某型舰载机箱电磁屏蔽的结构工艺设计*

2010-04-26龚雅娟

舰船电子工程 2010年4期

龚雅娟胡远

(中船重工集团公司第七二二研究所武汉 430079)

1 引言

随着舰船内电子系统和设备数量的急剧增多和设备性能的不断提高(功率增大、频率提高、频率范围边宽等),电磁环境变得越来越复杂,电磁干扰也变得越来越严重,这就对我们的系统和设备提出了更严格更详细的要求,也使得电子设备抗干扰性能的研究成为现代及未来电子设备设计、研制急需解决的问题。电磁屏蔽是抑制电磁干扰的重要技术。加固机作为一种电子设备,对产品的电磁屏蔽有很高的要求。下面通过电磁屏蔽理论分析和研究,提出如何在结构工艺上保证机箱的电磁屏蔽性和抑制电磁干扰的有效措施。

2 整机结构

电磁干扰主要通过传导、辐射和耦合进行传播,为了提高屏蔽效能,尽量使各屏蔽板保持电气的连续性,安排好信号接地和安全接地,以便控制从底板和机壳的辐射泄漏。我们研制的设备采用加固机的结构形式,由面板组件、箱体、后罩组件、上下盖板组成。箱体由LF21型防锈铝合金钎焊成形,腔体由屏蔽板分成左、右两个腔,设备电源布置在机箱的右侧,并采取滤波和屏蔽措施;将印制板模块按频率高低布置于机箱的左侧。显示屏、开关指示灯等布置在前面板上,后面板上则布置有插座、信号地、保护地和轴流风机。通过具体的结构设计,实现了电器元件的合理布置、安装,提供了必要的结构支撑和加固,保证了电气性能指标的要求。

3 屏蔽设计

3.1 设计目标

舰载加固机箱的正常使用要能适应海军水面、水下及地面电磁环境。因此,其电磁兼容性应能满足GJB151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求的规定,能够通过CE101、CE102、CS101、CS114、RE101、RE102等电磁兼容试验项目。

3.2 屏蔽理论及分析

3.2.1 概念

屏蔽是利用导电或导磁材料将电磁能量限制在一定空间范围内的抑制辐射干扰的一种有效措施。屏蔽体的有效性是用屏蔽效能来度量的。屏蔽效能定位为在电磁场中同一地点没有屏蔽存在时的电场强度E1与有屏蔽时的电场强度E2的比值,它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度,其单位是dB。用公式表示即为:

屏蔽效能越高,每增加20dB的难度就越大,军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。

3.2.2 理想屏蔽体的屏效原理

实心金属板屏蔽的基本原理是:当辐射场通过屏蔽体时一部分 RF能量是被屏蔽机壳的表面反射回去,一部分在穿透屏蔽体的过程中被吸收了,其余的能量穿透屏蔽体进入另一侧。在频率较高时(f＞10MHz),理想屏蔽体的屏效计算公式为:

式中:A为吸收损耗,电磁波通过屏蔽体产生的热损耗引起的;R为反射损耗,由于屏蔽体的阻挡,一部分入射波又返回到原传播空间;B为多次反射修正系数,在吸收损耗大于10dB时,可以忽略。t为金属板的厚度(mm);f为频率(Hz);μr和σr为金属相对于铜的磁导率;σr为金属相对于铜的电导率。

计算铝制密闭机箱的理想屏效,取其壁厚为2.5mm,可以得到屏效为在30MHz时为1492dB,在60MHz时为 2069dB,在 100MHz时为 2638dB,在300MHz时为 4511dB,在 500MHz时为 7313dB,在1000MHz时为8164dB。可见无缝铝制屏蔽体的屏效高达一千分贝,远远大于任何电子设备所需的屏效,因此我们研制的加固机箱多选用铝材。

3.2.3 泄漏点

实心型屏蔽理论是把屏蔽金属板或封闭的屏蔽盒看成是电气上连续、均匀、无孔隙的无限平面,这种理想的屏蔽体实际是不存在的。电子设备的机箱上通常有电源线、信号线、控制线等出入孔,出于操作、调节、显示、通风散热等目的,还需在机箱的相应部位开孔。机箱又是由箱体和面板等构成的组合体,各部分的连接处难免有缝隙存在。所有这些都会造成电磁能量的泄漏,降低机箱的屏蔽效能。故机箱内的泄露点可能存在于以下部位:上、下盖板与钎焊箱体的交接面、插座与面板、后板接触面部位、风扇通风口、显示屏窗口处等。

3.3 工艺设计

3.3.1 缝隙的屏蔽

一般情况下,屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触。前面的计算是假设屏蔽体是完整的,理想化的,除了低频磁场屏蔽之外,这些屏蔽体都能提供高达90dB的屏蔽效能,但实际应用中,大多数屏蔽体都是不完整的,最常见的不完整情况是存在缝隙,或者是焊接中的疏忽,或者是门、盖板存在的缝隙。这些矩形缝隙实际上相当一个缝隙天线,当其长度等于1/2波长,产生的辐射最大。两搭接面因粗糙面不平所构成的不连续缝隙长度应控制在毫米量级,从工艺角度来说应适当提高搭接面的平整度要求,并在接缝处涂上导电涂料和填隙料以填补细微的不平整部位,改善金属与金属之间的电接触。因此采用铣削对搭接面进行精加工,同时采用研磨、抛光等机械加工并以有机溶剂清洁把接缝配合表面上的润滑油、机油、油漆、灰尘、氧化层及其他不导电的薄层除去。

我们研制的钎焊机箱,为保证配合尺寸、形位公差和表面光洁度要求,工艺上采用了在焊前留有一定工艺余量方法。即箱体焊接完成后,再通过整体机加工去除余量,并加工与上下盖板配合的密封沟槽等关键配合尺寸,这样既能保证箱体的各形位公差,又提高了箱体的表面光洁度。箱体与上下盖板组装时用导电涂填料剂将盖板凸筋与箱体沟槽之间的缝隙填满(见图1)。使用导电衬垫接触的金属板(即图1中的盖板)要有足够的刚度,否则在衬垫的弹力作用下会发生变形,产生新的不连续点,导致射频泄漏。

3.3.2 开口的屏蔽

为了便于屏蔽对象(设备、单元电路和元器件等)的通风散热,必须在屏蔽体上开设通风孔洞。电磁能量经通风孔洞泄露,这是使屏蔽体屏蔽效能下降的又一重要原因。结构设计通常采用覆盖金属丝网和用通风波导板作通风孔两种措施。在工艺安装金属丝网时要求采用环形压圈和紧固螺钉把金属网安装在通风孔上,且在安装通风波导板时需要特别注意处理好其与安装框架之间的缝隙。

图1 钎焊机箱

显示屏是电磁泄漏的主要渠道,设计一般要求安装屏蔽效能高的屏蔽玻璃来处理显示屏的电磁屏蔽,但往往屏蔽玻璃与面板的安装不够规范,导致显示屏窗口仍然存在电磁泄漏。安装屏蔽型窗口的方法与窗口本身所使用的材料一样重要,都对窗口的整体屏蔽性能起着决定性的作用,不合理的安装会大大减小高性能窗口的屏蔽效能。因此在安装导电性窗口时,在窗口的金属编织丝网与屏蔽壳体的导电安装表面之间,必须沿整个窗口的边界实现良好的电接触,同时应该通过显示屏或者压框给其施加一定的压力。具体操作如图2所示。

图2 显示屏屏蔽玻璃安装示意图

屏蔽玻璃的四个边角应留R3mm～R5mm的圆角便于安装,周边预留20mm丝网供接地用。安装时在屏蔽玻璃四周的金属丝网处涂导电胶确保屏蔽玻璃丝网与面板导电面良好接触;特别注意将固定丝网与压紧玻璃分开,必须保证玻璃不与机箱箱体刚性连接,需采取硅橡胶板进行缓冲;为保护导电面,金属镀膜玻璃(即导电面)需朝机箱内部安装。

3.3.3 接地

在电子设备中,接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段之一。接地的基本目的有两个,一是为信号电压提供一个零电位参考点,称为信号接地,接地的另一个目的是为了安全,称为安全接地。安全接地就是把设备的外壳利用低阻导体连至大地(且一定是接到大地),以防止人员触及设备外壳时产生电击事故。电磁兼容技术的接地属于信号接地,它不一定利用导体接于大地。一般情况下,信号接地点与安全接地点不应为同一位置,否则信号端将会引入严重的干扰。信号地的安装面是要求导电的,而安全地的安装面是要求绝缘的,因此在安装这两种接地柱时要注意安装面是否导电,且信号地的安装面不允许有油漆涂层。装配前必须清除连接面上的绝缘保护层和氧化层,并用有机溶剂(如酒精、四氯化碳等)将接触面上的油垢及灰尘除去,以保证良好的电连接。

3.3.4 导电氧化涂覆层的工艺控制

机箱材料选用铝板,没有经过表面处理的铝表面会产生氧化物,使导电率下降,导致反射损耗降低。若进行阳极氧化处理,阳极氧化处理层的导电性很低,使反射损耗大幅度降低;若进行导电氧化处理,可以提高导电率。所以对铝板进行导电氧化,提高反射损耗,增强屏蔽性能。导电面安装不可靠、铝合金导电氧化工艺处理后表面达不到导电要求以及表面氧化处理工艺不规范导致的锈蚀等问题,影响了机箱的导电性,因此需要加强这方面的工艺过程控制。

制造机箱所用的铝合金前期加工都经过了热处理及焊接工艺,故工件表面形成一层油污烧结的焦化物,这层焦化物在有机溶剂中难以除净,若浸泡在碱液中会引起局部腐蚀,产生麻点或造成凹凸不平,严重影响产品质量。故要先用浓硝酸浸泡的方法来松软这层焦化物,待焦化物松软后在碱液中稍加清洗即能彻底除净。在对工件进行碱洗操作时,有盲孔、狭缝的部位往往有进入孔眼的残留碱液未能冲洗干净,氧化处理后碱液就会从孔眼中流出来,致使孔眼周围的氧化膜遭到腐蚀。故进行碱洗操作后应加强对该部位的冲洗,并甩净其中的残留溶液。同时氧化时间也必须严格控制,若氧化时间过长,膜层厚度增加,不但会影响膜层的导电性能,膜层还会呈土黄色,显得陈旧。因此工艺上必须对清洗过程、氧化时间等工艺参数进行严格地规定与控制。