军用电子设备常用电磁屏蔽材料及其应用

2011-08-15杨雪梅

山西电子技术 2011年6期

关键词：衬垫铁氧体缝隙

杨雪梅

(国营第785厂，山西太原 030024)

电磁兼容性设计是军用电子设备设计中的重要内容，在产品的设计之初就必须考虑电磁兼容设计，否则在产品的测试和试验阶段才发现问题，或许要花更高的代价和精力才能解决问题。

要进行电磁兼容设计就要使用电磁屏蔽材料，电磁屏蔽材料是具有较高导电、导磁特性的材料。在具体实施屏蔽时，应根据屏蔽效能的要求，结合相应的屏蔽理论确定屏蔽方式以及屏蔽材料。

1 军用电子设备电磁兼容的基本概念及要求

电磁兼容标准对设备的要求有两个方面:一个是工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响，另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感，前一方面的要求称为干扰发射要求，后一个方面的要求称为敏感度要求。

电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两个，一个是以电磁波的形式从空间传播，另一个是以电流的形式从导线传播。因此，电磁干扰发射可以分为:传导发射和辐射发射，敏感度也可以分为传导敏感度和辐射敏感度。各种电磁兼容标准测试的内容一般包括:辐射发射、传导敏感度、辐射敏感度。

2 军用电子设备常用电磁屏蔽材料及其用途

屏蔽体都必须是一个完整的、连续的导电体。而一般的军用电子设备上都会有许多导致导电不连续的因素，如机箱结合处的缝隙、通风口、显示窗、操作器件、穿出屏蔽体的电缆等。正是这些因素的存在，使实际的屏蔽体的屏蔽效能很难达到预期的程度，那么就需要我们采取屏蔽设计来解决这些开口和贯通体造成的屏蔽效能下降的问题。

2.1 缝隙的处理

一般情况下，军用电子设备机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这些缝隙是造成机箱屏蔽效能降低的主要原因之一，在实际中，我们用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。那么影响缝隙上电阻的主要因素有接触面面积、接触面材料、接触面清洁度、接触面上压力等。缝隙的处理，我们常用的电磁屏蔽材料就是电磁密封衬垫。

2.1.1 电磁密封衬垫的原理

电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质。将电磁密封衬垫安装在两块金属的结合处，可以将缝隙填充满，从而消除导电不连续点。使用了电磁密封衬垫后，缝隙中就没有较大的孔洞了，从而可以减小高频电磁波的泄漏。使用电磁密封衬垫的好处如下:

(1)降低对加工的要求，允许接触面的平整度较低。

(2)减少结合处的紧固螺钉，增加美观性和可维修性。(3)缝隙处不会产生高频泄漏。

从电磁密封衬垫的工作原理可以知道，使用了电磁密封衬垫的缝隙的电磁泄漏主要由衬垫材料的导电性和接触表面的接触电阻决定。因此，使用电磁密封衬垫的关键是:

(1)选用导电性好的衬垫材料。

(2)保持接触面的清洁。

(3)对衬垫施加足够的压力(以保证足够小的接触电阻)。

(4)衬垫的厚度要足以填充最大的缝隙。

2.1.2 电磁密封衬垫的选用

同时具有导电性和弹性的材料都可以作为电磁密封衬垫使用。各个种类的电磁密封衬垫各有特点，它们的屏蔽效能、环境适应性、结构安装性、电器稳定性等不尽相同，就需要我们在设计中，根据产品性能要求、可靠性要求、成本等因素来选择。

屏蔽效能就是要根据需要抑制的干扰频谱，确定屏蔽效能，不同的衬垫，在不同的频率，屏蔽效能是不同的。

使用环境是指不同的衬垫，在不同的使用环境下，其性能的发挥和寿命都是不同的。

结构安装性要求是指结构设计时要考虑压缩变形，电磁密封衬垫只有在受到一定压力作用时才能起作用。电磁密封衬垫的形变量和所受压力成正比。

电气稳定性是指电磁密封衬垫的作用，就是通过在金属间提供低阻抗的导电通路来达到屏蔽目的的，过量的压缩和质量差(弹性差)都会使衬垫失效，不具备稳定性。

●金属丝网衬垫

金属丝网衬垫是用金属丝编织成的弹性网套，是一种最常用的电磁密封材料，金属丝材料常用蒙乃尔合金、铍铜、镀锡钢丝等，为纯金属接触，接触电阻低;一般用在1 GHz以下的场合，还有价格低的优点。

●导电橡胶

导电橡胶衬垫是在硅橡胶内填充金属颗粒，如铜粉、铝粉、银粉、镀银铝粉、镀银铜粉等。特点是低频时屏蔽效能低，高频时屏蔽效能高，常用在有环境密封要求的场合。缺点是价格较高。

●指形簧片

指形簧片常用在接触面滑动接触的场合。材料为铍铜。特点是在高低频时屏蔽性能都较高，允许滑动接触。缺点是价格高。

2.2 通风口的处理

孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关，因此在屏蔽机箱的通风设计上，往往采用与一个大孔相同开口面积的多个小孔构成的孔阵代替一个大孔。

在通风口处常用的电磁屏蔽材料有以下几种。

(1)屏蔽通风网

将屏蔽金属丝网加框制成通风板或直接将屏蔽网压装到通风口处，优点是通风量大，价格低，缺点是高频性能差，对500 MHz以上的电磁波几乎没有屏蔽作用。

(2)波导通风窗

波导通风窗是由加钢制或铝合金框架结构的蜂窝状芯材构成。在保证高效通风前提下，利用波导高通滤波原理对电磁波进行屏蔽。其屏蔽效能取决于波导的长度、蜂窝孔大小、单块通风窗面积和表面导电镀层。优点是通风量大，屏蔽效能高，整体刚性好，缺点是成本高。常用的波导管有矩形、圆形、正六边形、其中正六边形蜂窝状的波导管通风窗最为常用。

2.3 显示窗的处理

军用电子设备上的显示屏或显示窗口要求即能满足视觉要求，又能满足防电磁辐射的要求，如CRT显示器，LCD显示器，OLED等数码显示屏幕，雷达显示器，精密仪器、仪表等显示器窗口等，为此，可选用电磁屏蔽玻璃实现屏蔽。

●金属丝网电磁屏蔽玻璃

电磁屏蔽玻璃可用两块光学玻璃中间夹金属丝网构成，金属丝网的密度越大，屏蔽效能就越高，但透光性变得越差。这种玻璃的优点是屏蔽效能高，但缺点是由于莫尔条纹造成的视觉不适，可以将金属网旋转一定角度(10～30，)进行调节，以达到最佳视觉效果。

●镀膜电磁屏蔽玻璃

电磁屏蔽玻璃也可由光学玻璃或有机玻璃表面镀以金属薄膜构成。此外，还可以在透明聚脂膜片上镀以金属薄膜，制成柔性透明导电膜片。这种膜片的透光性可达70%～80%，而且膜片很薄，仅0.13 mm，可以直接贴覆在常规玻璃或有机玻璃表面，特别适用于要求高透明度和中等屏蔽效能的仪表表盘、液晶显示器、面板指示灯孔、彩色显示器等部位。缺点是屏蔽效能较低。

●特殊用途电磁屏蔽玻璃

针对不同的应用场合对屏蔽玻璃的特殊要求，可以使用电加热屏蔽玻璃，由于液晶显示屏在－10℃以下不能正常工作，所以要选用带电加热膜的屏蔽玻璃，既能加热也能除雾。电压一般为直流24 V，36 V;功率30 W～80 W，还有使用于装甲车的防振动冲击的钢化屏蔽玻璃等。

2.4 其他一些常用的电磁屏蔽材料

在军用电子设备中我们还经常用到以下几种电磁屏蔽材料。

(1)导电屏蔽胶带

导电屏蔽胶带是一种带高导电背胶的铜箔、铝箔、导电布或卖拉屏蔽胶带(一面是导电胶和导电层，另一面是绝缘层)其背胶和导电材料组成完整的导电体，可以与任何金属面以粘接方式完成搭接和缝隙的电封闭。主要应用于电磁屏蔽及抗静电，将导电屏蔽胶带置于衬底面，结合金属基材，具有优良的导通性，屏蔽胶带粘贴好后，要用力碾压多次后才可达到最佳屏蔽效果。温度适用范围宽。

(2)硅脂导电胶

硅脂导电胶是利用硅脂的高粘性和金属颗粒的高导电结合而成的，具有银、铜镀银、铝镀银等填料颗粒，是一种室温固化的导电胶，固化后形成一个易弯曲且有弹性的导电连接头或密封垫。主要用于导电橡胶与金属的粘(金属表面应清洁);连接或安装各种不同的导电衬垫;连接导电胶条，形成连续的屏蔽或密封衬垫;可以把导电衬垫定位到屏蔽窗固定框上或嵌入玻璃的沟缘上，然后把带框的屏蔽窗装到屏蔽体上，等等。

(3)电磁屏蔽涂料

电磁屏蔽涂料是一种在化学溶剂中渗入导电颗粒，能喷涂于塑料、木材、布、纸、玻璃钢等非金属材料上，对电磁波起屏蔽作用的功能性涂料。具有导电性好，屏蔽效能高，室温固化，附着力强的特点。

电磁屏蔽涂料由合成树脂、导电填料、溶剂配置而成，是电子设备的非金属壳体进行电磁屏蔽的有效的处理方法，其优点是成本低。

(4)导电腻子

标准导电腻子由四种填有玻璃镀银或铜镀银微颗粒的单组份树脂组成。在射频范围内可达100 dB的屏效。可提高所有电子机壳接口或孔缝的完整性。

用在对机壳和紧固件、通风板、手柄进行EMI防护填隙。具有极好的抗震、抗热冲击性，可以在固化后保持永久，柔性的触变乳脂极易与常规填隙设备共同使用，且该系列防水、防臭氧、对使用表面无腐蚀。

(5)电磁屏蔽热缩管

电磁屏蔽热缩管是一种在热缩聚烯管上通过特种覆镀技术，形成致密导电层而制成。它能对电缆、连接器的端接处提供有效的电缆屏蔽，其独特的导电层在最大收缩时能保持柔软、均匀和紧密。适用于射频电缆及高频多芯电缆的干扰抑制。比传统的金属编织物屏蔽要明显节省重量，并且可容易地用热缩管加热到装置上。可以在14 kHz～10 GHz频段屏蔽效能达25 db～70 db。

(6)EMI磁环

磁环，是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用，一般使用铁氧体材料(Mn-Zn)制成。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高，磁环表现的阻抗急剧升高。

根据干扰信号的频率特点可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体，前者的高频特性优于后者。锰锌铁氧体的磁导率在几千到上万，而镍锌铁氧体为几百到上千。铁氧体的磁导率越高，其低频时的阻抗越大，高频时的阻抗越小。所以，在抑制高频干扰时，宜选用镍锌铁氧体;反之则用锰锌铁氧体。或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体，这样可以抑制的干扰频段较宽。

磁环的内外径差值越大，纵向高度越大，其阻抗也就越大，但磁环内径一定要紧包电缆，避免漏磁。

磁环的安装位置应该尽量靠近干扰源，即应紧靠电缆的进出口。