電子儀器干擾與屏蔽

陳克難

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

前言

在電子儀器的研制和生產(chǎn)過(guò)程中，如果單元電路良好，但屏蔽設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)降低電路設(shè)計(jì)指標(biāo)，有時(shí)甚至導(dǎo)致儀器工作不正常。因此在電子儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屏蔽設(shè)計(jì)必須給于充分的重視，現(xiàn)在僅就現(xiàn)實(shí)工作中所進(jìn)行的一些具體做法與各位同行共享。

1 電屏蔽

電場(chǎng)屏蔽是為了消除兩個(gè)電路之間由于發(fā)布電容的耦合產(chǎn)生的干擾，最好的辦法是在感應(yīng)源與受感器之間加入一塊接地良好的金屬隔板，把發(fā)布電容短接到地，就可以達(dá)到電場(chǎng)屏蔽的目的。而一個(gè)導(dǎo)電性良好的機(jī)殼，就是一個(gè)理想的地。在過(guò)去的儀器研制、生產(chǎn)過(guò)程中，為了將兩個(gè)單元線路屏蔽開(kāi)來(lái)，圖1所示的辦法是一種典型的例子，金屬屏蔽板插在開(kāi)槽的膠木板中間，而機(jī)殼是用陽(yáng)極化的鋁板（不導(dǎo)電）構(gòu)成的。這塊接地不良的金屬板，不但沒(méi)有起屏蔽作用。反而對(duì)屏蔽是有害的，因?yàn)樵跊](méi)有加屏蔽之前一個(gè)分箱g（感應(yīng)源）在另一個(gè)S（受感器）上所感應(yīng)的電壓為感應(yīng)電壓，當(dāng)屏蔽板加入后，由于接地不良，它與地有很小的發(fā)布電容，所以產(chǎn)生了大于屏蔽板加入前的感應(yīng)電壓。

圖1 兩個(gè)單元線路屏蔽圖

同樣的道理，壓板的加入對(duì)屏蔽也是無(wú)益的，因?yàn)閴喊宓目缍却?，不但不能起到壓板的作用，反而相?dāng)于一個(gè)接地不良的蓋板，蓋在兩個(gè)需要屏蔽的分箱上。在高頻時(shí)，壓板的寄生電容和寄生電感組成的分壓器，進(jìn)一步把兩個(gè)分箱耦合起來(lái)，上面所談的這種設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤在于：

1)機(jī)殼雖然由鋁板組成，但陽(yáng)極化后生成的氧化膜是絕緣層，使機(jī)殼成為不良導(dǎo)體。

2)印制板和金屬板的導(dǎo)板用的是絕緣材料膠木板，使印制板和屏蔽板都無(wú)法接地。

針對(duì)上述的問(wèn)題我們采取了兩項(xiàng)措施：

1)將鋁板的陽(yáng)板化處理改為化學(xué)導(dǎo)電氧化，雖然耐蝕性差一些，但整機(jī)機(jī)殼導(dǎo)電性良好。

2)設(shè)計(jì)了一種由導(dǎo)電性，彈性俱佳的鈹青銅做成的卡緊簧片把它鉚在經(jīng)化學(xué)導(dǎo)電氧化的鋁板上做導(dǎo)板，印制板的邊緣有5mm接地線，當(dāng)插入導(dǎo)板后，便經(jīng)過(guò)5mm地線，屏蔽板也被卡緊簧片卡牢，接地良好。這種卡緊簧片得到了廣泛的應(yīng)用，被頂為標(biāo)準(zhǔn)。

2 磁屏蔽

磁屏蔽是抑制或消除發(fā)布電感的耦合。

恒定磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)的屏蔽采用對(duì)磁場(chǎng)分路的辦法，即用相對(duì)導(dǎo)磁率高的材料做成屏蔽物，由于屏蔽物的μ值高，磁阻少，所以大部分磁力線都在屏蔽物的壁內(nèi)通過(guò)，這樣就大大減少了寄生電感的影響，目前我們最常用的導(dǎo)磁材料為1j79坡莫合金，這種坡莫合金在真空（或氫氣）中退火，μ值最高可達(dá)到200000高斯/奧斯特。

低頻磁屏蔽在我們工作中遇到最多的情況是對(duì)電源變壓器及顯像管的屏蔽。

為了防止外來(lái)磁場(chǎng)對(duì)于、電子束聚焦的影響，我們通常采用坡莫合金做成的屏蔽罩，經(jīng)過(guò)真空退火處理，對(duì)示波管進(jìn)行屏蔽，沿屏蔽罩長(zhǎng)度方向盡量減少焊縫和狹長(zhǎng)的開(kāi)槽，因?yàn)榕c電子束垂直的磁力線較之與電子束平行的磁力線對(duì)電子束聚焦的影響更大，需要時(shí)盡量開(kāi)園孔，避免開(kāi)距形孔（見(jiàn)圖2所示）。因?yàn)榫嘈慰妆认嗤娣e的園孔對(duì)屏蔽效能影響更大。由于縫隙的天線效應(yīng)，必須使縫隙的直線尺寸不大于1/10，洞孔的尺寸不大于1/5最短工作波長(zhǎng)。

對(duì)于制作良好的小功率變壓器一般不用屏蔽，因?yàn)榻^大多數(shù)磁通已在鐵芯中閉合，漏感較少，鐵芯本身就是低頻變壓器的最主要的屏蔽物，對(duì)于大功率100VA以上的功率變壓器，其漏磁通也可以產(chǎn)生比較大的干擾，有時(shí)也用1j79坡莫合金做成屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。由于大功率變壓器發(fā)熱量大，在屏蔽罩上要開(kāi)通風(fēng)孔不應(yīng)大于3mm，以免影響屏蔽效果。

3 電磁屏蔽

電磁屏蔽主要是用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的影響，它是采用低電阻的金屬材料作屏蔽物，用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流從而起到屏蔽作用，一般所謂屏蔽，多半是指電磁屏蔽。由于高頻趨膚效應(yīng)的作用，渦流密度沿金屬截面的分布是不均勻的，其規(guī)律為

其中：X0為透入深度，即電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度減少到表面處的e分分之一的深度。

圖2 開(kāi)孔示意圖

由理論計(jì)算得

其中ρ-材料電磁率；μ0-真空的導(dǎo)磁率；μ-材料相對(duì)導(dǎo)磁率；F-頻率。

由計(jì)算公式可知，在同一頻率下，材料的屏蔽效果由它的電阻率ρ和相對(duì)導(dǎo)磁率μ的比值來(lái)表示的。

在高頻屏蔽中，雖然鋼的μ值比較高但由于ρ值較大，渦流損耗大。并有磁帶現(xiàn)象而不易采用，一般應(yīng)采用非磁性導(dǎo)電良好的金屬材料，如銅、鋁做屏蔽材料，頻率較高時(shí)，可以在其表面鍍銀，特別是鋁表面鍍銀，價(jià)格又便宜，重量又輕而屏蔽效果又好，應(yīng)盡量采用。

4 電子設(shè)備屏蔽設(shè)計(jì)的綜合考慮

以上所述的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的三種干擾，在一種電子儀器中往往是同時(shí)存在的，所以在進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行綜合考慮，才能達(dá)到所需要的屏蔽效果。

任何電路各個(gè)部分工作的地電流總要經(jīng)過(guò)回流。而構(gòu)成儀器結(jié)構(gòu)的底座，外殼就成為地電流回流的必經(jīng)之“地”。因此底座、機(jī)殼阻抗的大小與寄生耦合的大小有著直接的關(guān)系。特別在高頻，不但地電阻的高頻值變得不可忽略，且隨頻率不同，會(huì)成為感性或容性阻抗，造成不良影響。因此接地通路設(shè)計(jì)是屏蔽設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

要屏蔽儀器外來(lái)的干擾或防止該儀器干擾影響的儀器，一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，設(shè)計(jì)合理的機(jī)箱實(shí)際上是這臺(tái)儀器的一個(gè)良好的屏蔽機(jī)殼。構(gòu)成機(jī)殼的各種構(gòu)件應(yīng)接觸良好，盡量減少孔隙，當(dāng)不得已非要有孔隙時(shí)，盡量減少其尺寸。如洞孔較大（風(fēng)扇罩）應(yīng)安裝金屬網(wǎng)，并刮掉金屬網(wǎng)與面板接觸部分的涂層。鋁材做成的各種結(jié)構(gòu)件均采用導(dǎo)電氧化。如果對(duì)屏蔽要求很高或屏蔽的頻率范圍很廣，則應(yīng)采取多層屏蔽，低于5-10kHz的恒定磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)的多層屏蔽罩一般采用的磁性材料，層與層之間可以是空氣隙或絕緣材料，若要在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行屏蔽，就采用不同的材料（鐵磷性材料和非鐵磷性材料）組成的雙層屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。這樣的屏蔽罩基本上滿足、排除了外來(lái)干擾，對(duì)于線路設(shè)計(jì)的原定指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到了保證作用。另外鋁制外屏蔽罩即是屏蔽件，也是結(jié)構(gòu)件，它將厚度薄、強(qiáng)度差、不允許碰的坡莫合金的內(nèi)屏蔽罩包容在內(nèi)部，這樣就避免了裝配、調(diào)試、運(yùn)輸、儲(chǔ)存中可能受到的碰 ，使磁性得以保持。

5 小結(jié)

對(duì)電子儀器的干擾和被干擾隨時(shí)隨地都存在，有時(shí)對(duì)于干擾源進(jìn)行嚴(yán)格的屏蔽較之對(duì)受干擾器件進(jìn)行屏蔽更為方便，而有時(shí)對(duì)干擾特別敏感的元件又進(jìn)行單獨(dú)屏蔽。有時(shí)電場(chǎng)、磁場(chǎng)同時(shí)屏蔽則只需將屏蔽物良好接地即可。不同的電子儀器對(duì)屏蔽設(shè)計(jì)的要求不同。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須與線路設(shè)計(jì)人員密切配合，因地制宜進(jìn)行合理有效的屏蔽設(shè)計(jì)，以保證線路設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。

[1] 山崎弘郎. 電子抗干擾技術(shù)[M].北京： 科學(xué)出版社, 1999.

[2] Matcrials Electonic Products Corp.Solid state cooling with Thermoelectric. 1993.

[3] 諸幫田.電子電纜實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京人民郵電出版社，2000.