屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)分析

周志近

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210046）

0 引言

為了滿足社會(huì)需求，現(xiàn)今的電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)都注重重量輕、體積小、厚度薄、功能強(qiáng)四大特征，這勢(shì)必引起電磁干擾、電磁輻射等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，因而現(xiàn)代高速數(shù)字電子元器件的快速數(shù)字傳輸和邊沿速度常常需要使用屏蔽來(lái)滿足EMI規(guī)范和其他設(shè)計(jì)要求，不同產(chǎn)品的屏蔽和EMI防護(hù)要求也是不同的。

屏蔽的目的，一是利用金屬屏蔽體將元器件、線路、連接器或整個(gè)電路系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散;另一方面用金屬屏蔽體對(duì)接收電路、敏感器件、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。因?yàn)槠帘误w對(duì)來(lái)自導(dǎo)線、電纜、元器件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能［1］。

因此為了保護(hù)PCB系統(tǒng)的電磁干擾，通常采用屏蔽機(jī)箱進(jìn)行電磁屏蔽。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于客觀原因的存在，機(jī)箱存在以下缺陷，在屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)，需要加以考慮:（1）機(jī)箱的表面需要開(kāi)孔以及縫隙，為PCB系統(tǒng)提供散熱等;（2）機(jī)箱有許多用于設(shè)計(jì)目標(biāo)（信號(hào)的出入）的貫穿槽;（3）電纜上的共模電流;（4）機(jī)箱材料;（5）導(dǎo)電襯墊材料的性能。

下面就屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的各種因素做詳細(xì)分析并依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)給出一些實(shí)際性數(shù)據(jù)。

1 機(jī)箱材料的選擇設(shè)計(jì)

理想的屏蔽機(jī)箱應(yīng)該是由金屬或噴涂導(dǎo)電材料的面板組成的金屬籠。在高頻下，通常金屬材料會(huì)有一定的集膚深度，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的衰減，有助于提高屏蔽效率。使用這樣理想的屏蔽機(jī)箱，所有耦合到機(jī)箱壁上的寄生電流，比如共模電流，會(huì)被限制在機(jī)箱的內(nèi)表面。沒(méi)有通路可以讓內(nèi)表面的電流傳輸?shù)綑C(jī)箱的外表面。進(jìn)入或離開(kāi)機(jī)箱的期望電流在屏蔽電纜上，也具有這個(gè)效應(yīng)。這樣的話，寄生共模電流就被限制在理想的屏蔽機(jī)箱的內(nèi)部，而不會(huì)產(chǎn)生RF輻射［2］。

理論和實(shí)踐證明，由于趨膚效應(yīng)，屏蔽材料的厚度一般來(lái)說(shuō)只需要1.2 mm就足夠了。即使是屏蔽室，其壁厚也不超過(guò)2 mm。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以作如下考慮:（1）在近場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)屏蔽時(shí)，要分別考慮電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波情況;（2）屏蔽電場(chǎng)波時(shí)，使用高導(dǎo)電材料;屏蔽低屏蔽磁場(chǎng)波時(shí)，使用高導(dǎo)磁材料;（3）一般情況下，材料（見(jiàn)表1所示）的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高;（4）屏蔽電場(chǎng)波時(shí)，屏蔽體盡量靠近騷擾源;屏蔽磁場(chǎng)波時(shí)，屏蔽體盡量遠(yuǎn)離騷擾源。

表1 常用金屬材料的σr及μr值

根據(jù)表1可知:目前屏蔽機(jī)箱材料可選用鍍鋅冷軋鋼板，屏蔽效能大，抗腐蝕能力也好，鎂鋁合金機(jī)箱有更好的屏蔽效能以及抗腐蝕能力，但成本較高［3］。

2 機(jī)箱的孔縫設(shè)計(jì)

實(shí)際的屏蔽機(jī)箱都有必要的穿孔、孔洞和縫隙，引起導(dǎo)電不連續(xù)性，造成屏蔽完整性損失，產(chǎn)生電磁泄漏，使屏蔽效能遠(yuǎn)低于屏蔽材料的理論計(jì)算值。因此，屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如何保證屏蔽完整性，做到屏蔽體表面為導(dǎo)電連續(xù)，使屏蔽效能盡量得以恢復(fù)到接近理論計(jì)算值。

實(shí)際應(yīng)用的屏蔽機(jī)箱上一般會(huì)有活動(dòng)面板構(gòu)成的結(jié)合處，金屬部件在這些結(jié)合處是通過(guò)點(diǎn)接觸，這構(gòu)成了一個(gè)孔洞陣列，稱之為縫隙?？p隙是造成屏蔽機(jī)箱效能降級(jí)的主要原因之一。減小縫隙泄漏，應(yīng)該盡量降低縫隙的阻抗，包括減小接觸電阻、增加電容等。影響接觸電阻的因素主要有:接觸面積、接觸面的材料、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力、氧化腐蝕等。影響電容的因素有:兩個(gè)表面之間的距離和相對(duì)面積，距離越近，相對(duì)的面積越大，電容越大。

在實(shí)際工程中，減少縫隙阻抗的具體做法有:（1）使用機(jī)械加工手段來(lái)增加接觸面的平整度;（2）增加兩部分之間的緊固件的密度;（3）使用電磁密封襯墊。

對(duì)于屏蔽機(jī)箱上的永久性接縫應(yīng)采用焊接工藝密封，電焊、銅焊或錫焊是永久性密封的常用方式。焊接前，接合部位必須清理干凈。非永久性配合面形成的接縫，通常用螺栓緊固連接。但由于接合部位未清理干凈、不平整或變形，都會(huì)使屏蔽效能下降［4］。

對(duì)于孔陣列的屏蔽特性，一般情況下影響因素最大的是孔的深度，其次是孔的最大尺寸，當(dāng)散熱與屏蔽存在矛盾時(shí)，比較理想的方式是增加孔的深度，同時(shí)增加孔的最大尺寸或者減小孔的最大尺寸，同時(shí)減小孔間距（增加孔的數(shù)量）。通過(guò)孔陣列，一個(gè)圓形的孔可以提供最短的電流通路長(zhǎng)度。當(dāng)最大的對(duì)角長(zhǎng)度和圓孔的直徑相同時(shí)，方形孔和鉆石形的孔會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)的電路通路，但是不會(huì)增加很多。

工程實(shí)際中，陣列孔的屏蔽效能最高為30 db/1 GHz。如果需要更高等級(jí)或者屏蔽盒散熱矛盾十分突出，可以考慮采用截止波導(dǎo)通風(fēng)板。

實(shí)踐證明，當(dāng)孔、縫尺寸等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄漏最大，一般要求縫長(zhǎng)活孔徑小于最短波長(zhǎng)的1/100～1/10。因此，頻率越高，越應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。

3 截止波導(dǎo)管設(shè)計(jì)

截止波導(dǎo)管是一種金屬管，對(duì)電磁波來(lái)說(shuō)它是一種高通濾波器。波導(dǎo)管具有確定的截止頻率，當(dāng)電磁波的頻率低于該截止頻率時(shí)，電磁波不能穿過(guò)波導(dǎo)管，于是波導(dǎo)管可以起到屏蔽作用。圖1所示為波導(dǎo)管和其他孔縫之間的對(duì)比，波導(dǎo)管可以有效地提高屏蔽效率［5］。

圓形波導(dǎo)管的條件和截止頻率為:

式中:d—波導(dǎo)長(zhǎng)度（cm）;

G—圓形波導(dǎo)的內(nèi)直徑（cm）;

Fc—截止頻率（Hz）。

與任何孔縫一樣，當(dāng)它的內(nèi)對(duì)角G為半個(gè)波長(zhǎng)，波導(dǎo)管也允許它的反射場(chǎng)通過(guò)，波導(dǎo)管的截止頻率可以由上式計(jì)算。在低于它的截止頻率時(shí)，波導(dǎo)管不會(huì)像一個(gè)普通的孔縫一樣產(chǎn)生電磁場(chǎng)泄漏并且可以提供足夠的屏蔽。

截止波導(dǎo)管還可以用于面板上安裝可變電容器、可變電位器、波段開(kāi)關(guān)等可調(diào)器件。應(yīng)該注意的是穿過(guò)波導(dǎo)管的軸桿必須是不導(dǎo)電的非金屬材料，否則波導(dǎo)管將失效，不能起到屏蔽作用。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，任何具有一定深度的孔縫都具有波導(dǎo)性質(zhì)，這也可以用來(lái)改善機(jī)箱蓋板和機(jī)箱連接縫的屏蔽。另外，截止波導(dǎo)管還可以用作系統(tǒng)的通風(fēng)口，這也可以很有效地減小通風(fēng)口產(chǎn)生的輻射和干擾。

圖1 波導(dǎo)管和其他孔縫之間的對(duì)比

4 機(jī)箱的導(dǎo)電襯墊設(shè)計(jì)

導(dǎo)電襯墊具有良好的導(dǎo)電性和彈性，用于兩塊金屬板的連接處，可以減少縫隙和孔的尺寸、保持金屬板之間的電連續(xù)性，從而增加屏蔽效率。導(dǎo)電襯墊通常由軟金屬、金屬編制絲線、導(dǎo)電橡膠、梳形彈簧片等制成。使用導(dǎo)電襯墊的目的是提供一個(gè)電路通路通過(guò)孔縫。如果電流可以流過(guò)孔縫，并且電流通路長(zhǎng)度沒(méi)有因?yàn)榭卓p而增加，則通過(guò)孔縫的電壓將會(huì)最小。

導(dǎo)電襯墊的傳導(dǎo)率是一個(gè)重要參數(shù)，與導(dǎo)電襯墊相配合材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)率也很重要。大部分屏蔽機(jī)箱都是由基底材料構(gòu)成，比如鐵和鋁，并且在基底材料上還會(huì)有一層涂層，以便降低腐蝕。通常這個(gè)防腐蝕涂層不是導(dǎo)電的。如果將高傳導(dǎo)性的導(dǎo)電襯墊放在非導(dǎo)電性的覆蓋材料上，電流就不會(huì)流到孔縫，從而破壞襯墊的功能。

當(dāng)襯墊面是粗糙的時(shí)候，那么粗糙點(diǎn)可以穿透非傳導(dǎo)涂層表面，并且可以產(chǎn)生與基底金屬接觸的低阻抗。因?yàn)檫@個(gè)原因，最好避免使用光滑的襯墊材料，這種材料不能穿透任何涂層材料，因而有可能使襯墊功能無(wú)效。

導(dǎo)電襯墊需要合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以便可以有效并容易安裝。在安裝時(shí)，導(dǎo)電襯墊被壓扁，在接觸表面之間被壓平。如果他們的安裝螺絲被旋的越緊，則導(dǎo)電襯墊會(huì)被壓縮越厲害，則安裝導(dǎo)電襯墊之間的縫隙會(huì)不均勻，從而會(huì)增加漏隙。這主要是因?yàn)榕c導(dǎo)電襯墊接觸的金屬板缺少硬度，因此要使導(dǎo)電襯墊不壓入金屬板是很困難的。所以我們常常使用槽來(lái)安放導(dǎo)電襯墊。

對(duì)導(dǎo)電襯墊的基本要求是:導(dǎo)電性和彈性均滿足需要，即（1）應(yīng)有足夠的彈性和厚度，以補(bǔ)償由于接縫在螺栓壓緊時(shí)所出現(xiàn)的不均勻性;（2）所用材料應(yīng)耐腐蝕，并與屏蔽材料的電化序相容，即應(yīng)選擇點(diǎn)位接近的材料作接觸面，以防止電化學(xué)腐蝕和“銹螺釘效應(yīng)”;（3）轉(zhuǎn)移阻抗應(yīng)盡可能低;（4）壓縮變形或壽命符合要求;（5）屏蔽效能、安裝結(jié)構(gòu)、成本符合要求，有的還需要符合環(huán)境密封要求［6］。

5 屏蔽金屬織網(wǎng)設(shè)計(jì)

在設(shè)備的通風(fēng)口，經(jīng)常會(huì)覆蓋一層金屬織網(wǎng)，使其既能保持通風(fēng)又能起到屏蔽作用。金屬織網(wǎng)用于屏蔽要求不是太高的場(chǎng)合，在100 MHz以上，其屏蔽效率很快下降。另外，因?yàn)榭椌W(wǎng)的孔很多，所以吸收損耗很小，主要依靠反射損耗。對(duì)于同樣直徑的金屬絲，孔小而多，屏蔽效率越高。

6 屏蔽效能設(shè)計(jì)

屏蔽體的總體屏蔽效能是由屏蔽體中的最薄弱環(huán)節(jié)決定的。要使屏蔽體的屏蔽效能達(dá)到某一個(gè)值，屏蔽體上所有部位都要達(dá)到這個(gè)值，即各部位屏蔽效能的匹配是十分重要的。

對(duì)于屏蔽機(jī)箱，如果它具有制定數(shù)量和確定尺寸的孔縫，以及確定的孔縫位置，則可以使用相關(guān)的建模技術(shù)評(píng)估屏蔽效率。

式中:λ—需要屏蔽的最高諧波頻率成分的波長(zhǎng)（m）;

L—槽的最長(zhǎng)尺寸（m）。

因此，如果槽的長(zhǎng)度是感興趣的諧波波長(zhǎng)的1/2，則其屏蔽效率為零，也就是說(shuō)這些諧波成分會(huì)通過(guò)孔縫泄漏到外部或進(jìn)入屏蔽機(jī)箱的內(nèi)部?？梢钥闯鲱l率越高，則要求孔縫的尺寸越小。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法，得到了典型機(jī)箱的電磁屏蔽效能值（頻率30 MHz～1 GHz），并利用仿真分析的方法研究了孔、縫對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的影響，分析得出了引起機(jī)箱電磁泄露的主要因素。因此，在進(jìn)行機(jī)箱的屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，明確不同頻段的泄露耦合結(jié)構(gòu)，確定最大泄露耦合要素是其首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在機(jī)箱的選用過(guò)程中，也應(yīng)該根據(jù)電子元器件的發(fā)射接收頻率，選擇相應(yīng)屏蔽效能的機(jī)箱，而并不是一味追求高屏蔽效能，因?yàn)檫@會(huì)極大地提高設(shè)計(jì)成本。同時(shí)，當(dāng)普通機(jī)箱已不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，也可以采取多種方法提高機(jī)箱的屏蔽效能，比如，采用焊接成型的一體式機(jī)箱、在機(jī)箱的接縫處使用屏蔽材料增加電連續(xù)性或?qū)γ舾性骷M(jìn)行特殊保護(hù)等。

7 屏蔽機(jī)箱的安裝設(shè)計(jì)

屏蔽機(jī)箱由很多部分組成，有機(jī)箱主體、屏蔽電纜、屏蔽連接頭、導(dǎo)電襯墊、金屬織網(wǎng)、螺絲等等，在安裝時(shí)一定要注意不要人為產(chǎn)生過(guò)多的孔縫，否則會(huì)破壞屏蔽效率。

綜合上面所述可得知，屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)而又復(fù)雜的工程，要能夠設(shè)計(jì)一個(gè)合理的屏蔽機(jī)箱，需要多年的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)以及我們更多的投入與關(guān)注。

［1］白云同.電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007

［2］Tim Williams.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的EMC技術(shù)［M］.第3版.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］郝曉冬，喬恩明.電源系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［4］Frederick M.Tesche.EMC分析方法與計(jì)算模型［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2009.

［5］江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］周志近.高速電路的電磁兼容分析與設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù)，2010（6）:19-20，41.