電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計

楊明冬

(武漢光迅科技股份有限公司湖北武漢430074)

現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)功能的增多，使通訊設(shè)備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，而且由于系統(tǒng)內(nèi)部元器件和功率密度的增加，再加上各種內(nèi)外干擾源，使得整個系統(tǒng)的應(yīng)用電磁環(huán)境變得極為惡劣。正因為如此，電子設(shè)備抗電磁干擾技術(shù)研究成為我國電子行業(yè)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。對于電子機(jī)箱的信息輻射泄漏或外部輻射的電磁干擾，屏蔽技術(shù)是最有效的一種手段。

1 電磁屏蔽設(shè)計基本原則

在對電子設(shè)備進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計時，需要注意以下基本原則：

(1)選擇合適的屏蔽效能指標(biāo)。電磁屏蔽設(shè)計之前總體指標(biāo)的分配至關(guān)重要，有30 dB與70 dB準(zhǔn)則之說：一般而言，在同一環(huán)境中的一對設(shè)備，騷擾電平與敏感度門限電平之差小于30 dB時，設(shè)計階段可不必專門進(jìn)行屏蔽設(shè)計；若兩者之差超過70 dB，單靠屏蔽很難保證兩者兼容，即使達(dá)到指標(biāo)，設(shè)備成本將急劇增加，較為可行的辦法是總體指標(biāo)或方案做出適當(dāng)調(diào)整，30～60 dB是屏蔽設(shè)計的常用期望值。

(2)屏蔽體的結(jié)構(gòu)必須簡潔，盡可能減少不必要的孔洞，盡可能不要增加額外的縫隙；避免開細(xì)長孔，通風(fēng)孔盡可能采用圓形孔并陣列排放。屏蔽和散熱有矛盾時盡可能開小孔，多開孔，避免開大孔。

(3)不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體。要重視電纜的處理措施，電纜的處理往往比屏蔽本身重要。一旦有一電纜從屏蔽體中穿出，將對屏蔽體的屏蔽效能產(chǎn)生顯著的惡化作用。

(4)屏蔽體的電連續(xù)性是影響屏蔽效能最主要的因素，相對而言，材料本身屏蔽性能的影響是微不足道的(低頻磁場例外)。要保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，減小孔洞與縫隙的長度。導(dǎo)電連續(xù)性即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體，但實際應(yīng)用中的屏蔽體總會有部分孔洞和縫隙，設(shè)計時需妥善處理孔洞與縫隙。

2 電磁屏蔽技術(shù)的主要措施

2.1 縫隙的電磁屏蔽

電子設(shè)備由于功能的需要，存在大量的縫隙。這些縫隙的電磁屏蔽設(shè)計是電子設(shè)備屏蔽設(shè)計中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的一部分?？p隙的電磁屏蔽可以大致分為兩種：緊固點(diǎn)(包括螺釘、鉚釘、點(diǎn)焊、鎖口等)直接連接；在縫隙中安裝屏蔽材料實現(xiàn)電連接。

緊固點(diǎn)直接連接的方案工藝簡單，成本低廉，一般是首選的方法。對于結(jié)構(gòu)上不能采取緊固點(diǎn)連接(如活動縫隙)，可以采取在縫隙中安裝屏蔽材料的方式。

2.1.1 緊固點(diǎn)直接連接設(shè)計方案

(1)減小縫隙的最大尺寸。為減小縫隙的最大尺寸，最直接的方法是減小緊固點(diǎn)的間距。實踐證明，當(dāng)縫隙的最大線性尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)倍時，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線性尺寸小于λ/100，至少不大于λ/10波長。一般取螺釘間距為λ/20[1]。

(2)增加縫隙深度。增加結(jié)合面縫隙的深度可以大大提高縫隙的屏蔽效能，其作用要明顯大于減小緊固點(diǎn)的間距。如圖1，通過增加縫隙L值可以有效增加縫隙的屏蔽效能。一般推薦縫隙的深度是板厚的10～15倍。但根據(jù)經(jīng)驗，由于零件的剛性和緊固點(diǎn)的面積，單排緊固時縫隙深度超過30mm就沒有實際意義，比較理想的值是15～25mm，至少應(yīng)大于10mm。

圖1 縫隙深度

(3)提高零件的剛性。當(dāng)緊固點(diǎn)距離不變時，結(jié)合面零件的剛性好，則縫隙的最大尺寸更小，因此提高零件的剛性可以提高縫隙的屏蔽效能。增加零件的剛性的常用措施有：采用型材(如圖2)、增加板材厚度、增加折彎次數(shù)(如圖3)等。

圖2 增加零件剛性（型材方式）

圖3 增加零件剛性(增加折彎次數(shù))

2.1.2 安裝屏蔽材料

當(dāng)縫隙的結(jié)構(gòu)形式是活動縫隙或者不能使用太多緊固點(diǎn)時，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。目前常用的屏蔽材料主要有：導(dǎo)電布、屏蔽簧片、金屬絲網(wǎng)、螺旋管、導(dǎo)電橡膠等。

在選擇屏蔽材料后，選擇屏蔽材料合理的結(jié)構(gòu)形式，保證屏蔽材料可靠的壓縮是屏蔽設(shè)計的重點(diǎn)。如圖4，方式二和三的結(jié)構(gòu)形式兩零件之間的接觸能夠提供額外的屏蔽效果，另外由于有安裝槽，能夠保證屏蔽材料可靠的壓縮。因此，方式二和方式三的屏蔽效果比方式一好，其中方式三比方式二又稍微好些。

圖4 屏蔽材料的安裝形式

2.2 孔洞的電磁屏蔽設(shè)計

2.2.1 孔洞屏蔽效能影響因素

影響孔洞電磁屏蔽效能的主要因素有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔間距以及孔的數(shù)量，其中影響最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。需要注意的是屏蔽效能只與孔的最大尺寸有關(guān)，而與孔的面積并沒有直接的關(guān)系，因此在設(shè)計時盡量開圓孔，其次考慮開方孔，盡量避免開長腰孔。

3.2.2 通風(fēng)孔的屏蔽

通風(fēng)孔的屏蔽主要需要均衡通風(fēng)與散熱之間的矛盾，考慮屏蔽需求時，通風(fēng)板的常用類型有穿孔金屬板和波導(dǎo)通風(fēng)板。

(1)穿孔金屬板。穿孔金屬板即在金屬板上面開陣列通風(fēng)孔。通風(fēng)孔尺寸越大，其屏蔽效能越差，為提高屏蔽效能，可在滿足屏蔽體通風(fēng)量要求的條件下，以多個小孔來代替大孔，構(gòu)成屏蔽性能穩(wěn)定的穿孔金屬板。

(2)波導(dǎo)通風(fēng)板。波導(dǎo)通風(fēng)板是利用截止波導(dǎo)的原理制作成的通風(fēng)板，常用的波導(dǎo)通風(fēng)板的厚度有6.3mm，12.7mm和25.4mm三種規(guī)格，厚度越大，屏蔽效能越高。波導(dǎo)通風(fēng)板的價格昂貴，特別是鋼制波導(dǎo)通風(fēng)板的價格更高，一般在設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用鋁制波導(dǎo)通風(fēng)板，但由于鋁制波導(dǎo)通風(fēng)板對低頻磁場幾乎透明，因此當(dāng)對低頻磁場有要求時，應(yīng)該選用鋼制波導(dǎo)通風(fēng)板。

3.3.3 其他孔洞的屏蔽

由于指示燈、操作按鈕、觀察孔等需求會導(dǎo)致在電子設(shè)備面板上開各種孔洞，對于這些孔洞的電磁屏蔽設(shè)計時，可按照以下步驟考慮：

(1)最好將指示燈、操作按鈕、觀察孔等設(shè)置在屏蔽體外；

(2)建議選用屏蔽的元器件，例如帶屏蔽的指示燈、按鈕以及屏蔽玻璃等；

(3)采用加屏蔽罩的方法將這些孔洞屏蔽；

(4)對于小的孔洞，如果屏蔽效能足夠，如果孔洞中不引出電纜，可以不處理。

2.3 線纜的電磁屏蔽設(shè)計

為了避免電纜穿透對電子設(shè)備屏蔽體的影響，可以從以下幾個方面采取措施：

(1)采用屏蔽電纜時，屏蔽電纜在出屏蔽體時，采用夾線結(jié)構(gòu)，保證電纜屏蔽層與屏蔽體之間可靠接地，提供足夠低的接觸阻抗。

(2)采用屏蔽電纜時，用屏蔽體連接器轉(zhuǎn)接將信號接出屏蔽體，通過連接器保證電纜屏蔽層的可靠接地[2]。

(3)采用非屏蔽電纜時，采用濾波轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)接，由于濾波器高頻的特性，保證了電纜與電子設(shè)備屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

(4)采用非屏蔽電纜時，電纜在屏蔽體的內(nèi)側(cè)(或者外側(cè))要足夠短，使干擾信號不能有效地耦合出去，從而減小了電纜穿透的影響。

(5)電源線通過電源濾波器出屏蔽體，由于濾波器通高頻的特性，保證電源線與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

2.4 搭接設(shè)計

搭接指在兩個金屬物體之間建立一條低阻抗連接通路的工藝措施。由于通信產(chǎn)品十分復(fù)雜，接地回路不可避免需要許多零件組成，這樣各零件之間的搭接性能顯得十分重要，良好的搭接可以保證電子設(shè)備自身以及電子設(shè)備與地系統(tǒng)之間良好的電連續(xù)性。

2.4.1 搭接設(shè)計基本原則

搭接設(shè)計的基本原則是保證電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件自身以及電子設(shè)備與地系統(tǒng)之間良好的電連續(xù)性，并提供足夠低的阻抗(從直流電阻到高頻阻抗)，實現(xiàn)電阻設(shè)備結(jié)構(gòu)件的等電位連接。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件的這種等電位連接對系統(tǒng)的安全性和電磁兼容性，甚至產(chǎn)品的正常工作均有十分重要的影響。

2.4.2 搭接設(shè)計要求

(1)保證搭接面具有良好的導(dǎo)電性。一般要求電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件連接表面和電纜連接端子應(yīng)該是導(dǎo)電的或者經(jīng)過導(dǎo)電處理。由于工藝條件的限制，在產(chǎn)品設(shè)計中，搭接面的表面處理措施往往已經(jīng)根據(jù)其他方面的需求確定下列，因此一般不單獨(dú)對搭接面的導(dǎo)電性能提出具體的指標(biāo)要求。

(2)保證搭接面的清潔干凈。為了保證搭接面的導(dǎo)電性能，搭接面必須清洗干凈，保證無灰塵、油膜、油漆、氧化層以及其他非導(dǎo)電材料。

(3)保證搭接面可靠接觸。一般只允許采用面接觸的形式實現(xiàn)搭接，原則上禁止通過螺紋、鉚釘?shù)确绞綄崿F(xiàn)搭接。

(4)保證搭接面有足夠的緊固力。對于單點(diǎn)搭接，可以采用螺釘、焊接等緊固方式，原則上限制采用鉚接的形式。采用螺釘連接時，必須采用M 5或者更大的螺釘連接，螺釘?shù)木o固力應(yīng)符合設(shè)備的扭矩要求，另外，螺釘應(yīng)有防松裝置，保證不會脫落。

對于多點(diǎn)搭接，一般對連接形式不做具體要求。

(5)足夠的接觸面積。對于單點(diǎn)搭接，要求搭接面直徑大于φ15mm。

(6)防止搭接點(diǎn)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

3 結(jié)束語

電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計是工程實踐中遇到的普遍問題，在設(shè)計過程中必須認(rèn)真地分析各種干擾信號來源，采取各種有效措施，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

[1]邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M]，南京：東南大學(xué)出版社，2001

[2]于慶禎.電氣設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1