抑制电磁干扰屏蔽技术的研究

2011-01-19徐抒岩

制造业自动化 2011年10期

关键词：箱体电磁波缝隙

王威，徐抒岩，杨絮

（1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2. 中国科学院研究生院，北京 130039；3. 长春理工大学电信学院，长春 130022）

抑制电磁干扰屏蔽技术的研究

王威1,2，徐抒岩1，杨絮3

（1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2. 中国科学院研究生院，北京 130039；3. 长春理工大学电信学院，长春 130022）

本文详细分析设备中存在的电磁干扰，首先采用盒状设计方法，要求箱体表面缝隙的直线尺寸要小于干扰电磁波波长的1/4，箱体的通风孔设计成波导管的形状，对欲屏蔽的电磁波构成衰减。然后，通过软件仿真得到箱体屏蔽效能曲线和数据，根据仿真结果优化箱体结构设计。最后，对设备进行EMI辐射测量，实测数据未超过GJB151A-97 RE102限值，验证设备箱体的EMI屏蔽设计达到了设计要求。

电磁干扰；屏蔽技术；仿真；测量

0 引言

箱体屏蔽是抑制电磁干扰（EMI）的重要手段，主要针对辐射的电磁干扰进行抑制。对于装在箱体内的电子学系统来说，该系统运行过程中需要通风散热，要显示电压电流值、显示运行状态，那么通风孔、安装表计及外部连接器需要在钢板上开孔，箱体上留下缝隙，就会破坏完整的密封屏蔽，由此引起的屏蔽性能的下降。通过设备箱体的屏蔽设计，提高设备的屏蔽性能，要求设备箱体抑制EMI能力达到GJB151A-97 RE102标准限值。

1 屏蔽技术分析

屏蔽是以某种导电材料或导磁材料制成的屏蔽体将敏感器件或区域封闭起来，形成电磁隔离，达到阻断或减少电磁能传播的一种技术，是抑制电磁干扰的措施之一。屏蔽抑制的是以场的形式沿空间传播的干扰，它是一种双向抑制的技术，既可以限制内部辐射的电磁能量泄漏，又可以防止外部辐射干扰进入。

电磁屏蔽按其屏蔽原理可分为：

1）电场屏蔽，包含静电屏蔽和交变电场屏蔽；

2）磁场屏蔽，磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽；

3）电磁场屏蔽，既是前两种的总和。

1.1 电磁干扰的屏蔽效能

屏蔽效能是用来描述屏蔽体的好坏的指标。它表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度。由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的1/100至1/10000，因此通常用分贝来表述[1]。

设备箱体的屏蔽效能计算示意图如图1所示。

1）设备箱体的屏蔽材料吸收部分电磁波，形成吸收损耗；

2）电磁波在设备箱体内发生反射，减小了电磁波的强度。反射后衰减的电磁波称为反射损耗。

根据SE＝R＋A＋B

其中，SE为屏蔽效能，A为吸收损耗，R为反射损耗，B为多次反射损耗。

上式中

出于分析的角度，利用式（1）来计算位吸收损耗：

式中f为频率（Hz），mr为屏蔽体材料相对于铜的相对磁导率、sr为屏蔽体材料相对于铜的相对电导率， m0＝4p×10－7H/m为常数，s0＝5.82×10－7/ W ·m为常数，l为壁厚（cm）。

1.2 箱体屏蔽材料的特性及其结构选择

图1 屏蔽效能计算示意图

由磁屏蔽理论可知，磁屏蔽是利用由高导磁材料制成的磁屏蔽体来构成的，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽体上来分流，达到屏蔽的目的。磁导率成为选择磁屏蔽材料的主要依据。

通常磁性材料分为：

1）弱磁性材料，包括顺磁性物质和抗磁性物质，其特点是相对磁导率产mr＝1，B与H是线性关系，mr在任意频率的环境中，始终保持常数；

2）强磁性材料：铁磁性物质，其特点是B与H为非线性关系，频率增高，磁导率mr降低。

屏蔽效能除了与屏蔽材料直接相关外，与屏蔽体结构也相关。

电屏蔽结构，影响电屏蔽的一个重要的因素就是分布电容C，减小C就能提高屏蔽效能。因此一般情况下，电屏蔽体的形状最好设计成盒形，盒形结构通常包括单层盖结构盒双层盖结构，根据要求屏蔽的程度不同来选择。

磁屏蔽结构，磁屏蔽是利用屏蔽体对磁通进行分流，因而大多采用盒状、筒状或柱状的结构。由于磁阻与磁路的横截面积和磁导率成反比，因而磁屏蔽体的体积和重量都比较大。若要求较高的屏效时，一般采用双层屏蔽，此时在体积重量增加不多的情况下，能显著提高屏蔽效能。

电磁屏蔽结构，电磁屏蔽是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量作用的。因此，电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。

1.3 不完整屏蔽对屏蔽效果的影响

1.3.1 缝隙影响

如图2所示，设在金属屏蔽体中有一无限长的缝隙，其间隙距离为g，屏蔽板的厚度为t，入射电磁波的磁场强度为H0，泄漏到屏蔽体中的磁场强度为Hp，当趋肤深度d＞0.3g 时，可以得到Hp＝H0-ptg。由上式分析可以知道，当缝隙较窄较深时(亦即t较大，g较小)，磁场泄漏就小，反之就大。磁场通过这个缝隙的衰减为

公式（2）只是对实际情况的简化和抽象，缝隙所带来的泄漏比较复杂，它与缝隙的宽度、板材的厚度，缝隙的数目以及波长等都有密切关系。干扰的频率越高，缝隙的泄漏越严重，特别是当缝隙的直线尺寸接近波长时，会产生天线效应，严重地破坏屏蔽体的屏蔽效果。

图2 无限长缝隙示意图

1.3.2 通孔影响

由于通风及其安装固定各种附件的需要，可能会在在屏蔽结构上开有圆形或矩形的孔洞，电磁波会通过这些孔洞产生泄漏。

设屏蔽板上有若干个孔洞，包括圆孔和方孔，孔的面积为S，屏蔽板面积为A，当A远大于S的时候，亦即圆孔的直径或方孔的边长比波长小很多时，通过孔洞泄漏的磁场强度Hp为

若屏蔽板上有n个孔，则总的泄漏磁场强度为

结合上述几个公式可得泄漏磁场强度。

在实际情况下，金属屏蔽板后侧电磁波总的透射系数应为金属屏蔽板本身的透射系数TS与孔洞电磁波的透射系数之和，即

其中

因此总的屏蔽效能为

2 屏蔽体通风孔的结构设计

合理的结构设计，可以使屏蔽体在开了若干通风孔以后，不但能保证良好的通风散热，而且能保证屏蔽效能不下降，其基本出发点在于，将每个通风孔设计成对欲屏蔽的电磁波构成衰减波导管的形状[2]，如图3所示。

图3 波导管形式的通风孔截面图

2.1 箱体通风窗的实壁结构设计

通用通风窗结构是直接在屏蔽体壁上开孔，如图4所示。每个通风孔直径为d，相邻通风孔间矩为d，相邻通风孔间矩为c，通风孔形成的通风窗口(孔陈列)的边长为l，屏蔽壁厚为t，则该窗口对磁场的总屏蔽效能为

图4 实壁开孔通风示意图

2.2 箱体通风窗的蜂窝结构设计

设备箱体的实壁开孔结构设计，对于电磁屏蔽存在两个问题：

1）实壁开孔结构设计要满足形成衰减器的条件，要求t大于d，即要求箱体的壁厚大于开孔的孔径。要求孔径小于l/4；

2）如果在设备箱体上直接开通风孔，那么灰尘会通过通风孔进入箱体内，污染电子学系统，甚至可能导致短路现象的发生。蜂窝结构设计的通风窗可以避免此类现象的发生。

综合上述两种原因，本设备箱体选择蜂窝结构的通风窗设计，达到良好的屏蔽效果。

2.3 箱体结构优化设计

针为避免设备箱体内的电子学系统的元器件工作时温度高，必须在箱体采用蜂窝结构设计的通风窗，为元器件进行通风散热。根据电子学系统的干扰电磁波波长，在箱壁处开圆孔直径为5mm，那么对波长小于20mm的电磁波起到完全屏蔽。为了进一步加强屏蔽效果，在箱体内壁加一层孔径为0.5mm的金属网，同时又能达到散热的目的。把边界设置为辐射边界时，加固箱体距辐射边界的距离为求解频率波长的1/4。如图5所示。仿真求解频段为0.1 GHz～1GHz；求解步长为0.02GHz；求解迭代步数为50次；求解精度为0.02。采用离散扫描。首先提取通风板正前方8mm处的泄漏电场的场强值E1；去掉屏蔽壳体后再提取相应点的电场场强值E2；对比两次场强结果，得到箱体的屏蔽效能

图5 加固箱体的边界设置示意图

图6为仿真得到的屏蔽效能曲线。表1为屏蔽效能具体实验数据。

图6 加固箱体屏蔽效能仿真结果曲线

表1 加固箱体屏蔽效能仿真结果数据

3 EMI测量结果

3.1 测试框图

测量来自设备及其有关电线、电缆的电场辐射发射，EMI测试框图如图7所示。

图7 EMI测试框图

3.2 测试过程描述

试样件放在屏蔽室内的测试圆台上（圆台上覆有接地铜皮），在距试样1m处，分别架设有源棒状天线（10kHz～30MHz）、双锥天线（30MHz～200MHz）、对数周期天线（200MHz～1GHz）和双脊喇叭天线（1GHz～18GHz），在30MHz～18GHz测试频段，进行天线的水平极化和垂直极化方式测试。用ESI40接收机监测试样及有关电缆的电场辐射发射[3]。