连接器屏蔽与接地结构设计

卢 轩

(泰州市航宇电器有限公司，江苏泰州，225399)

1 引言

在电器设备中，导线、电缆以及元器件等系统会受到外部的电磁干扰，这个时候就需要借助屏蔽来减弱这部分干扰，否则会影响整个系统的正常运转。本文主要目的是介绍屏蔽原理，理论结合实际，浅谈连接器常用的屏蔽结构、屏蔽元件、屏蔽的性能分析以及连接器屏蔽的一些计算分析，为日后连接器的相关新品设计中提供一些参考。

2 屏蔽原理

2.1 屏蔽分类

在电子设备中，有时需要将电力线或磁力线的影响限定在某个范围内，需要在某个给定的空间内防止外部的静电感应或电磁感应力的影响。在这种情况下，利用铜或铝等低电阻制成的容器，将需要隔离的部分全部包起来；或者用磁性材料制成的容器将它包起来。我们把防止静电或电磁的相互感应所采取的这些方法称之为屏蔽。屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用，抑制电磁噪声沿着空间的传播，具体实施方式是以导电或电磁材料制成屏蔽壳体(实体或非实体)，将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离。

按照屏蔽原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。

2.1.1 静电屏蔽

静电屏蔽主要是防止静电场的影响。它的作用是消除两个电路之间的由于电容的耦合而产生的干扰。另外，在两个导体之间放一个接地导体时，两个导体之间的静电耦合从而减弱，因此可以说接地的导体也具有屏蔽作用。

2.1.2 电磁屏蔽

电磁屏蔽的必要条件是屏蔽导体内流过高频电流，而且电流必须在抵消干扰磁通的方向上。(如果在垂直于电流方向上开缝，就没有电磁屏蔽效应)。

2.1.3 磁屏蔽

磁屏蔽主要用于低频，因低频时不是非常有效，故采用高导磁系数的材料进行屏蔽，以便将磁力线限制在磁阻小的磁屏导体内部，防止扩散到外部去。

2.2 实心材料的屏蔽效能

按照屏蔽原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。在设计中要想达到所需的屏蔽性能，需要先明确辐射源、屏蔽范围、再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择合适的屏蔽材料，设计屏蔽壳体[2]。

屏蔽体的屏蔽效能由两个部分组成，吸收损耗和反射损耗。当电磁波射入到不同媒质的分界面时，就会产生反射。反射的电磁波称为反射损耗，当电磁波在屏蔽体中传播时就构成了吸收损耗。屏蔽效能=吸收损耗(A)+反射损耗(R)+多次反射损耗(B)，如图1所示。

图1 金属板效能计算

2.2.1 吸收损耗A

吸收损耗是由电磁波的频率、屏蔽体的相对磁导率和相对电导率共同决定，单位是dB，表达式是：

(1)

式中，f为电磁波频率(Hz)，μr、σr为屏蔽体相对于铜的相对磁导率和相对电导率，t为屏蔽体壁厚(mm)。

由此可以得出：同一种屏蔽体，相对磁导率和相对电导率越大，吸收损耗越大，同时，屏蔽体的厚度越大，吸收损耗也越大。因此，当频率一定时，尽量选取相对磁导率和相对导电率越大的金属材料，在条件允许的情况下尽可能增加屏蔽体厚度，以提高其吸收损耗。

2.2.2 反射损耗R

反射损耗是由屏蔽体表面处阻抗不连续性引起的，平面波以dB为单位的表达式为：

R=168.1-10lg(μrf/σr)(dB)

(2)

由公式可以得出，电磁波频率越大，反射损耗越少。对于同一种材料而言，相对磁导率越小和相对电导率越大，反射损耗就越大。因此，频率一定时，尽量选择导磁率小、导电率大的材料以增加反射损耗。

2.2.3 多次反射损耗B

多次反射损耗是由电磁波在屏蔽体内反复碰到壁面所产生的损耗。当屏蔽体较厚或者频率较高时，屏蔽体吸收损耗较大，这样当电磁波在屏蔽体经一次传播后到达另一个分界面的时候已经衰减很多，经过多次反射，电磁波能量将会越来越小，一般在吸收损耗大于15dB，多次损耗可以忽略。当吸收损耗较小，此时多次损耗必须考虑。表达式为：

B=20lg(1-e-2t/δ)(dB)

(3)

式中，t为屏蔽体的厚度(mm)，δ为趋肤深度。

2.3 截止波导屏蔽效能

对于电磁波而言波导管是一种高通滤波器。波导管具有一定的频率，当电磁波的频率低于该截止频率时，电磁波不能穿过波导管，从而起到了屏蔽的效果。连接器中由于壳体需要设计定位用的键和键槽，键槽涉及到的波导形状为矩形，故本文仅讨论矩形波导的屏蔽效能。

式中，a为矩形波导宽边尺寸(cm)，低于截止频率的电磁波在波导中的衰减量为：

(4)

图2 截止波导管

根据电磁场理论，任何具有一定深度的孔缝隙都具有波导性质，这为连接器的插头插座的对接缝隙的屏蔽计算提供了理论基础。

2.4 缝隙的电磁泄漏

缝隙会引起电磁泄漏，这对连接器的屏蔽会产生负面的影响。因此，为了保证整机系统的屏蔽性能，必须要将缝隙控制在一定的范围内。

图3 缝隙泄漏

设金属屏蔽体上有一缝隙，间隙为g，板厚为t，入射波电场为E0，经缝隙泄漏到屏蔽体中的场为Ep,当g<10δ/3时，有：

Ep=E0e-πt/g

故SEp=20log(E0/Ep)=20π(t/g)loge=27.3t/g (dB)

(5)

图3 缝隙泄漏

2.5 各泄漏因素的屏蔽效能

设泄漏因素的屏蔽效能为：SEi(i=1,2,3，…n)

(6)

3 屏蔽结构

3.1 屏蔽簧片

屏蔽簧片多用于军品圆形连接器中，如Y27、YMA等系列。下图为连接器中常用的屏蔽簧片结构。屏蔽簧片需要满足以下条件：1)具有良好的回弹性，避免压缩后的永久变形；2)有良好的屏蔽性能，满足缝隙处对屏蔽性能的要求。因此军品连接器中屏蔽簧片大多选用铍青铜材质，常见的屏蔽簧片的结构如图4所示。

图4 常见的屏蔽簧片结构

3.2 导电橡胶垫

在较高的电磁屏蔽和需要水汽密封的场合往往需要用到导电橡胶垫，导电橡胶垫是在常规的橡胶件里面填充进导电颗粒，不同的使用环境对导电橡胶垫的要求也不一样，根据应用场合的不同，选择的导电颗粒也不同，如表1所示。

表1 导电颗粒的选择

不同导电颗粒的屏蔽效能也不一样，表2罗列出了不同材料对应的屏蔽效能。

表2 不同导电材料的屏蔽效能

3.3 连接器屏蔽结构

3.3.1 圆形连接器屏蔽结构

在圆形军品连接器中，屏蔽簧片是实现其屏蔽功能最为关键的零件，例如YMA系列连接器，其屏蔽簧片组装在插座壳体的内腔，当插头与插座对接插拔之后，使原本分立的外壳通过屏蔽簧片实现电气连接。屏蔽簧片壳体产生一定的压力，与外壳紧密接触，从而达到外壳之间的电连续性[3]。

图5 YMA屏蔽簧片外形尺寸图

图6 插座装配示意图

3.3.2 导电衬垫的使用

导电衬垫又称EMI衬垫，常用于电子设备的机箱缝隙处。军品圆形连接器中应用的也非常普遍，插座通过方形法兰固定安装在机箱面板上，此时方形法兰与机箱面板之间会有一定的间隙，为了减小此缝隙的电磁泄漏，往往在法兰和机箱之间安装导电方垫。导电方垫根据与机箱面板的相对位置分为前装和后装，如图7所示。

导电方垫前装 导电方垫后装

3.3.3 屏蔽性能分析

通过上述屏蔽元器件以及屏蔽结构的对比分析，利用导电方垫实现的屏蔽结构，能够很好地实现插头与插座插合后的电磁屏蔽，当导电方垫与壳体良好接触时，缝隙泄漏可以忽略不计。因此，屏蔽效能是由导电胶垫本身的屏蔽性能决定的。而使用屏蔽簧片的连接器之间还是存在一定的间隙，下面对使用屏蔽簧片的YMA系列连接器作详细分析。

连接器插头、插座插合后，插座将插头包裹，通过屏蔽簧片实现插头和插座壳体的电气导通，如图8所示。

图8 插头插座对接示意图

从图9可以看出，干扰信号可以从图示缝隙处向屏蔽体渗透，经过屏蔽簧片后最终进入到连接器内部。因此，连接器的屏蔽效能必须考虑三个方面：1)屏蔽簧片所处位置的屏蔽效能；2)插头壳体的屏蔽效能；3)插座壳体的屏蔽效能。由于插头和插座是通过屏蔽簧片实现良好的电气导通，故屏蔽效能所考虑的三个方面可以具体体现为：1)屏蔽簧片所处位置的屏蔽效能；2)屏蔽簧片最左侧插座的最弱屏蔽效能；3)屏蔽簧片最右测插座的最弱的屏蔽效能。

图9 插头插座对接局部放大示意图

通过对YMA系列的技术文件分析可知，屏蔽簧片所处的外壳最薄厚度为0.75mm；屏蔽簧片所在处插座外壳的最薄厚度为2.25mm。屏蔽簧片周围缝隙可以近似为矩形波导，即外壳定位导向键槽，根据强度和加工要求按图10给出初步计算。

图10 对接缝隙示意图

3.3.3.1 键槽屏蔽效能

从图10可以看出，连接器键槽形成五个近似波导，其屏蔽效能计算如下。

根据产品对接长度要求，插头外壳键槽深度9.5mm，近似波导长度9.5mm，波导宽边尺寸a1=2.5mm，a2=1.5mm，由矩形波导条件l≥3a得：

a1矩形波导截止频率：

a2矩形波导截止频率：

由式(4)分别计算，当干扰电磁波频率低于46.8GHz时，SE1=108.2dB；SE2=218.4 dB。

3.3.3.2 壳体金属屏蔽效能

下面就铝合金材料分别计算插头和插座在屏蔽簧片处最小壁厚下的屏蔽效能，并就镀层的屏蔽效能进行计算。

铝合金材料的相对导电率σr=0.61,相对磁导率μr=1；其在10HZ、1KHZ、10KHZ……、10GHz的吸收损耗A，反射损耗R和多次损耗B按公式(1)、(2)和(3)计算，屏蔽效能如表3所示(当A>15dB时，B可以忽略)。

表3 铝壳体外壳屏蔽效能计算

根据上述数值，在理想的连续金属导体下，壳体屏蔽随着频率增加可以达到很高的数值。但是实际上由于孔缝隙的存在，以及壳体的不连续性，屏蔽效能是有偏差的。

3.3.3.3 缝隙干扰泄漏

屏蔽簧片展开如图11所示，该结构会导致电磁泄漏。

图11 屏蔽簧片方案

根据公式(5)，SEp=27.3t/g，当缝隙宽度增加时，屏蔽效能下降；减小缝隙宽度，屏蔽效能增加。当缝隙按照0.4mm设计，厚度为0.3mm，SEp=20.5dB

3.3.3.4 系统的屏蔽效能

根据公式(6)，系统屏蔽效能在干扰频率100MHZ～1GHZ，系统电磁屏蔽效能最小为：

SE=-20lg(10-109/20+10-20.5/20+10-182925/20)=55.65 dB

按照YM企业标准的要求，在100MHZ～1GHZ时，最小的电磁衰减为60dB，通过上述的理论计算，可以证明YMA的屏蔽簧片以及壳体的设计能够满足企业标准的要求。

4 结束语

本文重点介绍了屏蔽的原理以及几种损耗的形式，并结合军品圆形YMA系列连接器为实例进行电磁屏蔽的计算，旨在为新品设计的开发提供电磁屏蔽的参考。