浅谈电子设备结构屏蔽设计技术

2015-01-02钟文彬

中国科技信息 2015年1期

钟文彬

中国电子科技集团公司第十研究所

概述了电子设备电磁兼容性结构设计过程中涉及的屏蔽体材料的选用、结构屏蔽设计技术要点和原则，同时对屏蔽效能的仿真分析现状和面临的问题进行了简述。

1 前言

目前，在电子设备工作频率、功率及集成度不断提高的情况下，电子设备的电磁兼容性（EMC）已成为影响电子设备性能正常发挥的重要因素之一，越来越得到大家的重视。电磁兼容的研究主要是围绕构成电磁干扰的三要素，即电磁干扰源、耦合路径和敏感设备来进行的，电磁兼容的设计技术主要有滤波技术、接地技术及屏蔽技术等，就电子设备的电磁兼容性结构设计来说，屏蔽是最常用的设计方法。

屏蔽是一种利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的措施，主要作用是抑制电磁干扰（EMI），防止辐射侵入设备或从设备中泄露，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。屏蔽通常包括两种：一种是电场屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场及交变电磁场的影响。在进行电子设备的结构屏蔽设计时，接缝又往往是影响屏蔽完整性的主要因素。为了提高屏蔽体的屏蔽效能，要求每一条接缝都应该是电磁密封的，而实际上，由于结合表面的不平整、焊接质量不高、紧固件之间存在不密封的空隙等，都会在金属板的接合处留下一些细长的缝隙，改善这些缝隙的电接触是至关重要的问题。解决这些缝隙的方法主要有焊接（熔焊、钎焊等）和增加导电衬垫的方式[3]，本文主要讨论的是可拆式接缝结构设计时屏蔽材料的选用及屏蔽设计的一些原则。

2 屏蔽体材料的选择

屏蔽材料的种类很多，形态也各异，一般来说具有较高导电、导磁特性的材料可作为电磁屏蔽的材料。常用的屏蔽材料有钢板、铝板、铜板、铝箔、铜箔等，一些民用产品多采取在塑料机箱上镀镍或铜的方法来实现屏蔽。要选择好用于屏蔽体的材料，就必须先弄清楚电磁屏蔽的分类。工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：电偶极子（非闭合载流导线辐射源）和磁偶极子（闭合载流导线辐射源）。由于电偶极子和磁偶极子是上述两种源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成。电磁屏蔽的分类见表1。

根据电屏蔽的原理，电屏蔽的实质是在保证良好接地的条件下，将干扰源发生的电力线终止于由良好导体制成的屏蔽体，从而切断了干扰源与受感器之间的电力线交链。因此对于电屏蔽来说，屏蔽体必须选用导电性能好的材料（铜、铝等），同时必须接地。而磁屏蔽无法像电屏蔽那样，将磁力线终止于屏蔽体，而只能利用屏蔽体对磁力线（磁场）进行分流，来切断干扰源与受感器之间的磁力线交链，因此磁屏蔽材料应选用钢、铁、坡莫合金等高导磁率的铁磁性材料。对于远场的电磁屏蔽设计，由于金属屏蔽体在高频时的趋肤效应，导致只要满足刚强度的屏蔽体厚度均有足够高的屏蔽效能，此时决定屏蔽体的屏蔽效能的不是金属材料的种类和厚度，而是孔、缝的泄露，同时应选用导电材料。

表1 电磁屏蔽的分类

3 结构屏蔽设计

目前，机箱和机壳是普遍采用的结构屏蔽设计方案，是电子设备电磁兼容性结构设计的主要工作内容之一。屏蔽的目的是切断干扰源和被干扰对象之间的电力线，以免除电容性耦合的电磁干扰，对结构设计来说，主要涉及到屏蔽体的通风孔设计、螺钉间距选择及常用屏蔽辅助材料的选择等内容。

通风孔设计原则

有的电子设备除了有较高的频率和较宽的频率范围外，还含有功率较高的元器件，因此在进行结构设计时，除了要考虑设备的电磁屏蔽特性，还需要考虑设备的通风散热问题。通风散热问题和电磁兼容问题注定是一对矛盾，如果通风孔太小则会增大风阻，从而影响设备的散热，如果通风孔过大，则会增强电磁干扰，如何取得两者的和谐就成了一个突出的问题。

根据孔缝屏蔽原理我们知道，在相同的面积上，把较大的通风孔改成孔径较小的孔阵，屏蔽效能将得到明显的提高。常见的通风孔的形状主要有圆孔、菱形孔、方孔、正多边形孔等。在如图所示的孔阵中（材料厚度设为t），圆孔和方孔的屏蔽效能可按下面的公式进行计算。

（1）方孔阵列屏蔽效能

电磁屏蔽效能（单位dB）

磁场屏蔽效能（单位dB）

图1 矩形板上方孔及圆孔孔阵

图2 典型屏蔽体缝隙示意图

（2）圆孔阵列屏蔽效能

电磁屏蔽效能（单位dB）：

磁场屏蔽效能（单位dB）

另外，由于方孔的最大线性尺寸为1.414b（对角线长度），则圆孔与方孔的的最大线性尺寸之比为0.627，根据天线发射理论也印证了上述结论。因此，在通风孔面积一定的情况下，应优先使用圆孔（对电磁兼容性较高的电子设备或大尺寸的设备来说，也可选用屏蔽通风板或截止波导等）。

螺钉间距的设计

绝大多数电子设备在结构设计时，由于需要考虑设备的测试性和维修性，结构上一般采用螺装的方法而不是采用焊接方式实现设备的装配，屏蔽体的两个螺钉间将会自然的形成缝隙。随着频率的增高，波长将会与屏蔽体上的缝隙尺寸相当，从而导致屏蔽体的缝隙泄露成为电磁屏蔽最关键的控制要素，在设计中应特别注意电磁屏蔽的完整性。

根据天线理论，当天线的总长度大于信号波长λ 的1/20 时，会向空间产生有效的辐射发射，当天线长度为λ/2 的整数倍时，辐射的能量最大。理论上，当两块金属板用螺钉连接在一起时，从宏观上看是面与面的接触，但由于金属面板的表面不可能做到完全的光滑，总有一定的表面粗糙度，从微观上看螺钉与螺钉之间的就会形成一条以螺钉间距为宽度的缝，这条缝往往是点与点接触或线与线接触的，如图2 所示。当这条缝满足天线发射的理论时，就会向外辐射能量，形成电磁干扰。因此，在进行螺钉间距L 的确定时，需要参照此标准进行设计（在实际情况中，由于设备的频率可能很高、频段也很宽，有时不可能使螺钉间距离小于波长的1/20，这时就需要用屏蔽材料来辅助）。

表2 几种不同屏蔽材料的比较

常用辅助屏蔽材料的选择

在进行产品设计的过程中，有时仅靠金属结构件屏蔽不能满足电磁兼容性的要求，还需要使用屏蔽材料进行辅助屏蔽。对屏蔽材料的选择，需要综合考虑设备的工作频率、使用环境、屏蔽效能、空间位置、成本因素等。表2为几种不同屏蔽材料的比较。

屏蔽效能仿真与测试

目前，市场上还没有专门做屏蔽效能仿真分析的商业软件，但可利用电磁场分析的软件仿真出电场强度，根据屏蔽效能的定义和计算公式就可以推算出屏蔽体的屏蔽效能。

式中：E0（ES）是指不存在屏蔽体时某处的电场强度（磁场强度），H0（HS）是指存在屏蔽体时同一处的电场强度（磁场强度）。

电磁仿真分析软件主要有FEKO、HFSS Ansoft、MS EMC 等，其中FEKO 是主要针对天线设计、天线布局和电磁兼容性仿真分析的专业电磁分析软件，适合各类电磁场问题的分析。HFSS 软件基于有限元算法，主要用于一般电尺寸天线分析、微波器件仿真等。

对于机箱或模块级电子设备的屏蔽效能仿真，缝隙和导电衬垫的处理是屏蔽效能仿真建模过程中的难点和关键技术之一。建模过程中如果按实际的位置尺寸来建立仿真分析模型，由于缝隙宽度很小网格划分将非常困难，为此必须建立缝隙的电磁兼容仿真分析等效模型。现阶段应用较多的方法是采用基于转移阻抗的缝隙仿真模型对缝隙和导电衬垫进行等效，等效转移阻抗的缝隙仿真分析模型的主要思想是对缝隙进行扩宽，里面填充相应的材料使得两者的转移阻抗满足一定的关系，从而使得屏蔽效能相等，即SE1=SE2，完成这项工作的前提是需要进行大量的测试和试验工作，从而推导计算出各种不同情况下缝隙或导电衬垫的等效电导率。