電子儀器干擾與屏蔽

陳克難

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

前言

在電子儀器的研制和生產(chǎn)過程中，如果單元電路良好，但屏蔽設(shè)計(jì)不合理，就會降低電路設(shè)計(jì)指標(biāo)，有時甚至導(dǎo)致儀器工作不正常。因此在電子儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屏蔽設(shè)計(jì)必須給于充分的重視，現(xiàn)在僅就現(xiàn)實(shí)工作中所進(jìn)行的一些具體做法與各位同行共享。

1 電屏蔽

電場屏蔽是為了消除兩個電路之間由于發(fā)布電容的耦合產(chǎn)生的干擾，最好的辦法是在感應(yīng)源與受感器之間加入一塊接地良好的金屬隔板，把發(fā)布電容短接到地，就可以達(dá)到電場屏蔽的目的。而一個導(dǎo)電性良好的機(jī)殼，就是一個理想的地。在過去的儀器研制、生產(chǎn)過程中，為了將兩個單元線路屏蔽開來，圖1所示的辦法是一種典型的例子，金屬屏蔽板插在開槽的膠木板中間，而機(jī)殼是用陽極化的鋁板（不導(dǎo)電）構(gòu)成的。這塊接地不良的金屬板，不但沒有起屏蔽作用。反而對屏蔽是有害的，因?yàn)樵跊]有加屏蔽之前一個分箱g（感應(yīng)源）在另一個S（受感器）上所感應(yīng)的電壓為感應(yīng)電壓，當(dāng)屏蔽板加入后，由于接地不良，它與地有很小的發(fā)布電容，所以產(chǎn)生了大于屏蔽板加入前的感應(yīng)電壓。

圖1 兩個單元線路屏蔽圖

同樣的道理，壓板的加入對屏蔽也是無益的，因?yàn)閴喊宓目缍却螅坏荒芷鸬綁喊宓淖饔茫炊喈?dāng)于一個接地不良的蓋板，蓋在兩個需要屏蔽的分箱上。在高頻時，壓板的寄生電容和寄生電感組成的分壓器，進(jìn)一步把兩個分箱耦合起來，上面所談的這種設(shè)計(jì)的錯誤在于：

1)機(jī)殼雖然由鋁板組成，但陽極化后生成的氧化膜是絕緣層，使機(jī)殼成為不良導(dǎo)體。

2)印制板和金屬板的導(dǎo)板用的是絕緣材料膠木板，使印制板和屏蔽板都無法接地。

針對上述的問題我們采取了兩項(xiàng)措施：

1)將鋁板的陽板化處理改為化學(xué)導(dǎo)電氧化，雖然耐蝕性差一些，但整機(jī)機(jī)殼導(dǎo)電性良好。

2)設(shè)計(jì)了一種由導(dǎo)電性，彈性俱佳的鈹青銅做成的卡緊簧片把它鉚在經(jīng)化學(xué)導(dǎo)電氧化的鋁板上做導(dǎo)板，印制板的邊緣有5mm接地線，當(dāng)插入導(dǎo)板后，便經(jīng)過5mm地線，屏蔽板也被卡緊簧片卡牢，接地良好。這種卡緊簧片得到了廣泛的應(yīng)用，被頂為標(biāo)準(zhǔn)。

2 磁屏蔽

磁屏蔽是抑制或消除發(fā)布電感的耦合。

恒定磁場和低頻磁場的屏蔽采用對磁場分路的辦法，即用相對導(dǎo)磁率高的材料做成屏蔽物，由于屏蔽物的μ值高，磁阻少，所以大部分磁力線都在屏蔽物的壁內(nèi)通過，這樣就大大減少了寄生電感的影響，目前我們最常用的導(dǎo)磁材料為1j79坡莫合金，這種坡莫合金在真空（或氫氣）中退火，μ值最高可達(dá)到200000高斯/奧斯特。

低頻磁屏蔽在我們工作中遇到最多的情況是對電源變壓器及顯像管的屏蔽。

為了防止外來磁場對于、電子束聚焦的影響，我們通常采用坡莫合金做成的屏蔽罩，經(jīng)過真空退火處理，對示波管進(jìn)行屏蔽，沿屏蔽罩長度方向盡量減少焊縫和狹長的開槽，因?yàn)榕c電子束垂直的磁力線較之與電子束平行的磁力線對電子束聚焦的影響更大，需要時盡量開園孔，避免開距形孔（見圖2所示）。因?yàn)榫嘈慰妆认嗤娣e的園孔對屏蔽效能影響更大。由于縫隙的天線效應(yīng)，必須使縫隙的直線尺寸不大于1/10，洞孔的尺寸不大于1/5最短工作波長。

對于制作良好的小功率變壓器一般不用屏蔽，因?yàn)榻^大多數(shù)磁通已在鐵芯中閉合，漏感較少，鐵芯本身就是低頻變壓器的最主要的屏蔽物，對于大功率100VA以上的功率變壓器，其漏磁通也可以產(chǎn)生比較大的干擾，有時也用1j79坡莫合金做成屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。由于大功率變壓器發(fā)熱量大，在屏蔽罩上要開通風(fēng)孔不應(yīng)大于3mm，以免影響屏蔽效果。

3 電磁屏蔽

電磁屏蔽主要是用來防止高頻電磁場的影響，它是采用低電阻的金屬材料作屏蔽物，用電磁場在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流從而起到屏蔽作用，一般所謂屏蔽，多半是指電磁屏蔽。由于高頻趨膚效應(yīng)的作用，渦流密度沿金屬截面的分布是不均勻的，其規(guī)律為

其中：X0為透入深度，即電流密度和磁場強(qiáng)度減少到表面處的e分分之一的深度。

圖2 開孔示意圖

由理論計(jì)算得

其中ρ-材料電磁率；μ0-真空的導(dǎo)磁率；μ-材料相對導(dǎo)磁率；F-頻率。

由計(jì)算公式可知，在同一頻率下，材料的屏蔽效果由它的電阻率ρ和相對導(dǎo)磁率μ的比值來表示的。

在高頻屏蔽中，雖然鋼的μ值比較高但由于ρ值較大，渦流損耗大。并有磁帶現(xiàn)象而不易采用，一般應(yīng)采用非磁性導(dǎo)電良好的金屬材料，如銅、鋁做屏蔽材料，頻率較高時，可以在其表面鍍銀，特別是鋁表面鍍銀，價(jià)格又便宜，重量又輕而屏蔽效果又好，應(yīng)盡量采用。

4 電子設(shè)備屏蔽設(shè)計(jì)的綜合考慮

以上所述的電場、磁場、電磁場的三種干擾，在一種電子儀器中往往是同時存在的，所以在進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)時必須進(jìn)行綜合考慮，才能達(dá)到所需要的屏蔽效果。

任何電路各個部分工作的地電流總要經(jīng)過回流。而構(gòu)成儀器結(jié)構(gòu)的底座，外殼就成為地電流回流的必經(jīng)之“地”。因此底座、機(jī)殼阻抗的大小與寄生耦合的大小有著直接的關(guān)系。特別在高頻，不但地電阻的高頻值變得不可忽略，且隨頻率不同，會成為感性或容性阻抗，造成不良影響。因此接地通路設(shè)計(jì)是屏蔽設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

要屏蔽儀器外來的干擾或防止該儀器干擾影響的儀器，一個結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，設(shè)計(jì)合理的機(jī)箱實(shí)際上是這臺儀器的一個良好的屏蔽機(jī)殼。構(gòu)成機(jī)殼的各種構(gòu)件應(yīng)接觸良好，盡量減少孔隙，當(dāng)不得已非要有孔隙時，盡量減少其尺寸。如洞孔較大（風(fēng)扇罩）應(yīng)安裝金屬網(wǎng)，并刮掉金屬網(wǎng)與面板接觸部分的涂層。鋁材做成的各種結(jié)構(gòu)件均采用導(dǎo)電氧化。如果對屏蔽要求很高或屏蔽的頻率范圍很廣，則應(yīng)采取多層屏蔽，低于5-10kHz的恒定磁場和低頻磁場的多層屏蔽罩一般采用的磁性材料，層與層之間可以是空氣隙或絕緣材料，若要在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行屏蔽，就采用不同的材料（鐵磷性材料和非鐵磷性材料）組成的雙層屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。這樣的屏蔽罩基本上滿足、排除了外來干擾，對于線路設(shè)計(jì)的原定指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到了保證作用。另外鋁制外屏蔽罩即是屏蔽件，也是結(jié)構(gòu)件，它將厚度薄、強(qiáng)度差、不允許碰的坡莫合金的內(nèi)屏蔽罩包容在內(nèi)部，這樣就避免了裝配、調(diào)試、運(yùn)輸、儲存中可能受到的碰 ，使磁性得以保持。

5 小結(jié)

對電子儀器的干擾和被干擾隨時隨地都存在，有時對于干擾源進(jìn)行嚴(yán)格的屏蔽較之對受干擾器件進(jìn)行屏蔽更為方便，而有時對干擾特別敏感的元件又進(jìn)行單獨(dú)屏蔽。有時電場、磁場同時屏蔽則只需將屏蔽物良好接地即可。不同的電子儀器對屏蔽設(shè)計(jì)的要求不同。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須與線路設(shè)計(jì)人員密切配合，因地制宜進(jìn)行合理有效的屏蔽設(shè)計(jì)，以保證線路設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。

[1] 山崎弘郎. 電子抗干擾技術(shù)[M].北京： 科學(xué)出版社, 1999.

[2] Matcrials Electonic Products Corp.Solid state cooling with Thermoelectric. 1993.

[3] 諸幫田.電子電纜實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京人民郵電出版社，2000.