布線設(shè)計對電子機箱屏蔽性能的影響

周步鋒，沈博文

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電磁兼容(Electtromagnetic Compatibility，EMC)是研究電磁干擾的一門技術(shù)。GJB72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語》對“電磁兼容性”定義如下：設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。它包括以下兩個方面：(a)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運行時可按規(guī)定的安全裕度實現(xiàn)設(shè)計的工作性能且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；(b)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境(或其他設(shè)備)帶來不可接受的電磁干擾。

實踐證明，按照電磁兼容設(shè)計規(guī)范設(shè)計的屏蔽機柜一般很容易達到40～60 dB的屏蔽效能，但電纜布線設(shè)計不合理會造成電子設(shè)備產(chǎn)生EMC問題。這是因為電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時也是干擾傳導(dǎo)的良好通道。電纜作為耦合途徑會導(dǎo)致GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中要求的CE102(傳導(dǎo)發(fā)射)和RE102(輻射發(fā)射)兩項指標(biāo)超標(biāo)。本文針對這兩個超標(biāo)的項目找到存在的問題，提出相應(yīng)的設(shè)計原則。

1 EMC的基本原則

從EMC的定義中可以看出包含了3個部分：電磁干擾(EMI)、電磁敏感度(EMS)和電磁環(huán)境。因此，可以說電磁干擾有3要素：干擾源、耦合途徑和敏感(接收)裝置。這3個要素缺一不可，少一個就構(gòu)不成電磁兼容問題。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 電磁干擾3要素

首先要從這3個要素著手解決電磁兼容問題。可以看出，耦合途徑在這3個要素中處于重要的位置。對于電子設(shè)備，耦合途徑既是EMI信號的耦合途徑又是EMS信號的耦合途徑。電纜布線存在的電磁干擾主要屬于傳導(dǎo)干擾，是由公共阻抗耦合或通過某一組連接件相互作用產(chǎn)生電磁干擾。當(dāng)然布線也發(fā)射電磁波，也存在輻射干擾，尤其當(dāng)布線傳輸信號頻率超過30MHz時輻射干擾就比較明顯。所以，作為耦合途徑的電纜對于解決電磁兼容問題有著很重要的意義。

2 電纜布線設(shè)計原則

試驗證明，合理的電纜布線對電子設(shè)備電磁兼容性非常有利。機柜內(nèi)電纜布線原則如下：

(1) 要盡可能減小耦合，應(yīng)充分利用機柜的前后或?qū)强臻g對敏感線和干擾線進行遠距離敷設(shè)。

(2) 要考慮屏蔽、濾波和接地技術(shù)，保證其合理性。

(3) 要考慮電纜分類，如干擾線和敏感線之類，這樣就可成束近似相同及相似干擾類型的電纜，干擾大的電線束與干擾小的電線束要保證對應(yīng)的隔離度。應(yīng)采用屏蔽和濾波的手段將不得不敷設(shè)在一起不同類型的電纜進行隔離。

(4) 要區(qū)分電源線和信號線、輸入線和輸出線。此兩類線纜由于空間等因素不好分開時盡可能使電纜敷設(shè)成垂直相交，避免平行走向。

(5) 應(yīng)優(yōu)先考慮將不同類型的電纜從不同方向進入設(shè)備內(nèi)，減小電纜之間的耦合。

(6) 應(yīng)考慮使用有屏蔽濾波功能的電連接器，保證電纜不能成為耦合途徑。

3 電纜布線設(shè)計措施

3.1 電磁干擾的處理措施

電纜是引起干擾的重要原因，應(yīng)考慮正確布置電纜，從而減少各種寄生耦合。為了避免電纜上的干擾，應(yīng)優(yōu)先使用屏蔽線。屏蔽線分以下幾類：在頻率30 kHz以下的普通屏蔽、在頻率100 kHz以下雙絞線和屏蔽雙絞線、在頻率100 MHz以下的同軸電纜、在更高頻率的波導(dǎo)管。此外，在軍用設(shè)備上的電纜一般采用雙層屏蔽電纜，以減小電源線和互聯(lián)線的輻射。在電磁兼容要求較高時，如當(dāng)傳輸信號較弱或傳輸線較長時，除了盡量縮短信號線和傳輸線長度外應(yīng)盡可能選用多層屏蔽電纜，以減小靜電噪聲和電磁波噪聲的干擾。

屏蔽電纜的屏蔽效能主要不是由發(fā)射和吸收所得到的，而是由屏蔽層接地所產(chǎn)生的。也就是說，屏蔽電纜的屏蔽層必須接地后才能起到屏蔽作用。屏蔽電纜抑制干擾的能力除與屏蔽層本身的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān)外，還與屏蔽層的接地情況關(guān)系較大。以同軸電纜為例，傳輸?shù)皖l信號時，應(yīng)該使通過屏蔽層的電流與內(nèi)導(dǎo)體的電流相等而方向相反，使屏蔽層外圍的磁場能相互抵消，其屏蔽層應(yīng)單點接地；在傳輸高頻信號時，屏蔽層應(yīng)雙點或多點接地，如果頻率大于1 MHz或電纜長于0.05λ，由于集膚效應(yīng)的作用，使干擾產(chǎn)生的噪聲電流只在屏蔽層外表面通過，因此屏蔽層通常采用多點接地，應(yīng)隔0.05～0.1λ距離接一次地。

解決電纜上干擾的一個十分簡單的方法是在電纜上套一個鐵氧體磁環(huán)，但這并不意味著只要一遇到電纜輻射的問題就在電纜上套鐵氧體，其實效果往往會事與愿違。因為在電纜上使用鐵氧體磁環(huán)時，應(yīng)注意下列一些問題：①磁環(huán)的內(nèi)徑盡量小，且內(nèi)徑要與電纜緊密貼合，不要留太大的間隙；可以為增加阻抗把導(dǎo)線在磁環(huán)上多繞幾圈；②磁環(huán)的壁盡量厚；③磁環(huán)盡量長；④磁環(huán)盡量靠近電纜的輸入端口處安裝。

3.2 貫穿導(dǎo)體的處理措施

電磁屏蔽的關(guān)鍵點有兩個，一個是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，而另一個是不能貫穿屏蔽體的導(dǎo)體。電子設(shè)備電纜布線總是要面對這兩個問題。機柜上的電纜總會有很多電纜穿入或穿出，尤其是電纜長度大于電磁波的二分之一時穿過屏蔽體的電纜危害大。實際中，很多結(jié)構(gòu)上很嚴密的屏蔽設(shè)備就是由于電纜直接穿過而導(dǎo)致電磁兼容試驗失敗。對貫穿導(dǎo)體的處理是電纜布線中電磁兼容設(shè)計最重要的內(nèi)容，其解決方法主要有兩種：

(1) 將導(dǎo)線屏蔽起來，并與屏蔽體可靠連接。這相當(dāng)于將屏蔽體延伸到導(dǎo)線端部。采用有EMC設(shè)計的電連接器能很好地解決這一個問題。但是，應(yīng)注意的是，要確保電纜端部的屏蔽網(wǎng)夾在電連接器的套筒和壓環(huán)之間，通過螺帽上緊，確保屏蔽網(wǎng)與套筒緊緊貼在一起；當(dāng)需要更高屏蔽效果時，可另增加多層屏蔽網(wǎng)對電纜纏繞并焊接后與電連接器殼體連接。由于有些電纜要承擔(dān)大電流的輸送，只能用填料函的方式。以前的填料函結(jié)構(gòu)只能滿足密封要求，不能滿足EMC的要求。采用圖2的類似結(jié)構(gòu)，用屏蔽環(huán)電磁屏蔽層緊緊壓在填料函座的殼體上來實現(xiàn)可靠連接。要注意的是，可采用0.8 mm厚導(dǎo)電襯墊來減小接觸電阻，確保電連接器和填料函都要與設(shè)備殼體良好搭接。

(2) 對導(dǎo)線進行濾波處理，濾除導(dǎo)線上不必要的高頻成分。在電纜的端口處安裝低通濾波器，可以有效濾除電纜上的干擾，減小電纜產(chǎn)生的電磁輻射，因為高頻電流最容易產(chǎn)生輻射。

實際使用中，將上述兩種方法結(jié)合起來可帶來很好的屏蔽效果。但是，要重視在電纜端口安裝濾波器的方法，特別是在電源線的端口安裝電源線濾波器的方法：

(1) 首先選擇濾波性能好、階數(shù)高的電源濾波器。電源濾波器要裝在電源入口處，并對濾波器進行屏蔽，屏蔽體一定要與設(shè)備殼體良好搭接。將輸入線和輸出線空間隔離。濾波器殼體用不銹鋼完全包裹。機殼用導(dǎo)電襯墊可靠連接，導(dǎo)線上的干擾在設(shè)備端口被濾除，因此濾波效果十分理想。同理，信號濾波器也可以采用這種方式。目前，在機殼上直接安裝濾波器已經(jīng)成為一種趨勢。選用帶濾波功能的電連接器是最方便的辦法。它的每根插針或孔上都有一個低通濾波器，可以是簡單的電容電路，也可以是復(fù)雜的電路。它的外形與普通電連接器外形完全相同，可以直接替換，經(jīng)濟實效。

(2) 濾波器的輸入線盡可能短，輸入、輸出線絕不能捆在一起，并盡量不要安排在同一屏蔽空間內(nèi)，否則引線間的耦合會降低濾波特性。

(3) 濾波器的殼體要直接在設(shè)備外殼上實現(xiàn)濾波器的接地，如需接地線則接地線越短越好。

(4) 濾波器附近盡量不要有強干擾源。

4 不合理電纜布線屏蔽性能影響實例

4.1 電纜布線對傳導(dǎo)發(fā)射CE102的影響

在某配電機柜的電磁兼容試驗時，發(fā)現(xiàn)電纜對指標(biāo)的影響較大。由于電源線屏蔽層未做360°端接，電源線旁鋪設(shè)的信號線作為干擾源耦合進入電源線，導(dǎo)致CE102指標(biāo)超標(biāo)，測試結(jié)果如圖3所示。按屏蔽插頭防電磁波泄漏裝接規(guī)定的工藝對電源線重新端接，指標(biāo)滿足要求，測試結(jié)果如圖4所示。

4.2 電纜布線對輻射發(fā)射RE102的影響

在某組件的電磁兼容試驗時，發(fā)現(xiàn)電纜對指標(biāo)的影響較大。由于該設(shè)備無操作面板，并且蓋板采用導(dǎo)電襯墊后電子設(shè)備的電磁輻射能量較小，而電纜無屏蔽層，即使有屏蔽層尤其是金屬編織套，電磁泄露能量大，測試結(jié)果如圖5所示。究其原因，電纜貫穿處未作濾波處理，電纜作為天線將組件內(nèi)部的信號輻射出來。所以，為了減少電纜的電磁輻射，加強電纜的屏蔽效能，在電纜上加裝防波套，同時做好接地，指標(biāo)滿足要求，測試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)束語

作為電子機箱屏蔽設(shè)計時的薄弱環(huán)節(jié)，電纜按照電纜布線設(shè)計原則及相對應(yīng)措施做好屏蔽、濾波和接地處理后可使電子機箱屏蔽性能滿足設(shè)計要求。因此電，子設(shè)備設(shè)計中必須對電纜布線的電磁兼容予以重視，可提高其抗電磁干擾的能力。

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