某型艦載機箱電磁屏蔽的結(jié)構(gòu)工藝設計*

龔雅娟 胡 遠

(中船重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

1 引言

隨著艦船內(nèi)電子系統(tǒng)和設備數(shù)量的急劇增多和設備性能的不斷提高(功率增大、頻率提高、頻率范圍邊寬等),電磁環(huán)境變得越來越復雜,電磁干擾也變得越來越嚴重,這就對我們的系統(tǒng)和設備提出了更嚴格更詳細的要求,也使得電子設備抗干擾性能的研究成為現(xiàn)代及未來電子設備設計、研制急需解決的問題。電磁屏蔽是抑制電磁干擾的重要技術。加固機作為一種電子設備,對產(chǎn)品的電磁屏蔽有很高的要求。下面通過電磁屏蔽理論分析和研究,提出如何在結(jié)構(gòu)工藝上保證機箱的電磁屏蔽性和抑制電磁干擾的有效措施。

2 整機結(jié)構(gòu)

電磁干擾主要通過傳導、輻射和耦合進行傳播,為了提高屏蔽效能,盡量使各屏蔽板保持電氣的連續(xù)性,安排好信號接地和安全接地,以便控制從底板和機殼的輻射泄漏。我們研制的設備采用加固機的結(jié)構(gòu)形式,由面板組件、箱體、后罩組件、上下蓋板組成。箱體由LF21型防銹鋁合金釬焊成形,腔體由屏蔽板分成左、右兩個腔,設備電源布置在機箱的右側(cè),并采取濾波和屏蔽措施;將印制板模塊按頻率高低布置于機箱的左側(cè)。顯示屏、開關指示燈等布置在前面板上,后面板上則布置有插座、信號地、保護地和軸流風機。通過具體的結(jié)構(gòu)設計,實現(xiàn)了電器元件的合理布置、安裝,提供了必要的結(jié)構(gòu)支撐和加固,保證了電氣性能指標的要求。

3 屏蔽設計

3.1 設計目標

艦載加固機箱的正常使用要能適應海軍水面、水下及地面電磁環(huán)境。因此,其電磁兼容性應能滿足GJB151A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求的規(guī)定,能夠通過CE101、CE102、CS101、CS114、RE101、RE102等電磁兼容試驗項目。

3.2 屏蔽理論及分析

3.2.1 概念

屏蔽是利用導電或?qū)Т挪牧蠈㈦姶拍芰肯拗圃谝欢臻g范圍內(nèi)的抑制輻射干擾的一種有效措施。屏蔽體的有效性是用屏蔽效能來度量的。屏蔽效能定位為在電磁場中同一地點沒有屏蔽存在時的電場強度E1與有屏蔽時的電場強度E2的比值,它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度,其單位是dB。用公式表示即為:

屏蔽效能越高,每增加20dB的難度就越大,軍用設備的機箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。

3.2.2 理想屏蔽體的屏效原理

實心金屬板屏蔽的基本原理是:當輻射場通過屏蔽體時一部分 RF能量是被屏蔽機殼的表面反射回去,一部分在穿透屏蔽體的過程中被吸收了,其余的能量穿透屏蔽體進入另一側(cè)。在頻率較高時(f＞10MHz),理想屏蔽體的屏效計算公式為:

式中:A為吸收損耗,電磁波通過屏蔽體產(chǎn)生的熱損耗引起的;R為反射損耗,由于屏蔽體的阻擋,一部分入射波又返回到原傳播空間;B為多次反射修正系數(shù),在吸收損耗大于10dB時,可以忽略。t為金屬板的厚度(mm);f為頻率(Hz);μr和σr為金屬相對于銅的磁導率;σr為金屬相對于銅的電導率。

計算鋁制密閉機箱的理想屏效,取其壁厚為2.5mm,可以得到屏效為在30MHz時為1492dB,在60MHz時為 2069dB,在 100MHz時為 2638dB,在300MHz時為 4511dB,在 500MHz時為 7313dB,在1000MHz時為8164dB?？梢姛o縫鋁制屏蔽體的屏效高達一千分貝,遠遠大于任何電子設備所需的屏效,因此我們研制的加固機箱多選用鋁材。

3.2.3 泄漏點

實心型屏蔽理論是把屏蔽金屬板或封閉的屏蔽盒看成是電氣上連續(xù)、均勻、無孔隙的無限平面,這種理想的屏蔽體實際是不存在的。電子設備的機箱上通常有電源線、信號線、控制線等出入孔,出于操作、調(diào)節(jié)、顯示、通風散熱等目的,還需在機箱的相應部位開孔。機箱又是由箱體和面板等構(gòu)成的組合體,各部分的連接處難免有縫隙存在。所有這些都會造成電磁能量的泄漏,降低機箱的屏蔽效能。故機箱內(nèi)的泄露點可能存在于以下部位:上、下蓋板與釬焊箱體的交接面、插座與面板、后板接觸面部位、風扇通風口、顯示屏窗口處等。

3.3 工藝設計

3.3.1 縫隙的屏蔽

一般情況下,屏蔽機箱上不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸。前面的計算是假設屏蔽體是完整的,理想化的,除了低頻磁場屏蔽之外,這些屏蔽體都能提供高達90dB的屏蔽效能,但實際應用中,大多數(shù)屏蔽體都是不完整的,最常見的不完整情況是存在縫隙,或者是焊接中的疏忽,或者是門、蓋板存在的縫隙。這些矩形縫隙實際上相當一個縫隙天線,當其長度等于1/2波長,產(chǎn)生的輻射最大。兩搭接面因粗糙面不平所構(gòu)成的不連續(xù)縫隙長度應控制在毫米量級,從工藝角度來說應適當提高搭接面的平整度要求,并在接縫處涂上導電涂料和填隙料以填補細微的不平整部位,改善金屬與金屬之間的電接觸。因此采用銑削對搭接面進行精加工,同時采用研磨、拋光等機械加工并以有機溶劑清潔把接縫配合表面上的潤滑油、機油、油漆、灰塵、氧化層及其他不導電的薄層除去。

我們研制的釬焊機箱,為保證配合尺寸、形位公差和表面光潔度要求,工藝上采用了在焊前留有一定工藝余量方法。即箱體焊接完成后,再通過整體機加工去除余量,并加工與上下蓋板配合的密封溝槽等關鍵配合尺寸,這樣既能保證箱體的各形位公差,又提高了箱體的表面光潔度。箱體與上下蓋板組裝時用導電涂填料劑將蓋板凸筋與箱體溝槽之間的縫隙填滿(見圖1)。使用導電襯墊接觸的金屬板(即圖1中的蓋板)要有足夠的剛度,否則在襯墊的彈力作用下會發(fā)生變形,產(chǎn)生新的不連續(xù)點,導致射頻泄漏。

3.3.2 開口的屏蔽

為了便于屏蔽對象(設備、單元電路和元器件等)的通風散熱,必須在屏蔽體上開設通風孔洞。電磁能量經(jīng)通風孔洞泄露,這是使屏蔽體屏蔽效能下降的又一重要原因。結(jié)構(gòu)設計通常采用覆蓋金屬絲網(wǎng)和用通風波導板作通風孔兩種措施。在工藝安裝金屬絲網(wǎng)時要求采用環(huán)形壓圈和緊固螺釘把金屬網(wǎng)安裝在通風孔上,且在安裝通風波導板時需要特別注意處理好其與安裝框架之間的縫隙。

圖1 釬焊機箱

顯示屏是電磁泄漏的主要渠道,設計一般要求安裝屏蔽效能高的屏蔽玻璃來處理顯示屏的電磁屏蔽,但往往屏蔽玻璃與面板的安裝不夠規(guī)范,導致顯示屏窗口仍然存在電磁泄漏。安裝屏蔽型窗口的方法與窗口本身所使用的材料一樣重要,都對窗口的整體屏蔽性能起著決定性的作用,不合理的安裝會大大減小高性能窗口的屏蔽效能。因此在安裝導電性窗口時,在窗口的金屬編織絲網(wǎng)與屏蔽殼體的導電安裝表面之間,必須沿整個窗口的邊界實現(xiàn)良好的電接觸,同時應該通過顯示屏或者壓框給其施加一定的壓力。具體操作如圖2所示。

圖2 顯示屏屏蔽玻璃安裝示意圖

屏蔽玻璃的四個邊角應留R3mm～R5mm的圓角便于安裝,周邊預留20mm絲網(wǎng)供接地用。安裝時在屏蔽玻璃四周的金屬絲網(wǎng)處涂導電膠確保屏蔽玻璃絲網(wǎng)與面板導電面良好接觸;特別注意將固定絲網(wǎng)與壓緊玻璃分開,必須保證玻璃不與機箱箱體剛性連接,需采取硅橡膠板進行緩沖;為保護導電面,金屬鍍膜玻璃(即導電面)需朝機箱內(nèi)部安裝。

3.3.3 接地

在電子設備中,接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段之一。接地的基本目的有兩個,一是為信號電壓提供一個零電位參考點,稱為信號接地,接地的另一個目的是為了安全,稱為安全接地。安全接地就是把設備的外殼利用低阻導體連至大地(且一定是接到大地),以防止人員觸及設備外殼時產(chǎn)生電擊事故。電磁兼容技術的接地屬于信號接地,它不一定利用導體接于大地。一般情況下,信號接地點與安全接地點不應為同一位置,否則信號端將會引入嚴重的干擾。信號地的安裝面是要求導電的,而安全地的安裝面是要求絕緣的,因此在安裝這兩種接地柱時要注意安裝面是否導電,且信號地的安裝面不允許有油漆涂層。裝配前必須清除連接面上的絕緣保護層和氧化層,并用有機溶劑(如酒精、四氯化碳等)將接觸面上的油垢及灰塵除去,以保證良好的電連接。

3.3.4 導電氧化涂覆層的工藝控制

機箱材料選用鋁板,沒有經(jīng)過表面處理的鋁表面會產(chǎn)生氧化物,使導電率下降,導致反射損耗降低。若進行陽極氧化處理,陽極氧化處理層的導電性很低,使反射損耗大幅度降低;若進行導電氧化處理,可以提高導電率。所以對鋁板進行導電氧化,提高反射損耗,增強屏蔽性能。導電面安裝不可靠、鋁合金導電氧化工藝處理后表面達不到導電要求以及表面氧化處理工藝不規(guī)范導致的銹蝕等問題,影響了機箱的導電性,因此需要加強這方面的工藝過程控制。

制造機箱所用的鋁合金前期加工都經(jīng)過了熱處理及焊接工藝,故工件表面形成一層油污燒結(jié)的焦化物,這層焦化物在有機溶劑中難以除凈,若浸泡在堿液中會引起局部腐蝕,產(chǎn)生麻點或造成凹凸不平,嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。故要先用濃硝酸浸泡的方法來松軟這層焦化物,待焦化物松軟后在堿液中稍加清洗即能徹底除凈。在對工件進行堿洗操作時,有盲孔、狹縫的部位往往有進入孔眼的殘留堿液未能沖洗干凈,氧化處理后堿液就會從孔眼中流出來,致使孔眼周圍的氧化膜遭到腐蝕。故進行堿洗操作后應加強對該部位的沖洗,并甩凈其中的殘留溶液。同時氧化時間也必須嚴格控制,若氧化時間過長,膜層厚度增加,不但會影響膜層的導電性能,膜層還會呈土黃色,顯得陳舊。因此工藝上必須對清洗過程、氧化時間等工藝參數(shù)進行嚴格地規(guī)定與控制。

4 結(jié)語

本文通過對艦載機箱的整體屏蔽設計分析,論證了縫隙、開口、接地和導電氧化方面對機箱電磁屏蔽性的影響,并提出了如何在工藝上抑制電磁干擾的有效措施。

對機箱完善的電磁兼容設計,單靠結(jié)構(gòu)設計人員考慮屏蔽、搭接等問題是不夠的,必須作到結(jié)構(gòu)設計人員、電路設計人員和工藝人員密切配合,在工藝上規(guī)范安裝操作方法以其滿足設計要求。電磁兼容設計是一個綜合性的系統(tǒng)工程,需要在具體的工作中結(jié)合實際進行合理的應用,并隨著應用的不斷深入進一步提高EMC設計技術。

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