結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)電子設(shè)備屏蔽效果影響分析

富震

摘 要： 在電子設(shè)備的屏蔽箱上開(kāi)有各種用途的小孔或縫隙，外界的電磁干擾通過(guò)孔、縫進(jìn)入到電子設(shè)備的內(nèi)部，對(duì)內(nèi)部電路造成干擾。從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)，對(duì)在不同情況下結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)屏蔽效果的影響進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)電子設(shè)備的工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 電磁兼容； 屏蔽效能； 結(jié)構(gòu)缺陷； 屏蔽箱

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0149?03

Analysis on influence of structural defects on electronic equipment shielding effect

FU Zhen

（Shenyang Artillery Academy， Shenyang 110867， China）

Abstract： There are some holes or gaps in the shielding box of electronic equipment. The outside electromagnetic inter?

ference will disturb the circuits inside the box through the holes or gaps. According to the transmission route of electromagnetic interference， the impact of structural defects on shielding effect under different conditions is analyzed. Some improvement measures are proposed. The analysis has a certain guiding significance for the engineering design of electronic equipments.

Keywords： electromagnetic compatibility； shielding effectiveness； structural defect； shielding box

0 引 言

屏蔽是將電磁場(chǎng)干擾源至器件或設(shè)備的傳輸路徑“切斷“，從而達(dá)到消除或減弱干擾源對(duì)其他器件或設(shè)備不良影響的效果。對(duì)一個(gè)”理想“的電子設(shè)備而言，不僅要求它受其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的影響要盡可能小，而且要求它盡可能少地輻射出干擾電磁場(chǎng)去影響其他設(shè)備。為了取得更好的屏蔽效果，在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中，盡可能的要求對(duì)電磁的屏蔽結(jié)構(gòu)達(dá)到理想狀態(tài)，即屏蔽結(jié)構(gòu)尺寸、屏蔽厚度、屏蔽層材料等都達(dá)到規(guī)范化要求。但是，在一般的實(shí)際系統(tǒng)中，不可避免地存在著結(jié)構(gòu)上的缺陷。比如，在電子設(shè)備機(jī)箱上經(jīng)常存在著各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)的電磁泄漏，如縫隙、通風(fēng)窗口、信號(hào)出、入口等，各種途徑的電磁泄漏，不可避免地造成屏蔽效能的下降。一些結(jié)構(gòu)上的缺陷甚至造成屏蔽效果的急速下降，最終對(duì)電子設(shè)備造成損害，失去了屏蔽的意義。為了掌握在工作中電磁屏蔽的實(shí)際效果，必須對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)屏蔽效果的影響加以分析，進(jìn)而找到解決的方法措施，提高屏蔽效能。

考慮到電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)，通常結(jié)構(gòu)的缺陷主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即孔和縫隙。由于電磁波在孔和縫隙中穿過(guò)時(shí)，幅度衰減、傳播路徑材料、傳播速度各不相同，為此，下面對(duì)這兩種情況分別加以討論。

1 孔對(duì)電磁屏蔽效能的影響

在估計(jì)一個(gè)屏蔽層上的孔對(duì)屏蔽效果的影響時(shí)，是計(jì)算一個(gè)等效于置入孔中、且又產(chǎn)生干擾場(chǎng)的電場(chǎng)短線偶極子或磁場(chǎng)小環(huán)天線源（即將孔的影響等效成一個(gè)理想的場(chǎng)源）。等效場(chǎng)源的性質(zhì)和大小決定于激勵(lì)場(chǎng)的性質(zhì)和孔的形狀及大小。在大多數(shù)情況下，孔的影響是以磁場(chǎng)為主。

1.1 單孔時(shí)的屏蔽效能

根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)屏蔽層上的孔的直徑大于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，則此孔可“穿透“相當(dāng)多的電磁能量，因此可以將它看成一個(gè)發(fā)射天線。對(duì)于一個(gè)正方形或圓形孔而言，根據(jù)激勵(lì)場(chǎng)的頻譜分析和綜合，可以很容易計(jì)算這種天線的增益等參數(shù)。如果激勵(lì)場(chǎng)是均勻的，而孔的面積是A，那么可以得出下述結(jié)論：孔四周外的場(chǎng)是0（即孔周徑上沒(méi)有電流流動(dòng)），因此在孔的軸箱上的遠(yuǎn)場(chǎng)增益為：

[G=4πAλ2] （1）

如果孔是一個(gè)圓形孔，則：

[G=4ππR2λ2] （2）

式中，R是圓孔的半徑；[λ]是波長(zhǎng)。

根據(jù)屏蔽效率SE的定義可得：

[SE=10lgP1P2=10lgG-1=20lgλ2πR] （3）

式中，[P1]是無(wú)屏蔽時(shí)“屏蔽區(qū)”接收到的功率；[P2]是有孔屏蔽層屏蔽區(qū)內(nèi)接收到的功率。

如果考慮實(shí)際屏蔽層有限的厚度對(duì)波的有限導(dǎo)向性，屏蔽的效率還將提高，下面對(duì)此進(jìn)行分析。

根據(jù)傳輸線理論，一個(gè)中空的導(dǎo)管可以看成是有限長(zhǎng)度的傳輸線，只是中心的導(dǎo)體厚度為0，導(dǎo)管截面的形狀和管壁材料的電氣特性將影響波的傳輸速度等傳輸特性，其中最重要的是影響可傳送波的頻率。在導(dǎo)管中傳輸?shù)碾姶挪梢钥闯墒怯蓛刹糠纸M成的，一是沿導(dǎo)管軸向的直接傳送，另一部分是經(jīng)管道內(nèi)壁反射后的波。每次反射后的波將作線性疊加，從而產(chǎn)生新的初始條件，這樣的周期在管道內(nèi)不斷重復(fù)。但是如果管道的口徑很小，長(zhǎng)度也較短，那么就不可能完成這樣的一個(gè)周期。所以可以想象得出，一定存在這樣的頻率的信號(hào)不能通過(guò)此管道，稱(chēng)其中恰好不能通過(guò)的波的最高頻率為此波導(dǎo)管的截止頻率，記為[fc]。波導(dǎo)管的截止頻率決定于管道截面的形狀、大小及其中填充的材料特性。

如果實(shí)際信號(hào)頻率[f

[α=ωμε?fcf2-1] （4）

如果屏蔽層上的孔是一個(gè)半徑為R的圓孔，則它的截止頻率[fc]和對(duì)低于截止頻率[fc]的場(chǎng)的屏蔽效率為：

[fc=1.841c2πR] （5）

[SE=8.686×1.841?lR≈16lR] （6）

可以看出，此時(shí)的屏蔽效率與頻率無(wú)關(guān)，僅與孔的形狀和大小有關(guān)。但是必須指出的是，使用公式（6）計(jì)算孔由波導(dǎo)效應(yīng)得到的屏蔽效率SE時(shí)，必須保證屏蔽層的壁厚（即公式中的[l]）大于或等于2R，因?yàn)橹挥羞@樣，才能將孔看成是一個(gè)波導(dǎo)管。

將式（3）和式（6）綜合起來(lái)，可得到屏蔽層上有一個(gè)圓孔時(shí)總的屏蔽效率為：

[SE=20lg λ2πR+322R?t] （7）

式中[t]（[t>>2R]）是壁厚。

式（7）中的第1項(xiàng)可看成是反射損耗R，第2項(xiàng)可看成是孔的吸收損耗A。

1.2 多孔屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效率

由式（1）給出的遠(yuǎn)場(chǎng)在孔上的功率增益正比于孔的面積，因此如果一個(gè)屏蔽層上有幾個(gè)孔，則功率增益為：

[G=4nππR2λ2] （8）

所以，這時(shí)的屏蔽效率為：

[SE=10lgG=20lgλn?2πR] （9）

如果屏蔽層的厚度[t>>2R]，在考慮了孔的波導(dǎo)效應(yīng)后的總的屏蔽效率為：

[SE=10lgG=20lgλn?2πR+322R?t] （10）

2 縫隙對(duì)屏蔽效果的影響

縫隙是實(shí)際屏蔽結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的，如相鄰屏蔽板的連接處，屏蔽盒蓋或小門(mén)等。在面積相同的前提下，縫隙對(duì)屏蔽效率的影響比圓孔或方孔大得多，其中主要的問(wèn)題是磁場(chǎng)的泄露。理論分析可得，為了有效地屏蔽進(jìn)入屏蔽區(qū)的磁場(chǎng)，屏蔽層中的感應(yīng)電流的分布必須與所要抵消的磁場(chǎng)相適應(yīng)。但如果屏蔽結(jié)構(gòu)上存在著縫隙，則必然影響電流分布狀態(tài)。如果縫隙的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，它導(dǎo)致的電流分布的偏移可能比一排小孔造成的影響還大。如果縫隙長(zhǎng)軸方向安排不合理，則引起的電流分布的偏移量更大。此外，在高頻場(chǎng)中，縫隙的影響?yīng)q如一根有效的天線，因此它的危害更大。

縫隙對(duì)屏蔽效果影響的大小，主要體現(xiàn)在它的長(zhǎng)度[l]上。經(jīng)分析可得縫隙的屏蔽效能為：

[SE=20lg1+N24N] （11）

式中，N為縫隙波阻抗和自由空間波的比值，由遠(yuǎn)區(qū)平面波中可得：

[N=j6.69×10-5f?l] （12）

式中，[l]為縫隙長(zhǎng)度；[f]為場(chǎng)源頻率。

如果考慮屏蔽層有一定的厚度，因此，在截止頻率[fc]下還有一定的波導(dǎo)效應(yīng)的屏蔽效果，此時(shí)，可將縫隙看成是一個(gè)矩形孔，可得屏蔽效應(yīng)公式為：

[SE=27.3tl， t?l] （13）

式中[t]是屏蔽層的厚度。

綜合式（11）和式（13），可得到具有縫隙的有限厚度的屏蔽結(jié)構(gòu)總的屏蔽效率為：

[SE=20lg1+N24N+27.3tl] （14）

式（14）中的第一項(xiàng)可以看成是薄壁上縫隙對(duì)波的反射損耗，第二項(xiàng)可看成是厚壁上的吸收損耗。將式（4）與式（10）（其中n=1）比較，可以發(fā)現(xiàn)，雖然縫隙的面積不大，但一個(gè)長(zhǎng)度為[l]的縫隙與一個(gè)直徑等于[l]的圓孔的影響是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。在現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)直徑為[l]的圓孔會(huì)引起注意，但是一個(gè)長(zhǎng)度為[l]甚至是[2l]的縫隙往往不被重視，從而導(dǎo)致屏蔽效果的不理想。需要著重指出的是，縫隙的存在往往是隱形的。圖1標(biāo)示了縫隙長(zhǎng)度和屏蔽效率之間的關(guān)系。

圖1 縫隙長(zhǎng)度l與屏蔽效率SE之間的關(guān)系

3 對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的改進(jìn)措施

為了提高屏蔽效果，必須對(duì)電子設(shè)備屏蔽層上的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，也就是要提高屏蔽效能SE。從公式分析中可以看出，無(wú)論是存在孔狀缺陷，還是縫隙狀缺陷，最有效的方式是提高屏蔽層的厚度，也就是增大t。而現(xiàn)實(shí)中，屏蔽層的厚度總是有限的，不可能做得特別厚。為了提高屏蔽效率，可以改變孔或縫隙的結(jié)構(gòu)，增大孔或縫隙的有效厚度，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)際的電子設(shè)備屏蔽箱存在著各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)的電磁泄漏。對(duì)由于結(jié)構(gòu)缺陷引起屏蔽效能的影響進(jìn)行分析，是研究電子設(shè)備電磁屏蔽效果的基礎(chǔ)。只有在充分考慮了各種缺陷造成的影響情況下，綜合分析屏蔽箱的總體屏蔽效能，并對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，才能有效發(fā)揮屏蔽的效果，起到保護(hù)電子設(shè)備不受損害、提高可靠性、延長(zhǎng)生命周期的目的。

圖2 增大有效厚度結(jié)構(gòu)示意圖

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