抵抗電磁干擾的能力,以達到降低整體電磁環境惡化的風險。它包括以下幾個方面的內容:①布局設計。包括機箱結構布局設計等;②屏蔽設計。包括模塊屏蔽設計、機箱屏蔽設計。

2.1 加固機箱的布局

加固機箱采用全密封的鋁合金結構。鋁合金是具有較高導電、導磁特性的材料,是一種較高性能的屏蔽材料,通過將機箱內部設備與機箱外殼的良好接觸,達到了靜電屏蔽的目的。機箱上留有的縫隙、指示燈以及電源接口、信號的輸入與輸出口等各種各樣的引出孔,會造成電磁泄漏,使機箱屏蔽效能降低。機箱主要由框架、前后面板、蓋板等組成,前面板上布置有開關,插座、接地柱等。除焊接連接外,所有可拆連接的接觸面均應導電導磁接觸。內部主要有功放模塊、數據處理模塊、主控模塊、電源模塊、轉接模塊、接口模塊以及收發模塊等組成,按頻率高低布置各印制板模塊。各模塊間主要通過轉接模塊進行連接。每塊印制板模塊都采用單獨的屏蔽盒對其進行分別電磁屏蔽,屏蔽盒與屏蔽板之間保持良好的電接觸。

2.2 電磁屏蔽

電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁場在空間傳播的一種措施。反之,用電磁屏蔽體可使敏感器件免受外界空間電磁場影響。結構的電磁屏蔽設計,主要是通過材料的選用、結構形式的確定和對屏蔽體孔縫泄漏的抑制,來降低和防止電磁干擾。電磁屏蔽設計時,必須考慮以下幾點:

①合理確定和分配屏蔽效能指標;

②對電磁干擾源和受感器進行合理布局;

③明確設備內信號線的類別,然后將同類信號線集中進行走向分線布局設計,必須避免不同類信號的走線集中在一起或緊靠著進行走向分線;

④合理選擇屏蔽類型、屏蔽層厚度、屏蔽層的層數;

⑤適當增加結合縫隙深度和減小結合縫隙長度(應小于1/100λ);

⑥對于頻率大于50 MHz的電路,應在機箱或盒體接合面處加入導電屏蔽襯墊,并合理減小螺釘間距,在螺釘以及可能發生相對位移處涂上導電膠(非游離態);

⑦根據屏蔽體的功能(機箱或設備內部的屏蔽)、容許的屏蔽空間,確定屏蔽體的尺寸、形狀和結構形式、形位公差;

⑧對于頻率大于10 MHz的電路,應合理劃分功能模塊單元,對功能模塊應采取分蓋結構或多層蓋結構,模塊之間的電氣連接應采用饋通型濾波器。屏蔽體必須良好接地。一般情況下,接地電阻應小于2mΩ,在局部要求嚴格的場合下,接觸電阻應小于0.5mΩ。當屏蔽體通過導線與地相接時,導線的截面和截面周界都應適當增大,用以減少直流電阻和交流電阻;同時要盡量縮短導線的長度,以減小導線的感抗。導線兩端最好用焊接;如果使用螺釘連接時,最好能采用內齒彈性墊圈或外齒彈性墊圈,以減小接觸電阻。為了使接地穩定可靠,接地點應防止受腐蝕。

2.3 屏蔽方法

電磁兼容設計是加固機箱設計的重要組成部分,在設計初期應考慮到電磁兼容問題,以避免在隨后的設計、制造、使用過程中走彎路。電磁屏蔽的關鍵是保證屏蔽體的導電連續性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導體,這一點在實現起來十分困難,因為一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何實用價值的。一個實用的機箱上會有很多孔縫:通風口、顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分結合的縫隙等。屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機箱的其它性能(美觀、可維性、可靠性)。

2.3.1 印制板的屏蔽

由于各模塊既是干擾源又是敏感體,因此將其用單獨的屏蔽盒進行屏蔽。為了防止模塊內部多級級聯電路的級間耦合,對內部各級也必須進行屏蔽隔離處理,各級之間用隔板隔開。在結構上將屏蔽盒設計成迷宮多腔結構,將不同級別的元器件獨立分腔布局,同時各腔、各級之間采用共蓋結構,如圖1所示。

圖1 印制板共蓋結構模塊

屏蔽盒和屏蔽蓋之間的接觸面要平整,盡可能多地布置緊固螺釘,使盒與蓋保持良好的電接觸,消除縫隙寄生天線的影響,提高屏蔽效能。這些措施不僅有效地抑制了印制板模塊對外電磁輻射而且也提高了其抗干擾能力。

2.3.2 機箱縫隙的屏蔽

縫隙的電磁屏蔽可以大致分為兩種:緊固點(包括螺釘、鉚釘、點焊和鎖口等)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,可以采取在縫隙中安裝屏蔽材料的方式.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。加固機箱體是通過同種材料釬焊焊接并經過熱處理的框架結構如圖2所示。

圖2 框架結構的加固機箱

機箱與上、下蓋板,前、后面板的接縫均為狹長縫,該狹縫形成寄生天線,是電磁泄漏的主要通道,因此在箱體與蓋板、面板的各個界面上均設計有密封溝槽。在此固定導電橡膠條并限制其過度壓縮,蓋板與箱體之間不僅通過導電橡膠條完全接觸,而且還有金屬之間的直接接觸,因此具有最好的導電效果和屏蔽功能。

2.3.3 孔、洞的屏蔽

加固機箱上常裝有各種開關、電連接器、保險絲、接地柱,因此在面板上就要加工出與之對應的安裝孔為了增加機箱的散熱效果,機箱上需開有板孔、抽氣扇進風孔和排氣扇排風孔等。開孔的形狀和周長都必須符合要求。機箱內部的電磁波會在機箱表面形成感應電流,當電流通過孔時,會以輻射的方式發射能量,此輻射能量的大小與孔的形狀和周長有關。相同面積的孔中,圓形孔的周長最小。

由于插座、指示燈、操作按鈕、接地柱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最好將插座、指示燈、操作按鈕、接地柱等設置在屏蔽體外;

②建議選用屏蔽的元器件,例如帶屏蔽的插座、指示燈、按鈕、接地柱等;

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。

3 仿真與結果分析

圖3(a)是機箱未采取屏蔽措施時,設備做電磁兼容試驗RE 102的結果?？梢钥闯?設備的輻射電平值超過了規定值。圖3(b)是機箱采取屏蔽措施后,設備做電磁兼容試驗 RE 102的結果。可以看出,設備的輻射電平值低于規定值,滿足使用要求。

圖3 機箱仿真曲線圖

經過仿真分析:縫隙、孔洞是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因。細縫隙的作用就象有效的縫隙天線一樣,能接收和傳輸電磁信號,在所有頻率(1/4波長小于縫隙長度)上,有潛在的危險性。對加固機箱接縫和孔洞采取以上屏蔽措施后,測控系統電磁輻射干擾得到了有效的抑制,徹底解決了系統存在的問題。

4 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.完善的電磁兼容設計,單靠結構設計人員考慮屏蔽等是不夠的,必須作到結構設計人員、電路設計人員和工藝人員密切配合,在工藝上規范安裝操作方法以其滿足設計要求。電磁兼容設計是一個綜合性的系統工程,需要在具體的工作中結合實際進行合理的應用,并隨著應用的不斷深入進一步提高EMC設計技術。

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