電子測量儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁兼容技術(shù)

陳振琳

（中國電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島266555）

0 引言

電磁兼容（EMC）一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的各種設(shè)備都能正常工作又互不干擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)。這就要求電子設(shè)備一方面減小對外界環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾即EMI要求，另一方面電子設(shè)備不能對外界環(huán)境的電磁干擾過于敏感即EMS要求。

當(dāng)前，在有限的時(shí)間、空間及有限的頻譜資源條件下，各種電氣及電子設(shè)備的數(shù)量迅速增加，用電設(shè)備密集程度越來越大，工作頻率越來越高，空間電磁環(huán)境不斷惡化。電子測量儀器不斷朝著智能化、小型化、多功能集成化等方向發(fā)展，性能要求也越來越高，如要求大動態(tài)測試范圍、高靈敏度、高分辨率、高頻譜純度、寬頻帶等，其內(nèi)部電磁環(huán)境也愈發(fā)惡劣。因此，對電子測量儀器電磁兼容性設(shè)計(jì)的要求也日益提高。

常見的電磁兼容性設(shè)計(jì)有優(yōu)化信號設(shè)計(jì)、完善線路設(shè)計(jì)、隔離、對消與限幅、濾波、接地、屏蔽、搭接等。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，最主要的是考慮后三個方面的內(nèi)容[1]。下面將重點(diǎn)就這三個方面對電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開論述。

1 接地設(shè)計(jì)

“地”一般定義為電路或系統(tǒng)零電位參考點(diǎn)或面，“接地”一般指電路或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通道[2]。電路或系統(tǒng)的接地，按其作用可分為安全接地和信號接地。

安全接地就是將電器、電子設(shè)備的外殼利用低阻導(dǎo)體連至大地上。比如，一些儀器，在機(jī)箱的面板上設(shè)有專門的接地端子。當(dāng)儀器工作時(shí)，用低阻導(dǎo)線將接地端子接至大地，人員觸及外殼時(shí)就不易發(fā)生電擊危險(xiǎn)。

信號接地的目的就是為信號電壓提供一個零電位的參考點(diǎn)。對于電子設(shè)備，將它的底座或外殼接地，除了用于防止內(nèi)部高壓回路與外殼相接以保證安全外，更重要的是為了在電子設(shè)備內(nèi)部提供一個作為電位基準(zhǔn)的導(dǎo)體，以保證設(shè)備的工作穩(wěn)定，這個導(dǎo)體就稱為接地面。設(shè)備的底座或外殼往往通過它來接地。該大面積導(dǎo)體相對大地的電位一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定，就會引起設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

下面列舉幾種電子測量儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見信號接地的實(shí)例。

1.1 電纜屏蔽層的接地

在低頻情況下，即電纜長度遠(yuǎn)小于芯線信號波長時(shí)，電纜屏蔽層一般采用單點(diǎn)接地。由于芯線電流與屏蔽層中電流方向相反、大小相等，因此往返電流在屏蔽層外的漏磁場相互抵消。

對于高頻情況，如果電纜的線長接近于芯線信號1/4波長時(shí)，就應(yīng)采用多點(diǎn)接地。一般取每隔1/10波長有一個接地點(diǎn)，至少應(yīng)在屏蔽的兩個端點(diǎn)接地。該接地方式使信號返回電流幾乎全部經(jīng)過低阻屏蔽層而不經(jīng)過電纜芯線的內(nèi)導(dǎo)體，因而可以抑制地回路干擾。

1.2 電源濾波器的接地

電源濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成。根據(jù)其工作原理，只有濾波器的共模電容接地時(shí)，才能將線路上的共模干擾旁路掉；同時(shí)，為了對高頻起到有效的旁路作用，要求電容的引線越短越好。通常，電源濾波器的殼體就是其回流的通道。所以，在安裝濾波器時(shí)，應(yīng)將濾波器的外殼大面積貼在設(shè)備的導(dǎo)電表面上。另外，為了避免電網(wǎng)上的干擾進(jìn)入設(shè)備后，還沒有經(jīng)過濾波器就通過空間耦合到線路板上，對電路造成干擾，或者設(shè)備內(nèi)部的干擾直接感應(yīng)到電源線上傳出設(shè)備，電源濾波器一定要安裝在設(shè)備的電源線入口處，而且濾波器的電源輸入線要盡可能的短。綜合以上兩點(diǎn)，電源濾波器的正確安裝方式為：將濾波器殼體直接搭接在整機(jī)機(jī)殼上，并保證兩者之間形成良好的電氣連接。我所電子測量儀器上的電源濾波器，一般安裝在后蓋板（鋁質(zhì)，表面導(dǎo)電氧化處理）上，然后用螺釘緊固。具體如圖1所示。

圖1 電源濾波器的安裝

1.3 封閉屏蔽體內(nèi)裝置的接地

為屏蔽體內(nèi)的裝置安排地線時(shí)，不得將屏蔽體本身作為電流的回線。裝置應(yīng)經(jīng)接地母線或緊靠屏蔽體的接地平板接地，這些母線或平板除了在一點(diǎn)與屏蔽體連接外，其余部位應(yīng)與屏蔽體絕緣。這個接地點(diǎn)為屏蔽體內(nèi)的裝置提供唯一的接地連接[3]。例如圖2中內(nèi)外兩屏蔽層之間的連接。

另外，接地的實(shí)施還包括數(shù)字地與模擬地的隔離、結(jié)構(gòu)地和信號地的隔離等等。

當(dāng)然，接地往往會因?yàn)閷?dǎo)電耦合、電容耦合、電磁耦合或者金屬導(dǎo)體的天線效應(yīng)等不可避免的帶來地環(huán)路干擾問題。為了抑制地環(huán)路的干擾，除了選擇合理的接地方式外，通常采用浮地（只適用于低頻）或者電路中增加差分平衡電路、隔離變壓器、縱向扼流圈以及光耦合器等等。

2 屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽，就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻囊院?、殼、板和柵等形式將電磁場限制在一定空間范圍內(nèi)，使電磁場從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)受到很大的衰減，從而抑制了電磁場干擾的擴(kuò)散。根據(jù)其抑制功能不同，可分為為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽[4]。

2.1 電場屏蔽設(shè)計(jì)

電場屏蔽即靜電或電場的屏蔽，用于防止或抑制寄生電容耦合，隔離靜電或電場干擾。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：

1）屏蔽體必須良好接地

電屏蔽體接地質(zhì)量對屏蔽效能影響極大。一般要求屏蔽體與地的連接電阻小于2mΩ，在嚴(yán)格的場合下要求連接電阻小于0.5 mΩ。

2）正確選擇接地點(diǎn)

在電路布局和地線設(shè)置時(shí)，應(yīng)避免低電平電路的地線中流過大量值的地電流。因?yàn)檫@樣可以避免形成大的地電位差，干擾到低電平電路。

3）合理設(shè)計(jì)屏蔽體的形狀

盒體屏蔽體比板狀的要好；全封閉的優(yōu)于開有窗孔和縫隙的。為獲得高屏蔽效能，要盡量縮小開孔的最大線形尺寸和減少開孔數(shù)量。

4）注意屏蔽體材料的選擇

屏蔽體應(yīng)選用良導(dǎo)體，如銅、鋁等。必要時(shí)，屏蔽體表面可鍍銀，以提高屏蔽效能。

2.2 磁場屏蔽設(shè)計(jì)

要想達(dá)到良好的磁屏蔽效果，主要從以下幾個方面著手考慮。

1）屏蔽材料的選擇

在低頻（100kHz以下）常用屏蔽材料是高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，如鐵、硅鋼片、坡莫合金等。其屏蔽原理是利用鐵磁材料的高導(dǎo)磁率對干擾磁場進(jìn)行分路，使得大部分磁通在磁屏蔽體上分流，來達(dá)到屏蔽的目的。由Rm=l/mS，可知在磁路的橫截面積一定的情況下，若鐵磁材料的磁導(dǎo)率m越高，屏蔽罩越厚（l越大），則磁阻越小，磁屏蔽效果越好。

但在高頻時(shí)，鐵磁材料中的磁性損耗很大（包括磁滯損耗和渦流損耗），從而造成線圈Q值下降等不利影響。而且在高頻時(shí)導(dǎo)磁率明顯下降，導(dǎo)致屏效大大下降，所以鐵磁材料不適于高頻。

在高頻時(shí)主要選用低電阻率的導(dǎo)體材料，如鋁、銅及銅鍍銀等。其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽殼體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場來達(dá)到屏蔽的目的。此時(shí)，屏蔽盒是否接地不影響屏蔽效果；但是，如果將其接地可以同時(shí)進(jìn)行電場屏蔽和高頻磁場屏蔽，所以實(shí)際中屏蔽盒一般應(yīng)接地。

2）屏蔽體的結(jié)構(gòu)及工藝

用鐵磁材料進(jìn)行低頻磁屏蔽時(shí)，在垂直于磁力線方向上不應(yīng)開口或有縫隙。否則開口或縫隙會切斷磁力線，使磁阻增大，磁屏蔽效果變差。而在用良導(dǎo)體進(jìn)行高頻磁屏蔽時(shí)，屏蔽層上的開口方向應(yīng)盡量不切斷感應(yīng)電流。

由于接縫的連接工藝及結(jié)構(gòu)對屏蔽效能的影響較大，所以常用熔焊、點(diǎn)焊、鉚接和螺釘連接等來減小接縫的長度。熔焊時(shí)應(yīng)采用與本體材料相同的焊條，使接縫具有最佳的屏蔽效能。點(diǎn)焊和鉚接時(shí)，在接縫處應(yīng)有足夠的重疊。實(shí)測表明當(dāng)重疊部分為9.5mm、點(diǎn)焊間距為12.7mm時(shí)，接縫對磁屏蔽效能的影響幾乎可以不予考慮。螺釘連接時(shí)，在交接處同樣應(yīng)有足夠的重疊和盡可能小的螺釘間距。

鐵磁材料，特別是一些高磁導(dǎo)率材料，制成的磁屏蔽罩對機(jī)械應(yīng)力較為敏感，因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力的存在將使磁性材料的磁導(dǎo)率大大下降。例如坡莫合金，經(jīng)機(jī)械加工后未經(jīng)退火處理時(shí)的磁導(dǎo)率僅為退火后磁導(dǎo)率的5%左右。因此，磁屏蔽體必須在機(jī)械加工全部完成之后進(jìn)行退火處理。

3）雙層或多層屏蔽

若要求達(dá)到較高的屏效時(shí)，一般采用雙層或多層屏蔽，而不是單純的將屏蔽體加厚。一般情況下，若要屏蔽外部的強(qiáng)磁場，外層選用低電阻率的導(dǎo)體材料，使其在強(qiáng)磁場作用下不致飽和；內(nèi)層選用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料。若要屏蔽內(nèi)部強(qiáng)磁場，則材料順序與上述相反。內(nèi)外屏蔽層的固定要確保層間磁絕緣。比如兩屏蔽層之間加0.25mm厚的絕緣紙做隔離層。我所某儀器上的YIG振蕩器的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是如此。具體方法如圖2所示。

圖2 YIG振蕩器磁屏蔽示意圖

2.3 電磁場屏蔽設(shè)計(jì)

電磁場屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、反射來達(dá)到減弱干擾能量作用的。電磁屏蔽的決定因素在于屏蔽的連續(xù)性。

下面以某儀器上的兩處電磁場屏蔽設(shè)計(jì)加以論述。

1）機(jī)殼的電磁屏蔽。機(jī)殼分三部分，由前至后分別為機(jī)頭、套筒和后蓋板。其中套筒為整體式，這樣不僅拆裝方便，而且有效減小了與外界的接縫長度。然而，為了使儀器具有良好的可維修性，套筒與機(jī)頭、后蓋板之間仍然不可避免的存在接縫，而且這些接縫均為大范圍的不平整接縫。為了保證三者之間的電連續(xù)性，提高機(jī)殼的電磁屏蔽效能，在這些接縫處分別填充帶橡膠芯絲網(wǎng)襯墊和導(dǎo)電布襯墊。機(jī)頭、套筒和后蓋板三者之間的對接關(guān)系如圖3所示。

圖3 機(jī)殼電磁屏蔽圖

2）印制板電路的電磁屏蔽。屏蔽盒材料選用導(dǎo)電性能好、易加工的鋁板，表面進(jìn)行化學(xué)導(dǎo)電氧化處理。屏蔽盒上留有相互貫通的凹槽，槽內(nèi)放置導(dǎo)電橡膠條，從而保證了屏蔽盒接地的連續(xù)性。具體方法如圖4所示。

圖4 印制板電路電磁屏蔽圖

另外，在進(jìn)行電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該注意：敏感線路或干擾源應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)體的接縫等不連續(xù)的地方；適當(dāng)增大縫隙的深度，并保證縫隙結(jié)合的緊密度；適當(dāng)增加孔洞的縱深；屏蔽體的形狀尺寸上要避免形成空腔諧振等。

3 搭接設(shè)計(jì)

所謂搭接就是指在兩金屬物體之間建立一個供電流流動的低阻抗通路。這樣可以避免在不同金屬物體在之間出現(xiàn)電位差，從而避免由于電位差而引起的電磁干擾。此外，良好的搭接對設(shè)備的雷電防護(hù)、靜電泄放、人員安全保護(hù)也是必不可少的措施。搭接分為直接搭接和間接搭接。

直接搭接是在互聯(lián)元件之間不使用輔助導(dǎo)體而建立一條有效的電氣通路。正確的直接搭接，直流電阻很低，并能獲得一個低至搭接部分結(jié)構(gòu)所允許的射頻阻抗[5]。連接方式一般包括螺紋鎖固、鉚釘鉚接、壓接、熔焊、釬焊等等。直接搭接的兩者之間，要有足夠的配接面，并且通過螺釘或者鉚釘給配接面以一定的壓力。

另外，半剛電纜的屏蔽層與接頭外導(dǎo)體之間的連接也是典型的直接搭接。電纜剝離出內(nèi)導(dǎo)體后，將接頭外導(dǎo)體套入，然后用錫焊將電纜的屏蔽層與接頭外導(dǎo)體進(jìn)行360°環(huán)接 。

間接搭接是借助中間過渡導(dǎo)體（搭接條或片）把金屬構(gòu)件在電氣上連接在一起。搭接條的緊固手段有：螺栓、鉚釘、熔焊、釬焊或堆焊等。搭接條通常選用導(dǎo)電性能好的扁平、實(shí)心薄板料制作。比如，長寬比為3：1（一般不超過5：1）的鈹銅合金片或磷青銅片。但是要注意搭接條和被連接件之間由于材料的不同而會產(chǎn)生腐蝕的可能。所以，必要時(shí)搭接條要鍍以合適的電鍍層。在劇烈振動的條件下，應(yīng)將搭接條做成回折形，以防止過渡的阻尼將其損壞。

然而，在電子儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于操作要求或者相互的位置關(guān)系限制，間接搭接的實(shí)施一般借助的不是形狀規(guī)則、長寬比一定的簡單搭接條，而是在其基礎(chǔ)上的延伸。比如，梳形簧片；圖3中的帶橡膠芯絲網(wǎng)襯墊和導(dǎo)電布襯墊。

在選擇搭接時(shí)，優(yōu)先選用直接搭接，而且最好是永久性搭接。在搭接實(shí)施時(shí)，搭接接觸表面應(yīng)光滑、清潔，沒有非導(dǎo)電的表面涂層，并保證有足夠的壓緊力。

4 其它電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)踐表明，即使一個經(jīng)過很好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽和接地措施的設(shè)備，也仍然會有不需要的能量傳導(dǎo)進(jìn)入，致使系統(tǒng)的性能降低或引起設(shè)備的失靈。濾波器則可以在保證所需要的能量能正常通過的情況下，把這些不需要的能量拒之門外。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，合理的安裝、利用濾波器往往可以有效提高設(shè)備的電磁兼容性。比如，屏蔽電纜，其屏效尤其是在高頻時(shí)主要取決于電纜屏蔽層的端接情況。只有當(dāng)端接為360°低阻抗搭接時(shí)，才有較理想的屏效。但是當(dāng)電纜需要穿過屏蔽體時(shí)，接交處很難實(shí)現(xiàn)360°環(huán)接。此時(shí)一般采用在屏蔽體上安裝濾波器（比如穿芯電容）將電纜上的有用信號導(dǎo)出。近年來流行的濾波連接器也是利用了這一點(diǎn)。其可以直接取代普通連接器，但是在提高設(shè)備的電磁兼容性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通連接器。

合理的結(jié)構(gòu)布局在提高電磁兼容性上也是非常有效的。比如將電源、射頻模塊、逆變器等盡量遠(yuǎn)離敏感部件，電纜盡量貼“地”走等等。另外，在電纜上穿鐵氧體吸收磁環(huán)等措施在一定程度上都可以提高電子測量儀器的電磁兼容性。

5 結(jié)束語

實(shí)際中，要進(jìn)行有效的電磁兼容性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該有一個綜合的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，要納入到整體設(shè)計(jì)中去，而不是等到實(shí)物出來后再“圍追堵截”。當(dāng)然，也不排除實(shí)施過程中的反復(fù)。一般情況下，電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟如圖5所示。

圖5 電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

［1］路波，姚曉輝.電子測量儀器電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子測試技術(shù)：首刊.

［2］劉鵬程，邱揚(yáng).電磁兼容原理及技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1993.

［3］GJB/Z25-91電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南[Z].

［4］曹白楊，王曉.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2009.

［5］GJB/Z25-91電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南[Z].