布线设计对电子机箱屏蔽性能的影响

周步锋，沈博文

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

电磁兼容(Electtromagnetic Compatibility，EMC)是研究电磁干扰的一门技术。GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容性术语》对“电磁兼容性”定义如下：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。它包括以下两个方面：(a)设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时可按规定的安全裕度实现设计的工作性能且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；(b)设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境(或其他设备)带来不可接受的电磁干扰。

实践证明，按照电磁兼容设计规范设计的屏蔽机柜一般很容易达到40～60 dB的屏蔽效能，但电缆布线设计不合理会造成电子设备产生EMC问题。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线，同时也是干扰传导的良好通道。电缆作为耦合途径会导致GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中要求的CE102(传导发射)和RE102(辐射发射)两项指标超标。本文针对这两个超标的项目找到存在的问题，提出相应的设计原则。

1 EMC的基本原则

从EMC的定义中可以看出包含了3个部分：电磁干扰(EMI)、电磁敏感度(EMS)和电磁环境。因此，可以说电磁干扰有3要素：干扰源、耦合途径和敏感(接收)装置。这3个要素缺一不可，少一个就构不成电磁兼容问题。它们之间的关系如图1所示。

图1 电磁干扰3要素

首先要从这3个要素着手解决电磁兼容问题。可以看出，耦合途径在这3个要素中处于重要的位置。对于电子设备，耦合途径既是EMI信号的耦合途径又是EMS信号的耦合途径。电缆布线存在的电磁干扰主要属于传导干扰，是由公共阻抗耦合或通过某一组连接件相互作用产生电磁干扰。当然布线也发射电磁波，也存在辐射干扰，尤其当布线传输信号频率超过30MHz时辐射干扰就比较明显。所以，作为耦合途径的电缆对于解决电磁兼容问题有着很重要的意义。

2 电缆布线设计原则

试验证明，合理的电缆布线对电子设备电磁兼容性非常有利。机柜内电缆布线原则如下：

(1) 要尽可能减小耦合，应充分利用机柜的前后或对角空间对敏感线和干扰线进行远距离敷设。

(2) 要考虑屏蔽、滤波和接地技术，保证其合理性。

(3) 要考虑电缆分类，如干扰线和敏感线之类，这样就可成束近似相同及相似干扰类型的电缆，干扰大的电线束与干扰小的电线束要保证对应的隔离度。应采用屏蔽和滤波的手段将不得不敷设在一起不同类型的电缆进行隔离。

(4) 要区分电源线和信号线、输入线和输出线。此两类线缆由于空间等因素不好分开时尽可能使电缆敷设成垂直相交，避免平行走向。

(5) 应优先考虑将不同类型的电缆从不同方向进入设备内，减小电缆之间的耦合。

(6) 应考虑使用有屏蔽滤波功能的电连接器，保证电缆不能成为耦合途径。

3 电缆布线设计措施

3.1 电磁干扰的处理措施

电缆是引起干扰的重要原因，应考虑正确布置电缆，从而减少各种寄生耦合。为了避免电缆上的干扰，应优先使用屏蔽线。屏蔽线分以下几类：在频率30 kHz以下的普通屏蔽、在频率100 kHz以下双绞线和屏蔽双绞线、在频率100 MHz以下的同轴电缆、在更高频率的波导管。此外，在军用设备上的电缆一般采用双层屏蔽电缆，以减小电源线和互联线的辐射。在电磁兼容要求较高时，如当传输信号较弱或传输线较长时，除了尽量缩短信号线和传输线长度外应尽可能选用多层屏蔽电缆，以减小静电噪声和电磁波噪声的干扰。

屏蔽电缆的屏蔽效能主要不是由发射和吸收所得到的，而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层必须接地后才能起到屏蔽作用。屏蔽电缆抑制干扰的能力除与屏蔽层本身的结构和质量有关外，还与屏蔽层的接地情况关系较大。以同轴电缆为例，传输低频信号时，应该使通过屏蔽层的电流与内导体的电流相等而方向相反，使屏蔽层外围的磁场能相互抵消，其屏蔽层应单点接地；在传输高频信号时，屏蔽层应双点或多点接地，如果频率大于1 MHz或电缆长于0.05λ，由于集肤效应的作用，使干扰产生的噪声电流只在屏蔽层外表面通过，因此屏蔽层通常采用多点接地，应隔0.05～0.1λ距离接一次地。

解决电缆上干扰的一个十分简单的方法是在电缆上套一个铁氧体磁环，但这并不意味着只要一遇到电缆辐射的问题就在电缆上套铁氧体，其实效果往往会事与愿违。因为在电缆上使用铁氧体磁环时，应注意下列一些问题：①磁环的内径尽量小，且内径要与电缆紧密贴合，不要留太大的间隙；可以为增加阻抗把导线在磁环上多绕几圈；②磁环的壁尽量厚；③磁环尽量长；④磁环尽量靠近电缆的输入端口处安装。

3.2 贯穿导体的处理措施

电磁屏蔽的关键点有两个，一个是保证屏蔽体的导电连续性，而另一个是不能贯穿屏蔽体的导体。电子设备电缆布线总是要面对这两个问题。机柜上的电缆总会有很多电缆穿入或穿出，尤其是电缆长度大于电磁波的二分之一时穿过屏蔽体的电缆危害大。实际中，很多结构上很严密的屏蔽设备就是由于电缆直接穿过而导致电磁兼容试验失败。对贯穿导体的处理是电缆布线中电磁兼容设计最重要的内容，其解决方法主要有两种：

(1) 将导线屏蔽起来，并与屏蔽体可靠连接。这相当于将屏蔽体延伸到导线端部。采用有EMC设计的电连接器能很好地解决这一个问题。但是，应注意的是，要确保电缆端部的屏蔽网夹在电连接器的套筒和压环之间，通过螺帽上紧，确保屏蔽网与套筒紧紧贴在一起；当需要更高屏蔽效果时，可另增加多层屏蔽网对电缆缠绕并焊接后与电连接器壳体连接。由于有些电缆要承担大电流的输送，只能用填料函的方式。以前的填料函结构只能满足密封要求，不能满足EMC的要求。采用图2的类似结构，用屏蔽环电磁屏蔽层紧紧压在填料函座的壳体上来实现可靠连接。要注意的是，可采用0.8 mm厚导电衬垫来减小接触电阻，确保电连接器和填料函都要与设备壳体良好搭接。

(2) 对导线进行滤波处理，滤除导线上不必要的高频成分。在电缆的端口处安装低通滤波器，可以有效滤除电缆上的干扰，减小电缆产生的电磁辐射，因为高频电流最容易产生辐射。

实际使用中，将上述两种方法结合起来可带来很好的屏蔽效果。但是，要重视在电缆端口安装滤波器的方法，特别是在电源线的端口安装电源线滤波器的方法：

(1) 首先选择滤波性能好、阶数高的电源滤波器。电源滤波器要装在电源入口处，并对滤波器进行屏蔽，屏蔽体一定要与设备壳体良好搭接。将输入线和输出线空间隔离。滤波器壳体用不锈钢完全包裹。机壳用导电衬垫可靠连接，导线上的干扰在设备端口被滤除，因此滤波效果十分理想。同理，信号滤波器也可以采用这种方式。目前，在机壳上直接安装滤波器已经成为一种趋势。选用带滤波功能的电连接器是最方便的办法。它的每根插针或孔上都有一个低通滤波器，可以是简单的电容电路，也可以是复杂的电路。它的外形与普通电连接器外形完全相同，可以直接替换，经济实效。

(2) 滤波器的输入线尽可能短，输入、输出线绝不能捆在一起，并尽量不要安排在同一屏蔽空间内，否则引线间的耦合会降低滤波特性。

(3) 滤波器的壳体要直接在设备外壳上实现滤波器的接地，如需接地线则接地线越短越好。

(4) 滤波器附近尽量不要有强干扰源。

4 不合理电缆布线屏蔽性能影响实例

4.1 电缆布线对传导发射CE102的影响

在某配电机柜的电磁兼容试验时，发现电缆对指标的影响较大。由于电源线屏蔽层未做360°端接，电源线旁铺设的信号线作为干扰源耦合进入电源线，导致CE102指标超标，测试结果如图3所示。按屏蔽插头防电磁波泄漏装接规定的工艺对电源线重新端接，指标满足要求，测试结果如图4所示。

4.2 电缆布线对辐射发射RE102的影响

在某组件的电磁兼容试验时，发现电缆对指标的影响较大。由于该设备无操作面板，并且盖板采用导电衬垫后电子设备的电磁辐射能量较小，而电缆无屏蔽层，即使有屏蔽层尤其是金属编织套，电磁泄露能量大，测试结果如图5所示。究其原因，电缆贯穿处未作滤波处理，电缆作为天线将组件内部的信号辐射出来。所以，为了减少电缆的电磁辐射，加强电缆的屏蔽效能，在电缆上加装防波套，同时做好接地，指标满足要求，测试结果如图6所示。

5 结束语

作为电子机箱屏蔽设计时的薄弱环节，电缆按照电缆布线设计原则及相对应措施做好屏蔽、滤波和接地处理后可使电子机箱屏蔽性能满足设计要求。因此电，子设备设计中必须对电缆布线的电磁兼容予以重视，可提高其抗电磁干扰的能力。

参考文献:

[1] 董彦涛.电子设备电缆布线的电磁兼容设计[J]. 声学与电子工程,2010(2)：35-37.

[2] GJB 151B-2013 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量,2013.

[3] 吕仁清，蒋全兴. 电磁兼容性结构设计[M]. 南京：东南大学出版社,1990.

[4] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M]. 东南大学出版社,2005.1.