通信設(shè)備電磁兼容的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

強(qiáng)偉 唐正飛 岳德周

摘要：文章主要針對(duì)通信設(shè)備電磁兼容的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與分析，在分析目前通信設(shè)備常見電磁干擾源的基礎(chǔ)上，指出通信設(shè)備電磁兼容機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理和具體方法。

關(guān)鍵詞：通信設(shè)備；電磁兼容；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)以及通信技術(shù)在電氣化以及自動(dòng)化中的應(yīng)用不斷深入，其水平不斷提高，大量通信設(shè)備產(chǎn)生，尤其在軍工、醫(yī)療衛(wèi)生、電力、土地資源等領(lǐng)域通信設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)今復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，導(dǎo)致電磁設(shè)備面臨電磁兼容的問題，需要加強(qiáng)相關(guān)研究與設(shè)計(jì)。對(duì)于通信設(shè)備，尤其是精度要求較高的通信設(shè)備，需要具有極強(qiáng)抵御外界電磁干擾能力，有效對(duì)比周圍復(fù)雜電磁環(huán)境造成的電磁污染。因此，在新形勢(shì)下分析通信設(shè)備的電磁干擾源，深入分析綜合利用多種方法和途徑，并進(jìn)行創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，達(dá)到最佳電磁兼容效果。根據(jù)干擾源、耦合途徑等因素，對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效屏蔽與抑制，提高電磁兼容效果。

1 通信設(shè)備的電磁干擾源分析

1.1 開關(guān)操作

通信設(shè)備中不可避免會(huì)涉及斷路器以及隔離開關(guān)等相關(guān)電氣元件，這些電氣元件的操作造成典型的電磁干擾。當(dāng)短路故障出現(xiàn)時(shí)，斷路器發(fā)生響應(yīng)，開關(guān)斷開并且電弧重燃。在線路中會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩電流，在線路以及通信設(shè)備中會(huì)出現(xiàn)頻譜較寬的電磁輻射干擾。通信設(shè)備中還需要設(shè)計(jì)電抗器以及電容器等儲(chǔ)能斷路器，當(dāng)短路以及斷路故障出現(xiàn)時(shí)，開關(guān)操作引起這些儲(chǔ)能斷路器工作狀態(tài)改變，引起暫態(tài)過電壓，耦合到低壓電路中產(chǎn)生電磁干擾。

1.2 雷電

天氣環(huán)境多變，尤其是對(duì)于廣州這種多雨的城市而言，雷電天氣較多，雷電又會(huì)引發(fā)電磁暫態(tài)產(chǎn)生電磁干擾，直擊雷以及感應(yīng)雷的電磁干擾明顯。當(dāng)受到雷電電擊之后，大電流產(chǎn)生通過地線泄入電網(wǎng)中，接地點(diǎn)的電位產(chǎn)生顯著變化，大大升高。在靠近雷擊大電流接地點(diǎn)的電力通信設(shè)備而言會(huì)出現(xiàn)電位快速升高的現(xiàn)象，如圖1所示，嚴(yán)重情況下會(huì)直接導(dǎo)致電力通信設(shè)備絕緣擊穿。

1.3 運(yùn)行中的電力設(shè)備

在通信設(shè)備的供電運(yùn)行中涉及大量的線路，這些線路會(huì)直接產(chǎn)生工頻磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)強(qiáng)度和電壓等級(jí)呈正相關(guān)趨勢(shì)。另外電力設(shè)備運(yùn)行中還存在局部放電等問題，也是重要電磁干擾源。

1.4 系統(tǒng)短路故障

通信設(shè)備所在系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，產(chǎn)生大電流并經(jīng)接地點(diǎn)寫入接地網(wǎng)，這一過程中電位顯著升高，二次回路中共模干擾電壓直接產(chǎn)生影響通信設(shè)備。

1.5 輻射電磁場(chǎng)

分析指出大量通信設(shè)備的產(chǎn)生使得電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，無線設(shè)備甚至工業(yè)發(fā)射源均成為典型的輻射干擾源。而且也會(huì)引起通信設(shè)備中配備的步話機(jī)等電子設(shè)備和通信設(shè)備裝置誤動(dòng)、信號(hào)誤發(fā)。

1.6 靜電放電

在通信設(shè)備運(yùn)行中不可避免會(huì)出現(xiàn)靜電放電引起電子元器件故障等問題，其放電時(shí)間短，幅值高，嚴(yán)重的情況下直接導(dǎo)致通信設(shè)備損壞以及系統(tǒng)失靈。

1.7 低頻干擾

通信設(shè)備是由電感、電容以及電阻組合構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)，這些元器件在一定參數(shù)下針對(duì)某些頻率產(chǎn)生諧振從而產(chǎn)生過電流、過電壓。通信設(shè)備以及線路當(dāng)中還會(huì)產(chǎn)生高次諧波感應(yīng)電壓影響通信設(shè)備運(yùn)行。在通信設(shè)備的正常運(yùn)行中，如果出現(xiàn)電壓中斷或突變還可能導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的丟失。

2 通信設(shè)備電磁兼容機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

在進(jìn)行通信設(shè)備電磁兼容機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，必須要充分考慮到通信設(shè)備面臨的電磁干擾源以及電磁干擾途徑，同時(shí)分析電磁屏蔽措施，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行接地、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，通過屏蔽材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置等來創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最大限度減小通信設(shè)備中電磁干擾。對(duì)于通信設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板布置以及元器件布置中，均需要充分考慮電磁兼容性。通信設(shè)備電磁兼容機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中通信設(shè)備屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。如圖2所示，在進(jìn)行本設(shè)計(jì)當(dāng)中，機(jī)箱的設(shè)計(jì)上采用屏蔽材料，且增加凹槽及導(dǎo)電芯設(shè)計(jì)，并進(jìn)行接地處理，增加通風(fēng)波導(dǎo)以及濾波器來保證電磁兼容效果。

3 通信設(shè)備電磁兼容機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)解析

3.1 前面板的電磁屏蔽

隨著通信設(shè)備的發(fā)展，可視化與智能化成為通信設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。如圖2所示，在此通信設(shè)備機(jī)箱前面板安裝相應(yīng)液晶顯示屏、薄膜鍵盤以及電源開關(guān)、指示燈等組件。為實(shí)現(xiàn)電磁兼容，前面板采用電氧化處理的鋁板材料加工而成，同時(shí)采用屏蔽玻璃來對(duì)液晶顯示屏保護(hù)的同時(shí)進(jìn)行電磁屏蔽。屏蔽玻璃是在透明玻璃的基礎(chǔ)上，增加了編織金屬絲網(wǎng)，為起到最佳屏蔽效果將金屬絲網(wǎng)延長(zhǎng)15 mm。為固定液晶顯示屏、屏蔽玻璃，采用壓條進(jìn)行壓實(shí)處理。同樣為實(shí)現(xiàn)薄膜鍵盤的電磁屏蔽，在其后部安裝相應(yīng)的擋板。在前面板指示燈的設(shè)計(jì)中，采用外小內(nèi)大的臺(tái)階式孔設(shè)計(jì)，這種指示燈開孔設(shè)計(jì)方式不僅能夠起到很好的顯示作用，而且這種設(shè)計(jì)模式具有良好的電磁屏蔽效果。為有效避免開關(guān)操作導(dǎo)致電磁干擾影響，選用鋁鍍銀導(dǎo)電襯墊來進(jìn)行處理，用于前面板和開關(guān)接觸表面位置，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁兼容屏蔽。

3.2 箱體的電磁屏蔽

對(duì)于通信設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)而言，需要利用焊接技術(shù)以及螺釘緊固等技術(shù)，但是在這些技術(shù)使用中不可避免地還會(huì)產(chǎn)生不良電磁影響，包括接縫焊接質(zhì)量問題以及螺釘緊固力矩不合理等眾多問題，都會(huì)引發(fā)通信設(shè)備箱體縫隙，進(jìn)而導(dǎo)致電磁泄漏，產(chǎn)生電磁干擾，影響電磁屏蔽的效果。為提高電磁兼容效果，在進(jìn)行通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)中必須加強(qiáng)機(jī)箱電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步提高通信設(shè)備機(jī)箱中的電磁屏蔽功能，降低電磁輻射泄漏危害，應(yīng)該最大限度地避免通信設(shè)備機(jī)箱上的電不連續(xù)性問題。因此，在機(jī)箱和前面板接觸表面的位置增加一定凹槽，為實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽在槽內(nèi)增加金屬編織絲網(wǎng)襯墊，金屬編織絲網(wǎng)襯墊中需要帶有導(dǎo)電橡膠芯，以此來保證前面板和箱體的緊密接觸，進(jìn)而保證通信設(shè)備機(jī)箱的電連續(xù)性。同時(shí)一般在通信設(shè)備箱體中需要設(shè)置通風(fēng)孔，為實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽在通風(fēng)孔內(nèi)裝配金屬屏蔽絲網(wǎng)。為保證良好的通風(fēng)散熱，在通信設(shè)備箱體的后部裝配軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)波導(dǎo)板，波導(dǎo)板采用鋼制蜂窩式。為避免箱體開關(guān)操作引起的電磁干擾與污染問題，在通信設(shè)備連接器插座和箱體接觸表面的位置安裝鋁鍍銀導(dǎo)電襯墊。

3.3 蓋板的電磁屏蔽

在進(jìn)行通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還必須要考慮到設(shè)備維修保養(yǎng)問題，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加蓋板以方便維修。蓋板的設(shè)計(jì)必然也會(huì)導(dǎo)致電磁泄露問題，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用導(dǎo)電氧化處理的鋁合金板材，同時(shí)為保證良好的電連續(xù)接觸，在通信設(shè)備機(jī)箱蓋板和箱體接觸表面設(shè)置青銅指形簧片。為保證機(jī)箱的散熱，在蓋板上增加兩處散熱通風(fēng)孔，并且在孔內(nèi)設(shè)置金屬屏蔽絲網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。

3.4 電源抗干擾措施

電源的耦合作用等也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此在進(jìn)行電源模塊的布局時(shí)必須要保證其科學(xué)性。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將電源模塊合理安排在機(jī)箱左側(cè)單獨(dú)空間內(nèi)，并增加隔板進(jìn)行電磁屏蔽，減小干擾。同時(shí)，增設(shè)濾波器模塊，在電源模塊就近位置安裝電源濾波器提高電磁兼容能力。

3.5 機(jī)箱接地

在通信設(shè)備的設(shè)計(jì)中還應(yīng)該包括機(jī)箱接地設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過機(jī)箱接地能夠極大地提高通信設(shè)備的抗干擾能力。目前常用的接地形式包括保護(hù)性接地和功能性接地兩種方式。通過接地能夠保證整個(gè)通信設(shè)備機(jī)箱等電位，最終實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備以及機(jī)箱的電磁兼容。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)日益增多的通信設(shè)備以及日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，為保證通信設(shè)備運(yùn)行的精度和效率，必須要加強(qiáng)電磁兼容創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅僅要從技術(shù)上入手進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文主要以通信設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的電磁兼容創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究與分析，在實(shí)際的應(yīng)用中也表征這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有顯著的電磁兼容效果，能夠保證通信設(shè)備充分發(fā)揮性能。

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