电子设备的电磁屏蔽设计及复合材料屏蔽检测的应用

史广伟，孙丽萍

（东北林业大学，哈尔滨 150040）

0 引言

随着电子设备功能的增加，我国电子行业电子设备结构设计的重心页转到抗电磁干扰技术研究。屏蔽技术是针对电子机箱信息辐射外泄或外部辐射的电磁扰乱的最好办法。使用屏蔽体阻碍或降低电磁能量传送的方法是电磁屏蔽,是遏制辐射扰乱的好办法,并且是电子设备结构设计的主要构成部分。屏蔽材料方面，本文选用实验室制备的碳纤维木质复合材料作为检测样本，该材料具有力学性能好，系能减震，自然环保等优点，是屏蔽材料的一个重要发展方向[1]。

1 电磁屏蔽技术的主要措施

1）缝隙电磁屏蔽，装入屏蔽材料于缝隙中完成电连接。

2）紧固点接入设计方式:降低缝隙的最大尺寸加大缝隙深度。提升零件韧性。

3）装入屏蔽材料:在缝隙的构成方式为活动缝隙或不可以用很多紧固点时，能于缝隙中装入屏蔽材料。

在两个金属体中树立一条低阻抗连接通路的工艺措施是搭接。确保电子设备结构件本身和电子设备与地系统中优良的电连续性是其设计基本原理，并供应足够低的阻抗(从直流电阻到高频阻抗)，完成电阻设备结构件的等电位连接。其等电位接入对系统的安全性和电磁兼容性，或是产品普通工作都有很重的影响。

要求：需确保搭接面有优良的导电性，清洗干净，可靠接触，足够的紧固力和接触范围。

2 电磁设备结构设计中的电磁屏蔽方案的类别与选择

2.1 电磁屏蔽方案的类别

为使产品完成电磁兼容，取自屏蔽措施的方式依照屏蔽级别的不同能分为：PCB板、元器件、模块、插箱/子架、机柜等屏蔽。

2.2 选择屏蔽方案

挑选屏蔽方案应注意成本、技术难度和控制性等各部分的综合要素,普遍参考如下原则：

1）依据据事实状况,采用综合方式, 完成综合性能最优的目标在综合选用不同级别的屏蔽方案中。

2）采取模块屏蔽或插箱/子架屏蔽,谨慎使用机柜级屏蔽方案;针对进出线缆很多的系统。

3）针对需求高的产品，可采取多级屏蔽方案，即模块屏蔽加插箱/子架屏蔽，并可加机柜屏蔽。

3 电磁屏蔽原理和测试原理

3.1 电磁波的基本原理

电磁波的基本原理可以使用Schelunoff电磁波屏蔽理论表示成：SE=R+A+B (1)

式中：材料总屏蔽效能是SE，dB；材料表面单次反射衰减是R；材料吸收降低至A；材料内部多次反射衰减为B (当A＞15 dB时，可以忽略)[1,2]。

因屏蔽效能定义，在相同激励电平下则是屏敝效能，有屏蔽材料与无屏蔽材料时所接入到的电压或功率之比，并且用对数表示，所以有：

式中:屏蔽效能为SE，dB;无屏蔽材料时的接收电压为V0;有屏蔽材料时的接收电压为V1;无屏蔽材料时的接收功率为P0;有屏蔽材料时的接收功率为P1[3-5]。

有很多种方式来测量屏蔽效能(SE)，而每一种方法都各有好处和坏处。因其测试方式的选取需顾虑很多条件，比如：频率范围、测量误差、动态范围、样本制备、试验重复性、试验时长和试验成本等。30MHz～1.5GHz是本文所提的测试方式的频率范畴。所测得的结果使用远场同轴传输线测量平面材料的方式得出SE是材料总屏蔽效能。

3.2 测试系统

测量屏蔽涂料的屏蔽效能能够用法兰同轴测试装置按照远场同轴传输线测量平面材料的方式来测出。如图1所示则是其测试系统配置原理图。

图1 测试系统配置原理图

测试系统主要由ESCS 30接收机(符合GB 6113.1标准的要求)、法兰同轴测试装置(按ASTM D 4935-99标准的附录A1制作)[6]、衰减器经过50Ω射频电缆连接,并经计算机操控然后针对测试数据实行处理。

ESCS 30接收机的核心技术参数涵括：频率范畴是9 kHz～2 750MHz、输入电平是-38～137 dB、带宽是200Hz/9 kHz/120 kHz/1MHz、检波方式是峰值/准峰值/平均值、跟踪输出电平是-130～13 dBm。

法兰同轴测试装置的核心技术参数涵括：频率范畴是5 kHz～1. 5 GHz、特性阻抗是50Ω、电压驻波比＜1.2、传输损耗＜1 dB、测量动态范围＞100 dB、带N型连接器。

10 dB固定衰减器的主要技术参数包括频率范围为30MHz～1.5GHz、特性阻抗为50Ω、驻波比＜1.2。

3.3 参考试样和负载试样的制备

本测试过程的试样基板采用厚度为9mm的碳纤维木质复合板。参考试样和负载试样如图2所示,试样的尺寸是配法兰同轴测试装置的。参考试样和负载试样是通过碳纤维与木纤维混合施加脲醛胶与异氰酸酯胶热压复合而成的，具有一定的屏蔽效能。

图2 参考试样和负载试样图

3.4 测试程序

3.4.1 试验设备的准备

完成法兰同轴测试装置制造后，为了保证50Ω特性阻抗，需要通过有资质的计量检测机构校准。

在正式的实验之前，需按照图1的配置把测量系统连接好。

由2个圆锥形法兰构成的法兰同轴测试装置。使试样(涵括参考、负载试样)放置两圆锥形法兰中间，这2个圆锥形法兰必需用绝缘螺钉(尼龙螺钉)衔接。

3.4.2 试样的预处理

在测试前置于(23±2)℃，(50±5)%环境中维持48h后，拿出试样并且马上实行测试[3,6]。并且需注意参考试样和负载试样都要实行预处理。

3.4.3 安装

使导电面面朝信号源端当夹入试样于法兰同轴测试装置中央的时候，并且紧夹试样，使试样与法兰同轴测试装置的法兰紧密衔接，从而防止因为接触不良而引发测量误差。

试样的装入对与错联系到测量结果的准确度。安装试样时应当先拧对角线的2个螺钉；然后再拧另外2个螺钉，最后拧紧4个尼龙螺钉。

系统应当于优质射频屏蔽电缆衔接，比如双屏蔽电缆等，以至于背景噪声能够减少。

3.4.4 系统的动态范围校验

应当提前估算试样的屏蔽效能，在对试样进行测试之前。能够经过对比测量参考试样得出系统的动态范围的最大信号电平，和对比测量金属负载试样得出的最小信号电平来检查。因为端口的连接器或者线缆引起的泄漏，信号会不经过试样而经过一条并联的信号通路，由此能降低系统的动态范畴。因为同轴连接器引起的泄漏不但取决于连接器的质量而且还与连接器运用中的紧固力矩相关，所以，要对连接器进行再一次检验。

3.4.5 测量

可对试样实行测量在以上程序实现后。图3列出了屏蔽材料的测量图像。屏蔽涂料在某一频率对照的屏蔽效能的dB数从图3中能够看出。表1是屏蔽材料对采样频率的电磁波衰减测试值[4～6]。

图3 屏蔽效能曲线图

表1 电磁波衰减值测试结果

4 结论

工程实践中所遇的普遍问题也是电子设备的电磁屏蔽设计，必需仔细地解析种种干扰信号根源于设计过程之中，采用种种高效方式，提升系统抗干扰能力。屏蔽则为减少设备电磁辐射干扰主要的方式,但也需要留意滤波和接地的等非结构方面的重要性在屏蔽时候。依照远场同轴传输线测量平面材料的方式使用法兰同轴测试装置, 使屏蔽涂料的屏蔽效能能够简便地测量,因而可以正确评价屏蔽涂料的屏蔽效果。并且此方式还有测试简便、试验重复性好、测试时间短、试验成本低的优点。

[1] 孙丽萍,张澎涛.碳纤维复合材料的电磁屏蔽特性[J].林业机械与木工设备,2005(3):46-47.

[2] 何益艳,杜仕国,施冬梅.铜系电磁屏蔽涂料的研究[J].现代涂料与涂装,2002(5):1-2.

[3] 王庆,蒋全兴,张林昌,等.SJ 20524-1995材料屏蔽效能的测量方法[S].CSIC-SJ,1995.

[4] 胡玉生.远场区同轴传输线测试法的原理与进展[J].安全与电磁兼容,2006(2):43-45.

[5] 刘浩,朱跃生,钟小艳.金属丝网屏蔽效能测量方法[J].电子质量,2007(7):15-17.

[6] ASTM.ASTM D 4935-99 standard testmethod formeasuring the electromagnetic shielding effectiveness of planar materials [S].1999.