屏蔽机箱设计分析

2011-09-06周志近

山西电子技术 2011年4期

周志近

（南京信息职业技术学院，江苏南京 210046）

0 引言

为了满足社会需求，现今的电子产品在设计时都注重重量轻、体积小、厚度薄、功能强四大特征，这势必引起电磁干扰、电磁辐射等现象，从而导致产品性能不稳定，因而现代高速数字电子元器件的快速数字传输和边沿速度常常需要使用屏蔽来满足EMI规范和其他设计要求，不同产品的屏蔽和EMI防护要求也是不同的。

屏蔽的目的，一是利用金属屏蔽体将元器件、线路、连接器或整个电路系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;另一方面用金属屏蔽体对接收电路、敏感器件、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能［1］。

因此为了保护PCB系统的电磁干扰，通常采用屏蔽机箱进行电磁屏蔽。在实际工程应用中，由于客观原因的存在，机箱存在以下缺陷，在屏蔽机箱设计时，需要加以考虑:（1）机箱的表面需要开孔以及缝隙，为PCB系统提供散热等;（2）机箱有许多用于设计目标（信号的出入）的贯穿槽;（3）电缆上的共模电流;（4）机箱材料;（5）导电衬垫材料的性能。

下面就屏蔽机箱设计时需要考虑的各种因素做详细分析并依据工作经验给出一些实际性数据。

1 机箱材料的选择设计

理想的屏蔽机箱应该是由金属或喷涂导电材料的面板组成的金属笼。在高频下，通常金属材料会有一定的集肤深度，会产生信号的衰减，有助于提高屏蔽效率。使用这样理想的屏蔽机箱，所有耦合到机箱壁上的寄生电流，比如共模电流，会被限制在机箱的内表面。没有通路可以让内表面的电流传输到机箱的外表面。进入或离开机箱的期望电流在屏蔽电缆上，也具有这个效应。这样的话，寄生共模电流就被限制在理想的屏蔽机箱的内部，而不会产生RF辐射［2］。

理论和实践证明，由于趋肤效应，屏蔽材料的厚度一般来说只需要1.2 mm就足够了。即使是屏蔽室，其壁厚也不超过2 mm。因此在设计时可以作如下考虑:（1）在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场波和磁场波情况;（2）屏蔽电场波时，使用高导电材料;屏蔽低屏蔽磁场波时，使用高导磁材料;（3）一般情况下，材料（见表1所示）的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高;（4）屏蔽电场波时，屏蔽体尽量靠近骚扰源;屏蔽磁场波时，屏蔽体尽量远离骚扰源。

表1 常用金属材料的σr及μr值

根据表1可知:目前屏蔽机箱材料可选用镀锌冷轧钢板，屏蔽效能大，抗腐蚀能力也好，镁铝合金机箱有更好的屏蔽效能以及抗腐蚀能力，但成本较高［3］。

2 机箱的孔缝设计

实际的屏蔽机箱都有必要的穿孔、孔洞和缝隙，引起导电不连续性，造成屏蔽完整性损失，产生电磁泄漏，使屏蔽效能远低于屏蔽材料的理论计算值。因此，屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽完整性，做到屏蔽体表面为导电连续，使屏蔽效能尽量得以恢复到接近理论计算值。

实际应用的屏蔽机箱上一般会有活动面板构成的结合处，金属部件在这些结合处是通过点接触，这构成了一个孔洞阵列，称之为缝隙。缝隙是造成屏蔽机箱效能降级的主要原因之一。减小缝隙泄漏，应该尽量降低缝隙的阻抗，包括减小接触电阻、增加电容等。影响接触电阻的因素主要有:接触面积、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压力、氧化腐蚀等。影响电容的因素有:两个表面之间的距离和相对面积，距离越近，相对的面积越大，电容越大。

在实际工程中，减少缝隙阻抗的具体做法有:（1）使用机械加工手段来增加接触面的平整度;（2）增加两部分之间的紧固件的密度;（3）使用电磁密封衬垫。

对于屏蔽机箱上的永久性接缝应采用焊接工艺密封，电焊、铜焊或锡焊是永久性密封的常用方式。焊接前，接合部位必须清理干净。非永久性配合面形成的接缝，通常用螺栓紧固连接。但由于接合部位未清理干净、不平整或变形，都会使屏蔽效能下降［4］。

对于孔阵列的屏蔽特性，一般情况下影响因素最大的是孔的深度，其次是孔的最大尺寸，当散热与屏蔽存在矛盾时，比较理想的方式是增加孔的深度，同时增加孔的最大尺寸或者减小孔的最大尺寸，同时减小孔间距（增加孔的数量）。通过孔阵列，一个圆形的孔可以提供最短的电流通路长度。当最大的对角长度和圆孔的直径相同时，方形孔和钻石形的孔会产生更长的电路通路，但是不会增加很多。

工程实际中，阵列孔的屏蔽效能最高为30 db/1 GHz。如果需要更高等级或者屏蔽盒散热矛盾十分突出，可以考虑采用截止波导通风板。

实践证明，当孔、缝尺寸等于半波长的整数倍时，电磁泄漏最大，一般要求缝长活孔径小于最短波长的1/100～1/10。因此，频率越高，越应注意这个问题。

3 截止波导管设计

截止波导管是一种金属管，对电磁波来说它是一种高通滤波器。波导管具有确定的截止频率，当电磁波的频率低于该截止频率时，电磁波不能穿过波导管，于是波导管可以起到屏蔽作用。图1所示为波导管和其他孔缝之间的对比，波导管可以有效地提高屏蔽效率［5］。

圆形波导管的条件和截止频率为:

式中:d—波导长度（cm）;

G—圆形波导的内直径（cm）;

Fc—截止频率（Hz）。

与任何孔缝一样，当它的内对角G为半个波长，波导管也允许它的反射场通过，波导管的截止频率可以由上式计算。在低于它的截止频率时，波导管不会像一个普通的孔缝一样产生电磁场泄漏并且可以提供足够的屏蔽。

截止波导管还可以用于面板上安装可变电容器、可变电位器、波段开关等可调器件。应该注意的是穿过波导管的轴杆必须是不导电的非金属材料，否则波导管将失效，不能起到屏蔽作用。

根据电磁场理论，任何具有一定深度的孔缝都具有波导性质，这也可以用来改善机箱盖板和机箱连接缝的屏蔽。另外，截止波导管还可以用作系统的通风口，这也可以很有效地减小通风口产生的辐射和干扰。

图1 波导管和其他孔缝之间的对比

4 机箱的导电衬垫设计

导电衬垫具有良好的导电性和弹性，用于两块金属板的连接处，可以减少缝隙和孔的尺寸、保持金属板之间的电连续性，从而增加屏蔽效率。导电衬垫通常由软金属、金属编制丝线、导电橡胶、梳形弹簧片等制成。使用导电衬垫的目的是提供一个电路通路通过孔缝。如果电流可以流过孔缝，并且电流通路长度没有因为孔缝而增加，则通过孔缝的电压将会最小。

导电衬垫的传导率是一个重要参数，与导电衬垫相配合材料的表面传导率也很重要。大部分屏蔽机箱都是由基底材料构成，比如铁和铝，并且在基底材料上还会有一层涂层，以便降低腐蚀。通常这个防腐蚀涂层不是导电的。如果将高传导性的导电衬垫放在非导电性的覆盖材料上，电流就不会流到孔缝，从而破坏衬垫的功能。

当衬垫面是粗糙的时候，那么粗糙点可以穿透非传导涂层表面，并且可以产生与基底金属接触的低阻抗。因为这个原因，最好避免使用光滑的衬垫材料，这种材料不能穿透任何涂层材料，因而有可能使衬垫功能无效。

导电衬垫需要合适的机械结构，以便可以有效并容易安装。在安装时，导电衬垫被压扁，在接触表面之间被压平。如果他们的安装螺丝被旋的越紧，则导电衬垫会被压缩越厉害，则安装导电衬垫之间的缝隙会不均匀，从而会增加漏隙。这主要是因为与导电衬垫接触的金属板缺少硬度，因此要使导电衬垫不压入金属板是很困难的。所以我们常常使用槽来安放导电衬垫。

对导电衬垫的基本要求是:导电性和弹性均满足需要，即（1）应有足够的弹性和厚度，以补偿由于接缝在螺栓压紧时所出现的不均匀性;（2）所用材料应耐腐蚀，并与屏蔽材料的电化序相容，即应选择点位接近的材料作接触面，以防止电化学腐蚀和“锈螺钉效应”;（3）转移阻抗应尽可能低;（4）压缩变形或寿命符合要求;（5）屏蔽效能、安装结构、成本符合要求，有的还需要符合环境密封要求［6］。

5 屏蔽金属织网设计

在设备的通风口，经常会覆盖一层金属织网，使其既能保持通风又能起到屏蔽作用。金属织网用于屏蔽要求不是太高的场合，在100 MHz以上，其屏蔽效率很快下降。另外，因为织网的孔很多，所以吸收损耗很小，主要依靠反射损耗。对于同样直径的金属丝，孔小而多，屏蔽效率越高。

6 屏蔽效能设计

屏蔽体的总体屏蔽效能是由屏蔽体中的最薄弱环节决定的。要使屏蔽体的屏蔽效能达到某一个值，屏蔽体上所有部位都要达到这个值，即各部位屏蔽效能的匹配是十分重要的。

对于屏蔽机箱，如果它具有制定数量和确定尺寸的孔缝，以及确定的孔缝位置，则可以使用相关的建模技术评估屏蔽效率。

式中:λ—需要屏蔽的最高谐波频率成分的波长（m）;

L—槽的最长尺寸（m）。

因此，如果槽的长度是感兴趣的谐波波长的1/2，则其屏蔽效率为零，也就是说这些谐波成分会通过孔缝泄漏到外部或进入屏蔽机箱的内部。可以看出频率越高，则要求孔缝的尺寸越小。

通过试验测试的方法，得到了典型机箱的电磁屏蔽效能值（频率30 MHz～1 GHz），并利用仿真分析的方法研究了孔、缝对机箱屏蔽效能的影响，分析得出了引起机箱电磁泄露的主要因素。因此，在进行机箱的屏蔽设计时，明确不同频段的泄露耦合结构，确定最大泄露耦合要素是其首要的设计准则。在机箱的选用过程中，也应该根据电子元器件的发射接收频率，选择相应屏蔽效能的机箱，而并不是一味追求高屏蔽效能，因为这会极大地提高设计成本。同时，当普通机箱已不能满足设计要求时，也可以采取多种方法提高机箱的屏蔽效能，比如，采用焊接成型的一体式机箱、在机箱的接缝处使用屏蔽材料增加电连续性或对敏感元器件进行特殊保护等。