数字光端机的电磁兼容性加固

葛宏宇

【摘要】 随着数字光端机在生产生活中广泛的应用，为保证设备的性能和传输质量，系统间各设备的电磁兼容问题越来越受到重视，文章从数字光端机结构设计的电磁兼容性方面，论述了诸多在电子设备加固设计中需注意的问题和解决方案，并提供了实际试验的相关测试数据。

【关键词】 电磁兼容 屏蔽 滤波 接地

引言：

随着电子技术的迅猛发展，电磁干扰问题已成为电子设备或系统中的一个严重问题，军用、民用产品在批产定型前都必须要经过权威机构认证的电磁兼容试验。某工程车载数字光端机就是要求依据GJB152A-97和GJB151A-97的标准来完成电磁兼容性测试，并且在测试时设备确保不因电磁兼容性问题引起数据丢失、误码、故障或性能降低，测试项目有CE102、RE102等8项。数字光端机原型机为6U商用机，原来的设计不满足电磁兼容性要求，必须进行加固设计。电磁兼容加固主要从设备内部的整体布局、机箱外壳设计、线缆的滤波以及接地设计等方面。

一、EMC问题来源

电子设备工作时会伴随着连续性或间歇性电流电压变化，就会导致在一个频带间或不同频率内产生电磁能量，这种能量会通过相应的电路发射到周围的环境里。电磁辐射源通常有两种等效天线模型，它们分别是环路辐射等效天线模型，该模型是通过流动的电流信号在环路电路中产生的。另一种是对称偶极子天线或单极天线等效天线模型。大量数据证明，等效的偶极子天线模型或单极天线是产品的辐射发射问题的主要来源。

除电磁干扰源外，引起EMC问题还有耦合途径和敏感设备。通过机箱屏蔽、滤波、接地等手段，减弱或消除其中一个途径，就能大大提高设备的电磁兼容性。

二、机箱设计

机箱的导电完整性相当于一道电磁屏蔽，能够有效降低外部空间和设备的电磁辐射能量，提高整机电磁兼容性。

2.1壳体与前、后面板设计

原有商用数字光端机由壳体、盖板及前、后面板组成，各零件选用铝板3A21材质，经数控折弯、焊接等工艺加工而成。现更改机箱结构设计及材料如下：机箱结构改为封闭式六面拼板结构，各零件选用铝合金板5A06材质，经数控加工而成，各零件接触面做导电氧化处理，并加装电磁密封橡胶条及合理的螺钉安装密度，使机箱成为一个完整的导电体。

面板器件及屏蔽设计：前面板保留32个指示灯和1个电源开关，增加了2个保险座和1个计时器，设计金属屏蔽罩，以隔离仓的形式将设备中主电路与操作器件隔离开，对前面板进行屏蔽；设计截止波导管为屏蔽罩出线。后面板电源连接器选用泰兴航联的圆形Y50DX系列电连接器，其余连接器选用圆形Y50EX系列电连接器。连接器与前后面板接触区域均做导电保护，并为每个零件设计电磁密封垫片，保证单个器件屏蔽性能完好。

2.2机箱孔缝的设计与优化

屏蔽机箱各零部件之间相互搭接，搭接表面因为加工精度等问题存在缝隙，缝隙降低设备屏蔽效能主要原因之一。机箱的吸收损耗和反射损耗决定着屏蔽效能，孔缝对反射损耗不影响，但会降低吸收损耗。在屏蔽体中孔缝和电磁场引起的涡流方向垂直时，孔缝等效成一个二次发射的天线。根据天线理论，缝隙长度等于辐射源半波长整数倍时发射能量最大，泄漏最厉害。

通过下式计算可得出缝隙的屏蔽效能：

SE=27.3t/g+20lg（1+N）2/4N ………（1）

公式中SE代表屏蔽效能，g为长边尺寸，t为缝隙深度，N为空间入射波与分析开口处波阻抗的波阻抗比值。从而得出减小缝隙长度和增加孔缝深度可提高屏蔽效能。加固机箱时，采用内部肋板结构，通过在机箱壳体各端面交错搭接，等效延长缝隙的深度。

减小螺钉间距是提高屏蔽效能的又一措施。螺钉间距和屏蔽效能成反比关系，可以通过机箱尺寸软件仿真的仿真结果最终确定最合理的间距尺寸。

优化缝隙，提高屏效也可以通过增加导电衬垫来实现。导电衬垫要求具有较高的电导率，保证射频阻抗在接缝处极小，加固设计中选用了中石共挤出导电橡胶条（11-231-138-0000）。

三、滤波设计

3.1输出、输入信号线滤波设计

设备信号线滤波有两种方式，一是选用具有滤波功能的电连接器，安装时机箱面板与电连接器间加电磁密封衬垫。这种设计提高电磁屏蔽性能，但价格较贵。二是用镍锌磁环串过输出、输入信号线与电连接器连接。

数字光端机后面板的Y50DX-1203ZJ14、Y50EX-1210ZK14插座和DB9插座等都采用方案二完成滤波设计。

3.2电源线滤波设计

电磁干扰传出设备和传入设备主要通过电源线来完成的。为防止干扰的发生，安装一个低通滤波器在设备的电源插座处，滤波器只允许设备工作频率通过，对于非工作频率的较高频率干扰有很大的损耗。

四、接地设计

电缆屏蔽层接地：电缆传输信号工作时等效为单极天线，电缆屏蔽层要求接地良好，否则高频谐波会在屏蔽层进行耦合，形成共模辐射。根据集肤效应，应采用两点或多点接地来应对高频段信号的传输，保证最低的地电位在屏蔽层外表面。

滤波器接地：电源线和信号线到地的旁路电容包含于滤波器中，如果滤波器接地不好，电容很可能是悬浮状态，不能起到旁路作用，建议直接通过滤波器外壳和地之间大面积搭接来实现金属外壳滤波器的接地。

PCB板接地：PCB电路板接地可有效降低环路辐射效应。另外可用多点接地方式，将电流旁路连接到大地，从而降低PCB的电源系统中的地阻抗。

五、电磁兼容实际测试情况

综上所述，对现有商用数字光端机进行电磁兼容设计加固，机箱尺寸：482.6mm×265.7mm×432mm，采用全铝铣制加工。试验前进行了摸底，受试设备在50MHz～70MHz的测量值距离限值较近。经分析，将电源线列入整改项，在电源线外部加装铜编织袋，间隔0.5m的位置处进行多点接地，对电源滤波器壳体的接地和输入端线缆进行改进。

最终在武汉某信息安全设备测评认证中心完成了GJB152A/GJB151A八项测试时，获得了一次性通过的好成绩（见图1）。本次测试能够顺利通过与结构上合理的电磁兼容设计及后期各种优化加固的屏蔽措施是密不可分的。

参 考 文 献

[1] 张明.电子设备结构的电磁兼容性设计策略[J].电子机械工程，2006.

[2] 郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社.

[3] 张洁.加固机的电磁兼容性设计[J].太原重型机械学院学报，2003.