通信設(shè)備機(jī)箱電磁兼容設(shè)計(jì)

劉　遠(yuǎn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊　050081)

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通信設(shè)備機(jī)箱電磁兼容設(shè)計(jì)

劉遠(yuǎn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

摘要:基于通信設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容的目的，利用電磁屏蔽原理提高通信設(shè)備抑制電磁干擾的能力，通過分析通信設(shè)備對機(jī)箱的設(shè)計(jì)要求，得出了通信設(shè)備機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)包括機(jī)箱材料選擇和保證屏蔽完整性兩方面的結(jié)論，并進(jìn)一步給出了通信設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)上關(guān)于蓋板、通風(fēng)孔、導(dǎo)線穿透和開口、縫隙處理等方面電磁屏蔽設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞:通信設(shè)備; 機(jī)箱; 電磁兼容性; 電磁效能; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電氣化及自動(dòng)化水平的不斷提高，電磁環(huán)境日益復(fù)雜多變，干擾引發(fā)的問題在航空、航天、船舶等軍工領(lǐng)域的通信設(shè)備研制中更加突出，這就需要進(jìn)行電磁兼容的設(shè)計(jì)與研究。通信設(shè)備要求具有抵御外界電磁干擾的能力，并最大限度地避免設(shè)備自身對周圍環(huán)境的電磁污染，因此，有必要進(jìn)行深入的分析研究，各種措施綜合、統(tǒng)一起來，探索出新的途徑。為了達(dá)到理想的電磁屏蔽效果，分析電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備，采取有效的技術(shù)手段，抑制干擾源、消除或減弱干擾的耦合，低敏感設(shè)備對干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。對于通信設(shè)備機(jī)箱采取電磁屏蔽、接地和濾波等措施，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)構(gòu)上的電磁屏蔽設(shè)計(jì)即利用屏蔽材料切斷輻射騷擾的傳播途徑，阻隔或衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁能量傳播[1]。

屏蔽，就是對兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。影響屏蔽體屏蔽效能的兩個(gè)重要因素：一是保證屏蔽體的電連續(xù)性，二是不能有直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體。

通信設(shè)備機(jī)箱采用屏蔽、接地、軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)孔處加通風(fēng)波導(dǎo)、使用濾波器以及采用高性能電源線濾波等方法，對電磁干擾進(jìn)行有效的抑制。

1機(jī)箱結(jié)構(gòu)

通信設(shè)備機(jī)箱整體布局見圖1所示，由箱體、前面板和蓋板組成。機(jī)箱內(nèi)部設(shè)備電源布置在左側(cè)，采取濾波措施。機(jī)箱內(nèi)部右側(cè)安裝一個(gè)小插箱，內(nèi)裝既有干擾源又有敏感源的印制板插件，插件安裝在插箱左右兩排上下共4個(gè)。前面板的背面安裝鉸鏈和兩側(cè)下部裝小轉(zhuǎn)軸，具有上下旋轉(zhuǎn)打開功能，便于內(nèi)部插件插拔操作。機(jī)箱箱體后部安裝一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)接插座和接地柱等。

在機(jī)箱材料的選擇上，需考慮電場、磁場二者的兼容問題，近場區(qū)設(shè)計(jì)屏蔽時(shí)，對電場和磁場的屏蔽要分別考慮。

使用高導(dǎo)電材料屏蔽電場，屏蔽體與騷擾源盡量靠近，使用高導(dǎo)磁材料屏蔽磁場，屏蔽體與騷擾源盡量遠(yuǎn)離。屏蔽效能通常與材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性密切相關(guān)，材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好屏蔽效果越佳。機(jī)箱的箱體、面板和蓋板采用鋁合金材料，經(jīng)過導(dǎo)電氧化處理，具有良好的導(dǎo)電性能。箱體由鋁合金板材折彎后，焊接拼裝而成[2]。

圖1　機(jī)箱結(jié)構(gòu)裝配示意圖

2機(jī)箱的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段應(yīng)該綜合考慮整機(jī)采取的電磁屏蔽措施，合理布局、接地、選擇和設(shè)置屏蔽材料等，使可能產(chǎn)生的電磁干擾的各個(gè)部分分開布置，減小相互電磁干擾。在功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，從電路板布局、線路設(shè)計(jì)、元器件選取和布置、機(jī)箱內(nèi)部線纜布置、屏蔽、濾波等，每個(gè)環(huán)節(jié)都要考慮設(shè)備的電磁兼容性。通信設(shè)備機(jī)箱采用屏蔽、接地、軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)孔處加通風(fēng)波導(dǎo)、使用濾波器以及采用高性能電源線濾波等方法，進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。

2.1前面板的電磁屏蔽

機(jī)箱前面板中心安裝液晶顯示屏，右側(cè)安裝薄膜鍵盤，左側(cè)設(shè)有電源開關(guān)和指示燈等。前面板采用鋁板加工而成，經(jīng)過導(dǎo)電氧化處理。在液晶顯示屏的前部安裝屏蔽玻璃，屏蔽玻璃是在透明玻璃中間嵌入一層250目的編織金屬絲網(wǎng)，在屏蔽玻璃四周絲網(wǎng)延長15mm，用小壓板將屏蔽玻璃周邊的絲網(wǎng)與面板壓緊，達(dá)到良好的表面接觸，在液晶顯示屏的后部兩邊設(shè)計(jì)壓條將液晶顯示屏、屏蔽玻璃和面板壓緊固定。前面板右側(cè)安裝的薄膜鍵盤后部裝有擋板，擋板將薄膜鍵盤后部包上并與面板壓牢。前面板左側(cè)上部安裝指示燈，面板指示燈位置開孔設(shè)計(jì)成外小內(nèi)大臺(tái)階式孔，既能顯示又能達(dá)到屏蔽效果。前面板左側(cè)下部的電源開關(guān)和插座與面板接觸表面安裝鋁鍍銀導(dǎo)電襯墊。

2.2箱體的電磁屏蔽

機(jī)箱箱體的電磁屏蔽主要是解決非閉合接合面不平整，閉合接縫焊接質(zhì)量不好、螺釘?shù)染o固件距離不合理或存在縫隙等原因造成電磁泄漏，屏蔽效能下降[3]。為了提高機(jī)箱的屏蔽效能，盡量減小機(jī)箱結(jié)構(gòu)上的電不連續(xù)性，減小輻射泄漏。在機(jī)箱的箱體與前面板接觸表面處開有凹槽，槽內(nèi)填入帶有橡膠芯的金屬編織絲網(wǎng)襯墊。前面板當(dāng)旋轉(zhuǎn)關(guān)閉時(shí)與箱體接觸表面緊密和電連續(xù)。箱體左右兩側(cè)面開有通風(fēng)孔，在通風(fēng)孔內(nèi)側(cè)裝有金屬屏蔽絲網(wǎng)。箱體后部內(nèi)側(cè)裝有通風(fēng)散熱的軸流風(fēng)機(jī)和鋼制蜂窩式通風(fēng)波導(dǎo)板。箱體后部安裝的連接器插座與箱體接觸表面安裝鋁鍍銀導(dǎo)電襯墊。

2.3蓋板的電磁屏蔽

通信設(shè)備需要測試和維修，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)蓋板便于打開，蓋板的材料采用鋁合金板材并導(dǎo)電氧化處理，在蓋板與箱體的接觸表面粘鈹青銅指形簧片，達(dá)到良好的電連續(xù)接觸。蓋板中部開有2處通風(fēng)孔，在通風(fēng)孔內(nèi)側(cè)裝有金屬屏蔽絲網(wǎng)，既滿足通風(fēng)散熱又能達(dá)到電磁屏蔽效果。

2.4電源抗干擾措施

綜合考慮電源模塊在機(jī)箱內(nèi)的布局，將其放置在機(jī)箱左側(cè)單獨(dú)空間位置，減小干擾。采取正確的濾波器安裝方法，在電源插座內(nèi)就近位置安裝電源濾波器。

2.5機(jī)箱接地

機(jī)箱接地設(shè)計(jì)既能提高設(shè)備抗干擾又能減小電磁發(fā)射。接地分為保護(hù)性接地和功能性接地等形式。機(jī)箱采取的保護(hù)性接地措施為在箱體后部設(shè)有接地柱，用接地線對其接地連接，接地給系統(tǒng)提供一個(gè)參考的等電位面。功能性接地包括EMC的接地等，EMC的接地考慮相關(guān)頻率范圍的等電位連接，機(jī)箱內(nèi)安裝的各種模塊和器件等和箱體接觸表面相互電連接，形成一條低阻抗路徑，使整個(gè)機(jī)箱等電位，達(dá)到電磁兼容效果。

3濾波設(shè)計(jì)

濾波是濾除沿導(dǎo)線傳入和傳出設(shè)備的騷擾頻譜，并將這些騷擾減小到不超過給定規(guī)范值的一種方法。濾波包括電源線濾波和信號線濾波兩種。因?yàn)樵O(shè)備或系統(tǒng)上的外接電纜是最有效的干擾接收與發(fā)射天線，吸收空間的電磁干擾，外界的干擾信號經(jīng)過外接電纜的傳導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部形成干擾。濾除這些騷擾頻譜的辦法是：在相應(yīng)的位置安裝高性能濾波器，例如，為有效抑制干擾需在通信設(shè)備電源線輸入處安裝使用高性能電源濾波器。為達(dá)到預(yù)期的濾波效果，要求最大限度的隔離濾波器的輸入線與輸出線，不能捆扎在一起。濾波器的金屬外殼和機(jī)箱殼體要緊密搭接，接觸面積越大越好，以保證良好的低阻抗接地通道，不能采用單根線將濾波器接地的方式[4]。在濾波技術(shù)中，最重要的兩種干擾方式是共模干擾和差模干擾。對于不同的干擾，采取不同濾波器件和濾波措施，實(shí)現(xiàn)更好的對干擾頻率的濾波效果。

導(dǎo)線或電纜穿過屏蔽機(jī)箱時(shí)，在導(dǎo)線或電纜上套一個(gè)鐵氧體磁環(huán)，能抑制電纜上的干擾。鐵氧體磁環(huán)應(yīng)用在PCB板、電源線、信號線上，適合吸收開關(guān)瞬態(tài)或寄生響應(yīng)而產(chǎn)生的高頻振蕩，1MHz以上抑制效果更好。鐵氧體磁環(huán)的選擇體積越大效果越好，長而細(xì)比短而粗好，內(nèi)徑越小，效果越好。鐵氧體磁環(huán)的安裝盡量靠近干擾源，在進(jìn)出屏蔽機(jī)箱的導(dǎo)線上安裝時(shí)，應(yīng)該靠近機(jī)箱電纜端頭。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對通信設(shè)備采取合理布局、屏蔽、接地、濾波等電磁兼容措施，按照相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測試，表明方法有效，符合指標(biāo)要求。

以下所示為對電場輻射發(fā)射RE102(垂直極化)和RE102(水平極化) 的試驗(yàn)，測試曲線見圖2和圖3。

圖2　電場輻射發(fā)射RE102(垂直極化)

圖3　電場輻射發(fā)射RE102(水平極化)

5結(jié)束語

上面對通信設(shè)備機(jī)箱通過結(jié)構(gòu)形式的合理設(shè)計(jì)、材料的選擇、合理布置以及良好的接地、濾波等措施后，經(jīng)試驗(yàn)測試符合指標(biāo)要求，達(dá)到電磁兼容效果。

通信設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定功能使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2]程華.磁屏蔽在電子機(jī)箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2015，8：47-50.

[3]呂文紅.電磁兼容原理及應(yīng)用教程(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4]董愛華.通信設(shè)備的電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[C].中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)2007年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007,262-268.

Design of communication equipment cabinet with electromagnetic compatibility

LIU Yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Abstract:Based on communication equipment achieving electromagnetic compatibility under complex electromagnetic environment,using the principle of electromagnetic shielding for electromagnetic interference suppression,through the analysis of the design requirements of communication equipment cabinet,the paper comes to the conclusion that the shielding design of communication equipment cabinet includes material selection and ensure the shielding integrity,and futher gives method and technical measures of electromagnetic shielding design on the communication equipment cabinet structure,such as the cover,vent,wire penetrating and opening,crack treatment.

Keywords:Communication equipment; Cabinet; Electromagnetic compatibility；The electromagnetic effectiveness; Architectural design

中圖分類號：TP23; O441.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9383(2016)01-0035-04

作者簡介:劉遠(yuǎn)(1988-),女，河北石家莊人，助理工程師，主要研究方向機(jī)械設(shè)計(jì)研究與開發(fā).

收稿日期：2015-12-20