电磁屏蔽结构设计实用技术

4.1电磁干扰和电磁兼容4.2机箱、机柜的电磁屏蔽4.3机箱、机柜的接地4.4机箱、机柜的搭接4.5布局、布线和接插电磁屏蔽结构设计实用技术电磁干扰和电磁兼容●电磁兼容（EMC）概述▲设备或分系统在电磁环境中能正常工作。▲不对该环境中的其它设备构成不能承受的电磁骚扰。、分系统或系统发生电磁危害，▲是继水质、大气、噪声污染后的第四大污染。▲设备应满足GJB151A、GJB152A、GJB1389A对系统、分系统或设备的电磁兼容考核要求。▲设备结构应满足IEC61587－3《机柜、机架和插箱的电磁屏蔽性能试验》要求。降低或失效，即称为电磁骚扰源。然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称电磁干扰三要素骚扰源耦合途径敏感设备电磁兼容设计的依据电磁兼容设计抑制切断防护图4－1电磁干扰三要素电磁干扰和电磁兼容●电磁干扰的传播▲传导干扰：传导是骚扰源与敏感设备之间的主要骚扰耦合途径之一。——传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线等导线,以及屏蔽体、接地导体等导体进行传播。——解决传导耦合的办法是在骚扰进入敏感电路之前用滤波方法从导线或导体上除去骚扰。▲辐射干扰：——通过空间传播的电磁骚扰。电源电路、输入/输出信号电路、控制电路、外壳流过高频电流等导线在一定条件下都可构成辐射天线。靠近的骚扰源的线缆干扰，基本属近区感应耦合。——感应场区可分为电容耦合和电感耦合两种状态。电磁干扰和电磁兼容●电子设备电磁兼容性设计的技术要点▲优化信号设计：优化信号波形，减小有用信号的最小占有带宽，以减小干扰。▲完善线路设计：设计自身发射小、抗扰能力强的电路。▲屏蔽：用屏蔽体将干扰源包封，防止电磁场外泄布局（主动屏蔽）；或用屏蔽体将感受器包封，以免受外界电磁场的影响（被动屏蔽）。▲接地与搭接：不管是否与大地有实际连接，只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位，就通称为接地。▲滤波：抑制传导干扰。借助抑制元件，将有用信号频谱以外不希望通过的能量加以抑制。▲合理布局：使设备内部相互干扰减至最小，而费用增加不多。电机电器芯片SMD印制板电缆互连线连接器建筑室内机箱信号地电源地搭接材料厚度机箱衬垫通风板显示窗屏蔽室输入/输出电源线信号线反射式吸收式铁氧体元器件电磁兼容设计有源器件布线接地屏蔽滤波图4－2系统内电磁兼容设计4.2机箱、机柜的电磁屏蔽4.2.1缝隙屏蔽4.2.2孔洞屏蔽4.3.3屏蔽材料及其安装4.4.4屏蔽结构方案案例机箱、机柜的电磁屏蔽●概述屏蔽技术用来抑制电磁骚扰沿空间的传播，即切断辐射骚扰的耦合途径。电磁骚扰沿空间的传播是以电磁波的方式进行的，可分为近场区和远场区。●机箱、机柜屏蔽方案的选择▲机柜屏蔽：屏蔽体上缝隙开口比较多，成本比较高，且屏蔽效能不可能做得很高。▲插箱屏蔽：可采用连接器直接出线，屏蔽电缆的进出口。机箱、机柜的电磁屏蔽通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮●机箱、机柜屏蔽体上的电磁泄漏源（图4－3）实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等电源线缝隙机箱、机柜的电磁屏蔽●屏蔽设计原则▲孔缝尺寸接近半波长的整数倍时，电磁泄漏最大，高频时特别应做好孔、缝屏蔽，要求缝长或孔径小于:/（10~100）。▲壳体屏蔽效能指标。应据所处电磁环境工作频率范围区别对待。其期望值为：——10kHz低频磁场屏蔽效能≥30dB——10kHz～10GHz电磁屏蔽效能≥60dB▲屏蔽要求高的单元，如功率发射部件、敏感接收部件，应在壳体内部采用第二层屏蔽措施。▲插箱内印制板组件间的近场耦合较强，宜用双面地网式接地印制板作屏蔽及导热板。机箱、机柜的电磁屏蔽●机箱、机柜等屏蔽体屏蔽效能的期望值▲结构设计中的所谓30dB和70dB准则：——屏蔽体要提供30dB是比较容易的。——当发射源的发射电平与设备的敏感度门限之差小于30dB，设计初期可不考虑专门的屏蔽措施。——当发射源的发射电平与设备的敏感度门限超过70dB时，必需有周密的结构设计、严格的工艺保障、完善的滤波和接地系统。——高屏蔽效能要求，导致高成本；随时间的推延，屏蔽效能会劣化。——在方案阶段就对设计电平及结构布局作出调整，而不是单纯强调提供屏蔽体的屏蔽效能。机箱、机柜的电磁屏蔽▲目前广为应用的各种屏蔽辅助材料，如导电衬垫、屏蔽网板、屏蔽玻璃、屏蔽电缆、射频接插件等的屏蔽效能，一般在60～70dB，甚至更低。▲低频磁场屏蔽效能难以做得很好，例如，双层钢板磁屏蔽，在50Hz时大约只能有20dB～30dB。●双重屏蔽：可提高设备的性/价比和抗腐蚀性。▲如单层机壳达不到屏蔽要求，可在壳内再对高电平单元或低电平单元，机箱第二重屏蔽。▲第二重屏蔽体内电路的工作，可以通过外面的低频（或直流）信号控制，或通过键盘、轨迹球等深度实施控制。机箱、机柜的电磁屏蔽●缝隙屏蔽设计要求▲拼装式屏蔽壳体尽可能采取无缝隙结构或焊接结构，不用或少用可拆卸式压接缝及开启式的活动缝。▲缝隙接触表面应有良好导电性，机体金属应裸露或作导电涂覆，涂覆后电阻应在豪欧级。▲对可拆卸式压接缝，须在接缝处填入射频导电衬垫，采用有效结构措施，确保缝隙电接触的连续性。▲活动式缝隙优选具有机箱限位功能的挤压式导电衬垫；对门侧的铰链应机箱搭接。机箱、机柜的电磁屏蔽●壳体接缝的屏蔽▲金属体直接接触的缝隙：采用紧固点（螺钉、铆钉、点焊）连接。工艺简单、成本低。是首选。——紧固点间的最大间距：间距大于λ/4，就会有缝隙泄漏。减小间距有助于提高屏蔽效能。——加大缝隙深度：将搭接边的宽度加大到厚度的10倍。单排紧固时缝隙深度30mm，屏蔽效能差别就不明显；一般，缝隙宽度可取15～25mm。——可用迷宫式或嵌入式结构，增加缝隙深度。——提高连接件的刚性、接触面表面的平面度和螺钉的压紧力，可提高连接接触，减少缝隙泄漏。——采用双排紧固，宜将两排紧固点错开分布。机箱、机柜的电磁屏蔽▲通过导电衬垫接触的缝隙：对可拆卸式或活动接缝，或受条件限制不允许有太多紧固点时，可在缝隙处安装屏蔽材料。——影响屏蔽效能的因素：电磁波特性；零件与屏蔽材料间的接触阻抗；屏蔽材料的电导率。——接触阻抗越小，屏蔽效能越高。应选用导电性良好的屏蔽材料、采用合适的安装形式，对屏蔽材料施加足够的压缩量，以获得屏蔽材料与零件之间较低的接触阻抗。——导电衬垫的选用要综合考虑：屏蔽、防腐蚀、可维修性等要求。机箱、机柜的电磁屏蔽电磁密封衬垫缝隙图4－4缝隙屏蔽机箱、机柜的电磁屏蔽▲图4－5导电衬垫的安装：机箱、机柜的电磁屏蔽●箱柜常用屏蔽材料▲导电布（化纤镀金属导电布）：有半（椭）圆形、腰圆形、矩形、方形、C形等。C形常用于机柜门、插箱门等需要较大压缩量的屏蔽场合。▲可压缩的编织金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)：例如用于屏蔽电缆夹线结构。——优点：弹性大（所需压力小），接触点多，可在多种厚度和弹性度变形条件下使用，还可与氯丁橡胶、硅橡胶配合使用。——缺点：不宜在薄片状态下应用（难以制成复杂的形状），厚度必需在1mm以上，大多数抗腐蚀效能差。机箱、机柜的电磁屏蔽▲接触簧片(铍青铜)：有指形、C形等多种截面——适合于滑动接触。——常用于插箱、插件、机柜、钣金面板的屏蔽。——安装结构不良时易损坏，接触面较少。——簧片应安装在一个凹入的或内侧凸缘内，以减少受到机械损伤的可能性。▲导电橡胶(有不同导电填充物)：——优点：可实现导电性和流体密封的组合。——缺点：几乎无插入损耗，射频性能较差。——有圆形、D形、环形等。异形用于室外机柜密封，既可防水，也可以屏蔽。▲软金属：在小尺寸情况下，价格最低；受冷变形，弹性差。机箱、机柜的电磁屏蔽▲螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)——优点：沿螺旋弹簧轴线方向即使只加0.2g/cmd压力，仍保证导电性，弹簧直径可大到5cm。——缺点：对薄板状态的接缝不适用（许多复杂形状不能制作）振动冲击时电接触性能不稳，目前，最小直径只能做到0.86mm。▲在硅橡胶里定向排列的金属线：——优点：对射频和流体起组合密封作用，如果金属线末端是锐利的，则能有效地戳破防护层。——缺点：在同样效果的衬垫中，它的尺寸可能较大。机箱、机柜的电磁屏蔽▲用氯丁橡胶灌装过的铝屏蔽网：——优点：导电性和流体的密封组合，是最薄的衬垫，可以切割成复杂的形状。——缺点：弹性特别差（法兰所需压力高）。▲带戳孔的黄铜或铍铜合金：最容易刺穿防护膜；实际没有弹性，一般不能重复使用。▲导电纸：导电纤维与木浆混合制成，可贴于塑料机壳内，在10～1000MHz，屏蔽效能为30～40dB。▲导电漆：喷涂固化后，表面电阻小,长期工作温度可达－5～90℃。用于塑料件盒体屏蔽。▲导电胶图4－6螺旋管电磁密封衬垫图4－7编织网屏蔽衬垫图4－8金属丝屏蔽条图4－9编织网屏蔽衬垫图4－10屏蔽簧片图4－11屏蔽簧片图4－12导电布电磁衬垫图4－13导电布机箱、机柜的电磁屏蔽●壳体孔洞屏蔽要求▲在1MHz～100MHz频率范围内，壳体上各种孔洞的电磁屏蔽性能应大于60dB。▲孔洞优选穿孔金属板或金属板作屏蔽材料，网眼孔洞大小应根据屏蔽体的屏蔽范围选取。安装时，屏蔽材料应与屏蔽体具有连续稳定的电连接。▲需屏蔽100MHz以上的电磁泄漏时，壳体上的孔洞应采用截止波导窗；波导窗单个孔眼的最大横向尺寸应小于最短抑制波长的1/5。波导窗与屏蔽基体连接的周边不得留下泄漏缝，并应有连续稳定的电连接。▲对于需要防止信息泄漏的观察窗、显示器，应用100目以上的夹网屏蔽玻璃屏蔽电磁辐射。▲出入壳体的通气、通水金属管道，不能直接贯通壳体壁面，应先在壳体外入口处接入绝缘转接头，再将贯通管道与机壳壁板焊接或可靠电连接。▲截止波导式的贯通孔内，不得穿过金属管线。机箱、机柜的电磁屏蔽●壳体孔洞的屏蔽▲丝网和穿孔板遮蔽，在一定工艺保证条件下，仍有采用价值。▲尽可能以一组小孔（如φ6mm以下），取代大面积孔口，切忌开长条孔。▲在孔口遮盖金属网时需注意，普通编织金属丝网的网线交叉点电接触是不可靠的，会因氧化、腐蚀等原因，使屏蔽性能逐步下降。常规室内环境中，下降值可达－6dB/年。▲波导通风窗因其在微波波段屏蔽性能好，而且风阻远小于丝网或穿孔金属板而予以采用。机箱、机柜的电磁屏蔽图4－14截止波导结构机箱、机柜的电磁屏蔽▲图4－15正确和不正确的屏蔽穿线孔示例为了进行机械和电气连接，需在设备封壳上开一些孔。机箱、机柜的电磁屏蔽图4－16表头孔和钮子开关的防泄漏安装机箱、机柜的电磁屏蔽▲通风口屏蔽：通常用穿孔金属板（板上开阵列孔）。——板的孔隙率在30～60％，可满足一般电子设备的需要；屏蔽性能一般在10～30/1GHz。——影响穿孔板屏蔽性能的最主要的以上是开孔最大尺寸。▲局部开孔屏蔽：指数量不多的开孔，如光纤出线孔、指示灯、拨码开关、调测孔、观察孔等。——开孔最大尺寸小于波长的1/20，屏蔽性能为20dB。——开孔最大尺寸小于波长的1/50，屏蔽性能为30dB。——示例：要求屏蔽性能为20dB/1GHz(波长为300mm)，局部开孔最大尺寸应小于15mm。机箱、机柜的电磁屏蔽●塑料件屏蔽▲有两种方案：内侧喷涂导电漆或内衬薄金属片。▲喷涂导电漆用于屏蔽性能小于15dB/1GHz场合。推荐选用Ag/Cu颗粒导电漆，其性价比较合适。▲塑料盒体与盒盖间接缝的屏蔽：——方式1：盒体盒盖利用塑料件自身弹性保证缝隙接触，通过几个螺钉连接。简便，但难于保证缝隙的可靠接触，屏蔽性能不超过10dB/1GHz。——方式2：接缝处增加屏蔽材料，在盒体盒盖压紧后提供良好的屏蔽效果。其性价比良好。——方式3：盒体内侧固定的不锈钢片与盒盖（已喷涂导电漆）的内侧接触。屏蔽性能可达20dB/1GHz。机箱、机柜的电磁屏蔽图4－17塑料盒体盒盖缝隙常用屏蔽形式图4－18屏蔽（导电）与防水（不导电）分开（空间紧张时，二者可做在一根橡胶条上，一半导电，另一半不导电。）▲两个机箱之间用屏蔽电缆连接时，为使两个机箱之间的电位差尽量小,机箱与电缆屏蔽层之间的接续方式很重要。当一个机箱上发生100