信息技術設備箱體散熱孔洞對1 GHz 以下輻射騷擾發射的影響

劉 巍，原 覺，董奇峰

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

輻射騷擾發射是衡量信息技術設備電磁兼容性能的重要指標。根據我國CCC 認證要求，GB/T9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》中規定信息技術類設備需要進行輻射騷擾發射試驗，孔洞的增多給輻射騷擾發射試驗帶來了很多不確定性。信息技術設備裸露的線纜、主板等會向外界泄露電磁干擾信號，所以電子設備的外層一般加有屏蔽箱體。屏蔽箱體的作用是防止設備向外泄露電磁干擾信號，同時又保護電子設備，阻止外界電磁波影響屏蔽箱體內部電子設備的正常工作。最理想的電磁屏蔽箱體是完整的表面無孔縫的封閉箱體，但是信息技術設備在工作過程中會發生發熱現象，完全密封屏蔽箱體無法滿足信息技術設備的散熱，這就造成了箱體的孔洞的存在，使得屏蔽箱體的屏蔽效能降低，甚至沒有屏蔽效能，因此，展開這些孔洞對箱體屏蔽效能影響的研究是十分必要的。

1 屏蔽箱體及作用

1.1 屏蔽箱體

屏蔽箱體是利用導電或者導磁材料制成的各種形狀的屏蔽體，用屏蔽能力來衡量箱體的好壞。屏蔽體將電磁能力限制在一定空間范圍內，用于抑制輻射干擾的金屬體。并對傳導和輻射進行處理，以實現給被測無線通信設備提供無干擾的測試環境的設備。此次選用鋁制屏蔽箱體，前后面板厚度為3mm，上下面板為2mm。尺寸為長370mm、寬417mm、高180mm。如圖1所示。

圖1 屏蔽箱體

1.2 屏蔽箱體的箱體孔洞的選擇

在箱體及產品設計前再考慮電磁兼容性能的同時也要考慮相關的箱體冷卻性能，現在冷卻技術分為空氣冷卻技術、液體冷卻技術、熱管冷卻技術。其中，空氣冷卻技術包括自然冷卻和強迫風冷，信息技術類設備通常為強迫風冷型設備。

現有市場上常見的箱體孔洞多為孔型陣列和大孔洞陣列。大孔洞陣列又分為水平陣列和垂直陣列。本次選取了三種形狀，分別為圓孔、水平開孔、垂直開孔，如圖2–圖4所示，在前面板中西位置選取長8cm 寬5cm 的范圍內打相應的孔洞。

圖2 圓孔

圖3 水平長孔

圖4 垂直長孔

圓孔為15個0.7cm 的圓孔，其散熱面積約為5.7cm2；垂直長孔為4個長3.5cm 寬0.4cm 的垂直長孔，其散熱面積約為5.6cm2；水平長孔為4個長3.5cm 寬0.4cm 的水平長孔，其散熱面積約為5.6cm2。在強排風情況下，在一定范圍內的散熱面積相等，散熱效果相同。

1.3 屏蔽箱體電磁性能

1.3.1 屏蔽箱的屏蔽性能

電磁兼容輻射騷擾發射抑制技術可從兩類著手：第一類是系統本身應盡量選用互相干擾最小的設備和電路，并進行合理的布局；第二類是通過屏蔽、濾波和接地等技術，將干擾予以隔離和抑制。當電路設計完成后，屏蔽是最有效的消除干擾的方法。

屏蔽箱就是用高導電率材料或者高導磁材料制成的箱體，將電磁敏感設備或者電磁騷擾源完全封閉起來，通過屏蔽材料的反射和吸收作用，使穿過屏蔽箱體的電磁場衰減。屏蔽箱體屏蔽性能的好壞由屏蔽效能來衡量，

電場的屏蔽效能公式為：

SEE=20lg（E1│E2） （1）

式中，SEE 為電場的屏蔽效能；E1為沒有屏蔽接收的信號值；E2為有屏蔽接收的信號值。

磁場的屏蔽效能公式為：

SEH=20lg（H1│H2） （2）

SEH為電場的屏蔽效能；H1為沒有屏蔽接收的信號值；H2為有屏蔽接收的信號值。

屏蔽性能的衡量標準為GJB5240–2004《軍用電子設備通用機箱機柜屏蔽效能要求和測試方法》和GB/T12190《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》。

1.3.2 屏蔽箱的諧振頻率

諧振頻率的產生電磁波會在屏蔽腔體內形成駐波發射從而發生電磁諧振，導致腔體屏蔽效能急劇下降，一般諧振點對應著屏蔽腔屏蔽效能的最低點。

諧振頻率公式為：

式中，fMHz單位為MHz；w、l、h分別為箱體的寬、長、高，單位米；k、m、n分別表示箱體內長、高、寬3個方向上的駐波半波數，取值0、1、2…，且k、m、n中每次最多只有一個為0。由公式（3）計算可得1022MHz為試驗箱體的諧振的最小頻率點，故不考慮諧振頻率的影響。

2 場地布置方法

2.1 設備組成

發射單元：信號源SMB100A 與發射天線相連，發射天線選用Schwarzbeck 公司生產的SBA9113B 天線作為發射天線，其覆蓋范圍為80MHz–3GHz。發射單元中心位置為發射天線中心，信號源放置于暗室外部防止信號源對測試產生影響，發射天線通過射頻線纜與信號源連接。

表1 試驗設備

屏蔽發射單元：信號源SMB100A 與發射天線相連，發射天線固定在屏蔽箱體中，中心位置與箱體中心位置重合。屏蔽發射單元中心位置為箱體中心，其他布置同發射單元配置。屏蔽發射單元分為圓孔屏蔽發射單元、垂直長孔屏蔽發射單元、水平長孔屏蔽發射單元，分別進行測試。

接收單元：將接收天線與接收機ESW44相連，接收天線選用Schwarzbeck 公司生產的VULB9163天線作為接收天線，其覆蓋范圍為30MHz–3GHz。接收單元中心位置為接收天線中心，接收機放置于暗室外部防止信號源對測試產生影響，接收天線通過射頻線纜與接收機連接。

2.2 場地布置

根據國標GB/T9254輻射騷擾發射臺式設備要求進行場地布置。將發射單元放置于測試桌上中心位置垂直，測試桌高度為80cm，接收單元開始接收無線電信號，發射單元中心與接收單元中心的距離為10m，記錄相關頻率及最大值。屏蔽發射單元中心與測試桌中心位置垂直，采用相同配置記錄相關頻率及最大值。兩次測試中發射單元與屏蔽發射單元高度相等。詳見配置間圖5、圖6。

圖5 測試系統布置及組成

圖6 測試系統半電波暗室內布置

3 試驗結果

通過2.2的場地布置，接收機設置為最大值保持，接收天線1–4m 升級，降轉臺360°旋轉。分別測得發射天線水平、垂直條件下，發射單元、圓孔屏蔽發射單元、垂直長孔屏蔽發射單元、水平長孔屏蔽發射單元的實驗值。頻率范圍為80MHz–1GHz。

圖7 不同孔洞水平極化80MHz–1GHz屏蔽效能對比

由圖7 可知，在水平極化80MHz–370MHz 時各類孔洞沒有明顯差異，370MHz 后屏蔽效果開始分化，最大差異出現在585MHz 和735MHz 相差30dB。圓孔在550MHz–650MHz 優于其他兩類開孔，但在700MHz–875MHz 其他兩類差距很大。水平長孔表現一般，垂直長孔總體屏蔽優于其他兩類開孔。當設備內部線纜等多為水平布置時，應當選擇垂直長孔作為通風孔來增加內部衰減，減小對外部的輻射，但也應當考慮內部頻率的因素。

圖8 不同孔洞垂直極化80MHz–1GHz屏蔽效能對比

由圖8 可知，在垂直極化時80MHz 開始就出想分化最多相差35dB。圓孔在80MHz–250MHz、500MHz–750MHz、850MHz–1000MHz 優于其他兩類開孔，水平長 孔 的 情 況 在350MHz–400MHz、350MHz–400MHz、350MHz–400MHz 好于垂直長孔，其他與垂直長孔類似。垂直長孔總體屏蔽優于其他兩類開孔。當設備內部線纜等多為垂直布置時，應當選擇圓孔作為通風孔來增加內部衰減，減小對外部的輻射，但也應當考慮內部頻率的因素。

圖9 圓孔垂直極化及水平極化80MHz–1GHz屏蔽效能對比

通過圖7和圖8可以看出，圓孔類型在同等條件下優于孔縫型，這是因為圓孔型為不連續的孔縫，對屏蔽箱體結構上的感應電流變化較小，孔洞的等效輻射現象較弱。在通過圖9對不同極化進行分析可以看出，圓孔在140MHz 開始就出現分化。其中在225MHz–650MHz、750MHz–850MHz 水平極化優于垂直極化圓孔，在675MHz–750MHz、850MHz–750MHz、850MHz–1000MHz 垂直極化優于水平極化。圓孔的數據在表明不同極化對不同屏蔽箱體的屏蔽效能也有著顯著影響。

4 試驗結果分析

通過第三部分的試驗結果發現，通風孔相關結構參數孔洞類型對箱體電磁屏蔽能力有著不同的影響，選用圓孔箱體的屏蔽能力優于水平長孔和垂直長孔，但根據發射天線的極性頻率，屏蔽能力有著不同的變化，也可以在不同的設備的騷擾參數（頻率、極性）選擇更適合的通風孔洞。還可以將散熱面積一定時設計成小通風孔的通風孔陣列，這樣孔洞的等效輻射現象不明顯，達到更佳的屏蔽效果。在通風孔洞位置選擇上在滿足散熱的要求，又要盡量遠離設備的輻射區域。

5 結束語

本文通過試驗對不同形狀孔洞的箱體屏蔽效能進行了測試，證明屏蔽效能與孔洞形狀以及電磁波頻率極化等參數存在關系。產品在設計之初可通過仿真軟件進行分析，但由于材料結構等原因，仿真結果要好于實際測試結果。僅依靠傳統理論計算無法適應復雜的實際情況，因此，產品設計中要根據以往的經驗和實驗驗證進行改正。