結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

楊三璽

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

引言

電磁屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧辖M成的屏蔽體將需要防護(hù)區(qū)域封閉起來，阻止和減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體對(duì)內(nèi)限制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁波的泄漏，對(duì)外防止外部的輻射進(jìn)入自身區(qū)域。若電子設(shè)備外部箱體設(shè)計(jì)成連續(xù)屏蔽體，則可以較好達(dá)到上述屏蔽目的。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，屏蔽體上不可避免地存在各種縫隙、開孔以及進(jìn)出電纜等各種缺陷，這些缺陷使屏蔽體局部電流不連續(xù)，造成了屏蔽體的屏蔽效能急劇地劣化。

1 屏蔽效能

屏蔽體的屏蔽能力用屏蔽效能ES來表示，通常用分貝（dB）來計(jì)量，它的值表示屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。假設(shè)無屏蔽體時(shí)空間某點(diǎn)的電場強(qiáng)度E1（或磁場強(qiáng)度H1），有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)電場強(qiáng)度E2（或磁場強(qiáng)度H2）的，則電場屏蔽效能、磁場屏蔽效能表達(dá)式如公式（1）、公式（2）。

2 屏蔽的機(jī)理分析

屏蔽通常是把屏蔽體看成是一個(gè)在結(jié)構(gòu)上完整，在電氣上連續(xù)的均勻封閉體。當(dāng)電磁波入射到屏蔽體時(shí)，電磁波將會(huì)以三種能量形式進(jìn)行損耗。屏蔽體的整體屏蔽效能可用公式（3）表示。

如圖1所示，當(dāng)電磁波入射到屏蔽材料上時(shí)，由于屏蔽材料兩側(cè)的介質(zhì)均為空氣，在屏蔽材料的第一界面發(fā)生阻抗的突變，一部分電磁波就被反射，即為反射損耗，用R表示；另一部分透過屏蔽材料表面進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部，在屏蔽材料內(nèi)部按指數(shù)規(guī)律衰減，又消耗掉一部分電磁能量，即吸收損耗，用A表示；透射波在離開板的第二個(gè)分界面時(shí)，又發(fā)生反射，而且是在兩個(gè)界面之間多次反射，這種反射稱為多次反射修正因子，用B表示。圖1所示是實(shí)心屏蔽材料的屏蔽效能模型。

圖1 實(shí)心材料屏蔽效能模型

根據(jù)圖1模型可以看出，屏蔽材料對(duì)電磁波的反射和吸收損耗使電磁能量被衰減，將電場和磁場同時(shí)屏蔽，即電磁屏蔽。

對(duì)于良性導(dǎo)體，吸收損耗A用公式表示為

式中：σr為相對(duì)銅的電導(dǎo)率（S／m）；μr為相對(duì)銅的磁導(dǎo)率，H／m；f為磁場頻率，Hz；t為材料厚度，mm。

公式（4）表明，吸收損耗A與屏蔽體的厚度正比，并隨著頻率、相對(duì)磁導(dǎo)率以及相對(duì)電導(dǎo)率的提高而增加。表1［1］是幾種常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。

表1 常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率μr

3 結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)

3.1 屏蔽材料的屏蔽特性

公式（4）和表1表明高磁導(dǎo)率的材料吸收損耗較高，適用于磁屏蔽環(huán)境。不銹鋼材料可以制造電子設(shè)備具有高可靠性的電磁屏蔽殼體。目前新型的屏蔽體材料還有發(fā)泡鋁、發(fā)泡鎳、導(dǎo)電塑料、活化導(dǎo)電鍍膜塑料等。

3.2 縫隙的屏蔽

研究表明，當(dāng)縫隙的最大線性尺寸等于干擾源波長的λ／2的整數(shù)倍時(shí)，縫隙的電磁泄漏量最大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般要求縫隙的最大線性尺寸不大于λ／10［2］波長?？p隙的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖2所示。

圖2 縫隙結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路

3.3 接縫的處理

電子設(shè)備需要隨時(shí)調(diào)試、維護(hù)，因此它的結(jié)構(gòu)件不可避免地形成了縫隙，這些縫隙的結(jié)合面受表面粗糙度、材料剛度及緊固點(diǎn)的位置等影響，會(huì)不同程度地使屏蔽效能下降。在電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，太原航空儀表有限公司（以下簡稱太航）可以對(duì)縫隙采用特殊的處理，以提高結(jié)構(gòu)件的屏蔽效能。

3.4 增加縫隙深度和結(jié)合面的配合寬度

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以通過在連接處折彎，增加縫隙的深度，如圖3所示。從圖3可以看出，圖3－1的結(jié)合面大于圖3－2，圖3－2的結(jié)合面大于圖3－3。因此，屏蔽性能圖3－1最佳，但圖3－1的加工工藝相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要也可以選擇圖3－2選擇中的結(jié)合方式。

圖3 殼體結(jié)合方式

3.5 避免長條縫隙

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在條件許可情況下，增加連接件數(shù)量可以減小間距，減短縫隙長度。在有特殊功能要求，無法減少長條縫隙的情況下，可以通過合理設(shè)置緊固點(diǎn)間距和在結(jié)合處放置導(dǎo)電柔性介質(zhì)的方法進(jìn)行屏蔽。

1）設(shè)置緊固點(diǎn)間距。為了減小縫隙的最大尺寸，最直接的方法就是減小緊固點(diǎn)的間距。縫隙的最大尺寸并不等于緊固點(diǎn)的間距，在兩個(gè)螺釘之間的材料也是會(huì)接觸在一起的。理論上螺釘間距越小，屏蔽效果就會(huì)越好。但螺釘布置越密，裝配結(jié)構(gòu)的工藝性越差，而且還會(huì)影響產(chǎn)品的美觀。因此，緊固點(diǎn)的間距是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較重要的數(shù)據(jù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般可取螺釘間距為λ／20［2］。

2）使用導(dǎo)電柔性材料的屏蔽設(shè)計(jì)。導(dǎo)電柔性介質(zhì)主要包括導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電布、簧片、金屬絲網(wǎng)條、指形簧片和多重導(dǎo)電橡膠等。多重導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電襯墊和導(dǎo)電橡膠條可以在縫隙處形成可靠電接觸，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的連續(xù)性，是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一種方法。結(jié)構(gòu)件表面采用化學(xué)氧化處理，并在搭接處加裝導(dǎo)電橡膠條，可以有效防止了電磁泄露，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)電橡膠條安裝位置

需要注意的是導(dǎo)電襯墊的金屬填充材料應(yīng)與屏蔽機(jī)箱材料的相容性，應(yīng)盡量避免兩種材料產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，需保證導(dǎo)電襯墊與結(jié)構(gòu)件之間有一定的壓力，即一方面保證兩者接觸可靠，另一方面也不能使導(dǎo)電襯墊過度壓縮。

屏蔽材料在縫隙中具體安裝形式主要有卡裝、直接緊固連接和膠粘接等形式。在結(jié)構(gòu)件許可情況下，盡量采用安裝槽的形式。

4 電纜屏蔽設(shè)計(jì)

電纜穿透的數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜，為了直觀地分析這種屏蔽的破壞作用，太航可以簡單地將電纜簡化成一個(gè)導(dǎo)體，忽略芯線的影響，如圖5所示，在屏蔽體內(nèi)部為AB段，在屏蔽體外部為BC段。屏蔽體內(nèi)部的干擾耦合到電纜AB段上，產(chǎn)生干擾電流iS。干擾電流流過B點(diǎn)時(shí)，與B點(diǎn)的屏蔽體之間未連接，ZB足夠大，因此干擾電流直接穿透屏蔽體到BC段。在BC段干擾電流通過空間向外輻射，等效電路如圖5所示。

由圖5分析可知，如果在B點(diǎn)保證與屏蔽體之間的可靠接觸，可以認(rèn)為ZB＝0，因此ie＝0，屏蔽體外部基本無輻射。

圖5 電纜穿透等效模型

以上將電纜簡化成了一個(gè)導(dǎo)體，忽略了線芯的影響，從而清楚地闡述了線纜需要可靠接地的原理。實(shí)際上，由于芯線的存在，芯線的干擾電流將更加直接，而且芯線可能與屏蔽層之間形成干擾電流回路，因此對(duì)屏蔽性能的破壞實(shí)際上還要大得多。

圖6是某產(chǎn)品電纜穿透的電磁屏蔽的處理方式，插座與殼體安裝處之間加導(dǎo)電襯墊，保證導(dǎo)電連續(xù)性，需要注意的是屏蔽殼體表面需要做導(dǎo)電處理，并選取合適的導(dǎo)電襯套以保證足夠低的接觸阻抗。

圖6 電纜穿透的電磁屏蔽

電纜屏蔽層的種類有很多，其中金屬絲編織層以成本低、安裝方便、重量輕等特點(diǎn)備受設(shè)計(jì)人員青睞。在設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際屏蔽需求可以選擇不同編制密度、不同層數(shù)的金屬絲編織層。

5 結(jié)語

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以使電子設(shè)備自身穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，另一方面也能減少設(shè)備對(duì)外釋放電磁干擾，所以設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)給予足夠的重視。在產(chǎn)品開發(fā)的初期，兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，結(jié)合電磁環(huán)境方面的因素，制定電磁屏蔽方案，這樣一定能達(dá)到理想的效果。

［1］ 馮慈章，馬西奎.工程電磁場導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2002.