抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究

王 威，徐抒巖，楊 絮

（1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 130039；3. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 電信學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究

王 威1,2，徐抒巖1，楊 絮3

（1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 130039；3. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 電信學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

本文詳細(xì)分析設(shè)備中存在的電磁干擾，首先采用盒狀設(shè)計(jì)方法，要求箱體表面縫隙的直線(xiàn)尺寸要小于干擾電磁波波長(zhǎng)的1/4，箱體的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)成波導(dǎo)管的形狀，對(duì)欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減。然后，通過(guò)軟件仿真得到箱體屏蔽效能曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行EMI輻射測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值，驗(yàn)證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

電磁干擾；屏蔽技術(shù)；仿真；測(cè)量

0 引言

箱體屏蔽是抑制電磁干擾（EMI）的重要手段，主要針對(duì)輻射的電磁干擾進(jìn)行抑制。對(duì)于裝在箱體內(nèi)的電子學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要通風(fēng)散熱，要顯示電壓電流值、顯示運(yùn)行狀態(tài)，那么通風(fēng)孔、安裝表計(jì)及外部連接器需要在鋼板上開(kāi)孔，箱體上留下縫隙，就會(huì)破壞完整的密封屏蔽，由此引起的屏蔽性能的下降。通過(guò)設(shè)備箱體的屏蔽設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的屏蔽性能，要求設(shè)備箱體抑制EMI能力達(dá)到GJB151A-97 RE102標(biāo)準(zhǔn)限值。

1 屏蔽技術(shù)分析

屏蔽是以某種導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧现瞥傻钠帘误w將敏感器件或區(qū)域封閉起來(lái)，形成電磁隔離，達(dá)到阻斷或減少電磁能傳播的一種技術(shù)，是抑制電磁干擾的措施之一。屏蔽抑制的是以場(chǎng)的形式沿空間傳播的干擾，它是一種雙向抑制的技術(shù)，既可以限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏，又可以防止外部輻射干擾進(jìn)入。

電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為：

1）電場(chǎng)屏蔽，包含靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽；

2）磁場(chǎng)屏蔽，磁場(chǎng)屏蔽包含低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽；

3）電磁場(chǎng)屏蔽，既是前兩種的總和。

1.1 電磁干擾的屏蔽效能

屏蔽效能是用來(lái)描述屏蔽體的好壞的指標(biāo)。它表現(xiàn)了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。由于屏蔽體通常能將電磁波的強(qiáng)度衰減到原來(lái)的1/100至1/10000，因此通常用分貝來(lái)表述[1]。

設(shè)備箱體的屏蔽效能計(jì)算示意圖如圖1所示。

1）設(shè)備箱體的屏蔽材料吸收部分電磁波，形成吸收損耗；

2）電磁波在設(shè)備箱體內(nèi)發(fā)生反射，減小了電磁波的強(qiáng)度。反射后衰減的電磁波稱(chēng)為反射損耗。

根據(jù)SE＝R＋A＋B

其中，SE為屏蔽效能，A為吸收損耗，R為反射損耗，B為多次反射損耗。

上式中

出于分析的角度，利用式（1）來(lái)計(jì)算位吸收損耗：

式中f為頻率（Hz），mr為屏蔽體材料相對(duì)于銅的相對(duì)磁導(dǎo)率、sr為屏蔽體材料相對(duì)于銅的相對(duì)電導(dǎo)率， m0＝4p×10－7H/m為常數(shù)，s0＝5.82×10－7/ W ·m為常數(shù)，l為壁厚（cm）。

1.2 箱體屏蔽材料的特性及其結(jié)構(gòu)選擇

圖1 屏蔽效能計(jì)算示意圖

由磁屏蔽理論可知，磁屏蔽是利用由高導(dǎo)磁材料制成的磁屏蔽體來(lái)構(gòu)成的，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽體上來(lái)分流，達(dá)到屏蔽的目的。磁導(dǎo)率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據(jù)。

通常磁性材料分為：

1）弱磁性材料，包括順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)，其特點(diǎn)是相對(duì)磁導(dǎo)率產(chǎn)mr＝1，B與H是線(xiàn)性關(guān)系，mr在任意頻率的環(huán)境中，始終保持常數(shù)；

2）強(qiáng)磁性材料：鐵磁性物質(zhì)，其特點(diǎn)是B與H為非線(xiàn)性關(guān)系，頻率增高，磁導(dǎo)率mr降低。

屏蔽效能除了與屏蔽材料直接相關(guān)外，與屏蔽體結(jié)構(gòu)也相關(guān)。

電屏蔽結(jié)構(gòu)，影響電屏蔽的一個(gè)重要的因素就是分布電容C，減小C就能提高屏蔽效能。因此一般情況下，電屏蔽體的形狀最好設(shè)計(jì)成盒形，盒形結(jié)構(gòu)通常包括單層蓋結(jié)構(gòu)盒雙層蓋結(jié)構(gòu)，根據(jù)要求屏蔽的程度不同來(lái)選擇。

磁屏蔽結(jié)構(gòu)，磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)磁通進(jìn)行分流，因而大多采用盒狀、筒狀或柱狀的結(jié)構(gòu)。由于磁阻與磁路的橫截面積 和磁導(dǎo)率成反比，因而磁屏蔽體的體積和重量都比較大。若要求較高的屏效時(shí)，一般采用雙層屏蔽，此時(shí)在體積重量增加不多的情況下，能顯著提高屏蔽效能。

電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)干擾電磁波的吸收、反射來(lái)達(dá)到減弱干擾能量作用的。因此，電磁屏蔽可采用板狀、盒狀、筒狀、柱狀的屏蔽體。

1.3 不完整屏蔽對(duì)屏蔽效果的影響

1.3.1 縫隙影響

如圖2所示，設(shè)在金屬屏蔽體中有一無(wú)限長(zhǎng)的縫隙，其間隙距離為g，屏蔽板的厚度為t，入射電磁波的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0，泄漏到屏蔽體中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hp，當(dāng)趨膚深度d＞0.3g 時(shí)，可以得到Hp＝H0-ptg。由上式分析可以知道，當(dāng)縫隙較窄較深時(shí)(亦即t較大，g較小)，磁場(chǎng)泄漏就小，反之就大。磁場(chǎng)通過(guò)這個(gè)縫隙的衰減為

公式（2）只是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化和抽象，縫隙所帶來(lái)的泄漏比較復(fù)雜，它與縫隙的寬度、板材的厚度，縫隙的數(shù)目以及波長(zhǎng)等都有密切關(guān)系。干擾的頻率越高，縫隙的泄漏越嚴(yán)重，特別是當(dāng)縫隙的直線(xiàn)尺寸接近波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生天線(xiàn)效應(yīng)，嚴(yán)重地破壞屏蔽體的屏蔽效果。

圖2 無(wú)限長(zhǎng)縫隙示意圖

1.3.2 通孔影響

由于通風(fēng)及其安裝固定各種附件的需要，可能會(huì)在在屏蔽結(jié)構(gòu)上開(kāi)有圓形或矩形的孔洞，電磁波會(huì)通過(guò)這些孔洞產(chǎn)生泄漏。

設(shè)屏蔽板上有若干個(gè)孔洞，包括圓孔和方孔，孔的面積為S，屏蔽板面積為A，當(dāng)A遠(yuǎn)大于S的時(shí)候，亦即圓孔的直徑或方孔的邊長(zhǎng)比波長(zhǎng)小很多時(shí)，通過(guò)孔洞泄漏的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp為

若屏蔽板上有n個(gè)孔，則總的泄漏磁場(chǎng)強(qiáng)度為

結(jié)合上述幾個(gè)公式可得泄漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。

在實(shí)際情況下，金屬屏蔽板后側(cè)電磁波總的透射系數(shù) 應(yīng)為金屬屏蔽板本身的透射系數(shù)TS與孔洞電磁波的透射系數(shù)之和，即

其中

因此總的屏蔽效能為

2 屏蔽體通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使屏蔽體在開(kāi)了若干通風(fēng)孔以后，不但能保證良好的通風(fēng)散熱，而且能保證屏蔽效能不下降，其基本出發(fā)點(diǎn)在于，將每個(gè)通風(fēng)孔設(shè)計(jì)成對(duì)欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減波導(dǎo)管的形狀[2]，如圖3所示。

圖3 波導(dǎo)管形式的通風(fēng)孔截面圖

2.1 箱體通風(fēng)窗的實(shí)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通用通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)是直接在屏蔽體壁上開(kāi)孔，如圖4所示。每個(gè)通風(fēng)孔直徑為d，相鄰?fù)L(fēng)孔間矩為d，相鄰?fù)L(fēng)孔間矩為c，通風(fēng)孔形成的通風(fēng)窗口(孔陳列)的邊長(zhǎng)為l，屏蔽壁厚為t，則該窗口對(duì)磁場(chǎng)的總屏蔽效能為

圖4 實(shí)壁開(kāi)孔通風(fēng)示意圖

2.2 箱體通風(fēng)窗的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備箱體的實(shí)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于電磁屏蔽存在兩個(gè)問(wèn)題：

1）實(shí)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足形成衰減器的條件，要求t大于d，即要求箱體的壁厚大于開(kāi)孔的孔徑。要求孔徑小于l/4；

2）如果在設(shè)備箱體上直接開(kāi)通風(fēng)孔，那么灰塵會(huì)通過(guò)通風(fēng)孔進(jìn)入箱體內(nèi)，污染電子學(xué)系統(tǒng)，甚至可能導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生。蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通風(fēng)窗可以避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

綜合上述兩種原因，本設(shè)備箱體選擇蜂窩結(jié)構(gòu)的通風(fēng)窗設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的屏蔽效果。

2.3 箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針為避免設(shè)備箱體內(nèi)的電子學(xué)系統(tǒng)的元器件工作時(shí)溫度高，必須在箱體采用蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通風(fēng)窗，為元器件進(jìn)行通風(fēng)散熱。根據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)的干擾電磁波波長(zhǎng)，在箱壁處開(kāi)圓孔直徑為5mm，那么對(duì)波長(zhǎng)小于20mm的電磁波起到完全屏蔽。為了進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽效果，在箱體內(nèi)壁加一層孔徑為0.5mm的金屬網(wǎng)，同時(shí)又能達(dá)到散熱的目的。把邊界設(shè)置為輻射邊界時(shí)，加固箱體距輻射邊界的距離為求解頻率波長(zhǎng)的1/4。如圖5所示。仿真求解頻段為0.1 GHz～1GHz；求解步長(zhǎng)為0.02GHz；求解迭代步數(shù)為50次；求解精度為0.02。采用離散掃描。首先提取通風(fēng)板正前方8mm處的泄漏電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)值E1；去掉屏蔽殼體后再提取相應(yīng)點(diǎn)的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值E2；對(duì)比兩次場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果，得到箱體的屏蔽效能

圖5 加固箱體的邊界設(shè)置示意圖

圖6為仿真得到的屏蔽效能曲線(xiàn)。表1為屏蔽效能具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 加固箱體屏蔽效能仿真結(jié)果曲線(xiàn)

表1 加固箱體屏蔽效能仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

3 EMI測(cè)量結(jié)果

3.1 測(cè)試框圖

測(cè)量來(lái)自設(shè)備及其有關(guān)電線(xiàn)、電纜的電場(chǎng)輻射發(fā)射，EMI測(cè)試框圖如圖7所示。

圖7 EMI測(cè)試框圖

3.2 測(cè)試過(guò)程描述

試樣件放在屏蔽室內(nèi)的測(cè)試圓臺(tái)上（圓臺(tái)上覆有接地銅皮），在距試樣1m處，分別架設(shè)有源棒狀天線(xiàn)（10kHz～30MHz）、雙錐天線(xiàn)（30MHz～200MHz）、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)（200MHz～1GHz）和雙脊喇叭天線(xiàn)（1GHz～18GHz）， 在30MHz～18GHz測(cè)試頻段，進(jìn)行天線(xiàn)的水平極化和垂直極化方式測(cè)試。用ESI40接收機(jī)監(jiān)測(cè)試樣及有關(guān)電纜的電場(chǎng)輻射發(fā)射[3]。

3.3 測(cè)試曲線(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院光電研究院EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，圖8是天線(xiàn)垂直極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲線(xiàn)（10kHz～1GHz），圖9是天線(xiàn)水平極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲線(xiàn)（10kHz～1GHz），圖10是天線(xiàn)水平極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲線(xiàn)（1GHz～18GHz）。

圖8 10kHz～1GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)（天線(xiàn)垂直極化）

圖9 10kHz～1GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)（天線(xiàn)水平極化）

3.4 測(cè)試結(jié)果

受試件10kHz～18GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試，未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值，該項(xiàng)測(cè)試通過(guò)。

4 結(jié)論

圖10 1GHz～18GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)（天線(xiàn)水平極化）

本文詳細(xì)分析設(shè)備的電磁干擾源、結(jié)構(gòu)的縫隙和通孔的影響，選擇合適的屏蔽材料，建立設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)模型，仿真實(shí)驗(yàn)得到了設(shè)備較好的屏蔽效能曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；并按GJB151A-97要求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行EMI輻射測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值，驗(yàn)證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Research on the shielding technology for EMI suppression

WANG Wei1,2, XU Shu-yan1, YANG Xu3

TN492

B

1009-0134(2011)5(下)-0071-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).21

2010-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60507003）

王威（1978－），男，河南駐馬店人，副研究員，研究生，主要從事電源和EMC設(shè)計(jì)工作。