一种ATR机箱的电磁屏蔽设计

燕云平,刘伯华

0 引言

随着电子设备及系统的广泛应用和电子技术的不断发展,电磁环境变得越来越复杂,电磁干扰也变得越来越严重,这就对系统和设备提出了更严格更详细的要求,也使得电子设备电磁兼容性能的研究成为现代及未来电子设备设计与研制过程中急需解决的问题。加固机箱作为一种电子设备,对电磁屏蔽性能有很高的要求。通过电磁屏蔽理论的分析和研究,探讨如何在结构工艺上保证机箱的电磁屏蔽性和抑制电磁干扰的有效措施。

1 电磁屏蔽的原理

一个屏蔽体具有3种衰减作用:①因为空气与金属交界阻抗的不相同而使得入射能量被屏蔽体表面所反射,称反射损耗R;②当入射能量通过屏蔽体时被吸收衰减,称吸收损耗A;③当入射能量通过屏蔽体内部,到达屏蔽体另一面,由金属与空气交界阻抗不同引起的反射衰减,称多重反射损耗B。所以屏蔽的计算公式为:

其中发射损耗与电磁波的波阻抗和屏蔽体的特征阻抗有关,而吸收损耗中趋肤深度则是一个关键因素。反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离和屏蔽体的阻抗为:

而|Zs|=3.68*(f*μ/ó)1/2/10000000,远场则为 :

吸收损耗则与屏蔽体的磁导率、电导率及电磁波的频率有关。

校正因子仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10 dB的情况。另外有一点必须说明,由于屏蔽体吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加,所以校正因子可能是个负数,表示屏蔽效率的下降情况。式中,A为吸收损耗(dB);R为反射损耗;B为校正因子;f为电磁波频率(MHz);i为相对导磁率,ó为相对导电率;t为屏蔽罩厚度;D为波源与屏蔽之间的距离;Zs为屏蔽体阻抗。

2 电磁屏蔽设计

电磁屏蔽总体设就是除了考虑机箱自身的电磁屏蔽能力外,还应对机箱整体的电磁屏蔽环境有一个比较全面的认识。从机箱整体设计出发,在产品设计阶段对机箱的各个组成部分进行合理有效的电磁屏蔽设计。其设计主要遵循以下3个原则:①尽可能抑制干扰源,直接将干扰源隔离在机箱及设备之外;②消除干扰源与分系统及设备之间的干扰耦合和辐射,切断电磁干扰的传递途径;③隔离敏感部件,加强模块本身抵抗电磁干扰的能力,以达到降低整体电磁环境恶化的风险。它包括以下几个方面的内容:①布局设计。包括机箱结构布局设计等;②屏蔽设计。包括模块屏蔽设计、机箱屏蔽设计。

2.1 加固机箱的布局

加固机箱采用全密封的铝合金结构。铝合金是具有较高导电、导磁特性的材料,是一种较高性能的屏蔽材料,通过将机箱内部设备与机箱外壳的良好接触,达到了静电屏蔽的目的。机箱上留有的缝隙、指示灯以及电源接口、信号的输入与输出口等各种各样的引出孔,会造成电磁泄漏,使机箱屏蔽效能降低。机箱主要由框架、前后面板、盖板等组成,前面板上布置有开关,插座、接地柱等。除焊接连接外,所有可拆连接的接触面均应导电导磁接触。内部主要有功放模块、数据处理模块、主控模块、电源模块、转接模块、接口模块以及收发模块等组成,按频率高低布置各印制板模块。各模块间主要通过转接模块进行连接。每块印制板模块都采用单独的屏蔽盒对其进行分别电磁屏蔽,屏蔽盒与屏蔽板之间保持良好的电接触。

2.2 电磁屏蔽

电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁场在空间传播的一种措施。反之,用电磁屏蔽体可使敏感器件免受外界空间电磁场影响。结构的电磁屏蔽设计,主要是通过材料的选用、结构形式的确定和对屏蔽体孔缝泄漏的抑制,来降低和防止电磁干扰。电磁屏蔽设计时,必须考虑以下几点:

①合理确定和分配屏蔽效能指标;

②对电磁干扰源和受感器进行合理布局;

③明确设备内信号线的类别,然后将同类信号线集中进行走向分线布局设计,必须避免不同类信号的走线集中在一起或紧靠着进行走向分线;

④合理选择屏蔽类型、屏蔽层厚度、屏蔽层的层数;

⑤适当增加结合缝隙深度和减小结合缝隙长度(应小于1/100λ);

⑥对于频率大于50 MHz的电路,应在机箱或盒体接合面处加入导电屏蔽衬垫,并合理减小螺钉间距,在螺钉以及可能发生相对位移处涂上导电胶(非游离态);

⑦根据屏蔽体的功能(机箱或设备内部的屏蔽)、容许的屏蔽空间,确定屏蔽体的尺寸、形状和结构形式、形位公差;

⑧对于频率大于10 MHz的电路,应合理划分功能模块单元,对功能模块应采取分盖结构或多层盖结构,模块之间的电气连接应采用馈通型滤波器。屏蔽体必须良好接地。一般情况下,接地电阻应小于2mΩ,在局部要求严格的场合下,接触电阻应小于0.5mΩ。当屏蔽体通过导线与地相接时,导线的截面和截面周界都应适当增大,用以减少直流电阻和交流电阻;同时要尽量缩短导线的长度,以减小导线的感抗。导线两端最好用焊接;如果使用螺钉连接时,最好能采用内齿弹性垫圈或外齿弹性垫圈,以减小接触电阻。为了使接地稳定可靠,接地点应防止受腐蚀。

2.3 屏蔽方法

电磁兼容设计是加固机箱设计的重要组成部分,在设计初期应考虑到电磁兼容问题,以避免在随后的设计、制造、使用过程中走弯路。电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导体,这一点在实现起来十分困难,因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值的。一个实用的机箱上会有很多孔缝:通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝,同时不会影响机箱的其它性能(美观、可维性、可靠性)。

2.3.1 印制板的屏蔽

由于各模块既是干扰源又是敏感体,因此将其用单独的屏蔽盒进行屏蔽。为了防止模块内部多级级联电路的级间耦合,对内部各级也必须进行屏蔽隔离处理,各级之间用隔板隔开。在结构上将屏蔽盒设计成迷宫多腔结构,将不同级别的元器件独立分腔布局,同时各腔、各级之间采用共盖结构,如图1所示。

图1 印制板共盖结构模块

屏蔽盒和屏蔽盖之间的接触面要平整,尽可能多地布置紧固螺钉,使盒与盖保持良好的电接触,消除缝隙寄生天线的影响,提高屏蔽效能。这些措施不仅有效地抑制了印制板模块对外电磁辐射而且也提高了其抗干扰能力。

2.3.2 机箱缝隙的屏蔽

缝隙的电磁屏蔽可以大致分为两种:紧固点(包括螺钉、铆钉、点焊和锁口等)直接连接;在缝隙中安装屏蔽材料实现电连接.紧固点直接连接的方案工艺简单,成本低廉,一般是首选的方法.对于结构上不能采取紧固点连接,可以采取在缝隙中安装屏蔽材料的方式.常用的屏蔽材料主要有:导电布、屏蔽簧片、金属丝网、螺旋管、导电橡胶等。加固机箱体是通过同种材料钎焊焊接并经过热处理的框架结构如图2所示。

图2 框架结构的加固机箱

机箱与上、下盖板,前、后面板的接缝均为狭长缝,该狭缝形成寄生天线,是电磁泄漏的主要通道,因此在箱体与盖板、面板的各个界面上均设计有密封沟槽。在此固定导电橡胶条并限制其过度压缩,盖板与箱体之间不仅通过导电橡胶条完全接触,而且还有金属之间的直接接触,因此具有最好的导电效果和屏蔽功能。

2.3.3 孔、洞的屏蔽

加固机箱上常装有各种开关、电连接器、保险丝、接地柱,因此在面板上就要加工出与之对应的安装孔为了增加机箱的散热效果,机箱上需开有板孔、抽气扇进风孔和排气扇排风孔等。开孔的形状和周长都必须符合要求。机箱内部的电磁波会在机箱表面形成感应电流,当电流通过孔时,会以辐射的方式发射能量,此辐射能量的大小与孔的形状和周长有关。相同面积的孔中,圆形孔的周长最小。

由于插座、指示灯、操作按钮、接地柱等需求会导致在电子设备面板上开各种孔洞,对于这些孔洞的电磁屏蔽设计时,可按照以下步骤考虑:

①最好将插座、指示灯、操作按钮、接地柱等设置在屏蔽体外;

②建议选用屏蔽的元器件,例如带屏蔽的插座、指示灯、按钮、接地柱等;

③采用加屏蔽罩的方法将这些孔洞屏蔽;

④对于小的孔洞,如果屏蔽效能足够,如果孔洞中不引出电缆,可以不处理。

3 仿真与结果分析

图3(a)是机箱未采取屏蔽措施时,设备做电磁兼容试验RE 102的结果。可以看出,设备的辐射电平值超过了规定值。图3(b)是机箱采取屏蔽措施后,设备做电磁兼容试验 RE 102的结果。可以看出,设备的辐射电平值低于规定值,满足使用要求。

图3 机箱仿真曲线图

经过仿真分析:缝隙、孔洞是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因。细缝隙的作用就象有效的缝隙天线一样,能接收和传输电磁信号,在所有频率(1/4波长小于缝隙长度)上,有潜在的危险性。对加固机箱接缝和孔洞采取以上屏蔽措施后,测控系统电磁辐射干扰得到了有效的抑制,彻底解决了系统存在的问题。

4 结束语

电子设备的电磁屏蔽设计是工程实践中遇到的普遍问题,在设计过程中必须认真地分析各种干扰信号来源,采取各种有效措施,提高系统抗干扰能力.完善的电磁兼容设计,单靠结构设计人员考虑屏蔽等是不够的,必须作到结构设计人员、电路设计人员和工艺人员密切配合,在工艺上规范安装操作方法以其满足设计要求。电磁兼容设计是一个综合性的系统工程,需要在具体的工作中结合实际进行合理的应用,并随着应用的不断深入进一步提高EMC设计技术。

[1]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京:电子工业出社,2003.

[2]白同云,吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.

[3]谢 菁,梁志强.电磁兼容性设计在通信设备结构设计中的应用[J].电子测量技术,2006,29(6):180-182.