信息技术设备箱体散热孔洞对1 GHz 以下辐射骚扰发射的影响

刘 巍，原 觉，董奇峰

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

辐射骚扰发射是衡量信息技术设备电磁兼容性能的重要指标。根据我国CCC 认证要求，GB/T9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》中规定信息技术类设备需要进行辐射骚扰发射试验，孔洞的增多给辐射骚扰发射试验带来了很多不确定性。信息技术设备裸露的线缆、主板等会向外界泄露电磁干扰信号，所以电子设备的外层一般加有屏蔽箱体。屏蔽箱体的作用是防止设备向外泄露电磁干扰信号，同时又保护电子设备，阻止外界电磁波影响屏蔽箱体内部电子设备的正常工作。最理想的电磁屏蔽箱体是完整的表面无孔缝的封闭箱体，但是信息技术设备在工作过程中会发生发热现象，完全密封屏蔽箱体无法满足信息技术设备的散热，这就造成了箱体的孔洞的存在，使得屏蔽箱体的屏蔽效能降低，甚至没有屏蔽效能，因此，展开这些孔洞对箱体屏蔽效能影响的研究是十分必要的。

1 屏蔽箱体及作用

1.1 屏蔽箱体

屏蔽箱体是利用导电或者导磁材料制成的各种形状的屏蔽体，用屏蔽能力来衡量箱体的好坏。屏蔽体将电磁能力限制在一定空间范围内，用于抑制辐射干扰的金属体。并对传导和辐射进行处理，以实现给被测无线通信设备提供无干扰的测试环境的设备。此次选用铝制屏蔽箱体，前后面板厚度为3mm，上下面板为2mm。尺寸为长370mm、宽417mm、高180mm。如图1所示。

图1 屏蔽箱体

1.2 屏蔽箱体的箱体孔洞的选择

在箱体及产品设计前再考虑电磁兼容性能的同时也要考虑相关的箱体冷却性能，现在冷却技术分为空气冷却技术、液体冷却技术、热管冷却技术。其中，空气冷却技术包括自然冷却和强迫风冷，信息技术类设备通常为强迫风冷型设备。

现有市场上常见的箱体孔洞多为孔型阵列和大孔洞阵列。大孔洞阵列又分为水平阵列和垂直阵列。本次选取了三种形状，分别为圆孔、水平开孔、垂直开孔，如图2–图4所示，在前面板中西位置选取长8cm 宽5cm 的范围内打相应的孔洞。

图2 圆孔

图3 水平长孔

图4 垂直长孔

圆孔为15个0.7cm 的圆孔，其散热面积约为5.7cm2；垂直长孔为4个长3.5cm 宽0.4cm 的垂直长孔，其散热面积约为5.6cm2；水平长孔为4个长3.5cm 宽0.4cm 的水平长孔，其散热面积约为5.6cm2。在强排风情况下，在一定范围内的散热面积相等，散热效果相同。

1.3 屏蔽箱体电磁性能

1.3.1 屏蔽箱的屏蔽性能

电磁兼容辐射骚扰发射抑制技术可从两类着手：第一类是系统本身应尽量选用互相干扰最小的设备和电路，并进行合理的布局；第二类是通过屏蔽、滤波和接地等技术，将干扰予以隔离和抑制。当电路设计完成后，屏蔽是最有效的消除干扰的方法。

屏蔽箱就是用高导电率材料或者高导磁材料制成的箱体，将电磁敏感设备或者电磁骚扰源完全封闭起来，通过屏蔽材料的反射和吸收作用，使穿过屏蔽箱体的电磁场衰减。屏蔽箱体屏蔽性能的好坏由屏蔽效能来衡量，

电场的屏蔽效能公式为：

SEE=20lg（E1│E2） （1）

式中，SEE 为电场的屏蔽效能；E1为没有屏蔽接收的信号值；E2为有屏蔽接收的信号值。

磁场的屏蔽效能公式为：

SEH=20lg（H1│H2） （2）

SEH为电场的屏蔽效能；H1为没有屏蔽接收的信号值；H2为有屏蔽接收的信号值。

屏蔽性能的衡量标准为GJB5240–2004《军用电子设备通用机箱机柜屏蔽效能要求和测试方法》和GB/T12190《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》。

1.3.2 屏蔽箱的谐振频率

谐振频率的产生电磁波会在屏蔽腔体内形成驻波发射从而发生电磁谐振，导致腔体屏蔽效能急剧下降，一般谐振点对应着屏蔽腔屏蔽效能的最低点。

谐振频率公式为：

式中，fMHz单位为MHz；w、l、h分别为箱体的宽、长、高，单位米；k、m、n分别表示箱体内长、高、宽3个方向上的驻波半波数，取值0、1、2…，且k、m、n中每次最多只有一个为0。由公式（3）计算可得1022MHz为试验箱体的谐振的最小频率点，故不考虑谐振频率的影响。

2 场地布置方法

2.1 设备组成

发射单元：信号源SMB100A 与发射天线相连，发射天线选用Schwarzbeck 公司生产的SBA9113B 天线作为发射天线，其覆盖范围为80MHz–3GHz。发射单元中心位置为发射天线中心，信号源放置于暗室外部防止信号源对测试产生影响，发射天线通过射频线缆与信号源连接。

表1 试验设备

屏蔽发射单元：信号源SMB100A 与发射天线相连，发射天线固定在屏蔽箱体中，中心位置与箱体中心位置重合。屏蔽发射单元中心位置为箱体中心，其他布置同发射单元配置。屏蔽发射单元分为圆孔屏蔽发射单元、垂直长孔屏蔽发射单元、水平长孔屏蔽发射单元，分别进行测试。

接收单元：将接收天线与接收机ESW44相连，接收天线选用Schwarzbeck 公司生产的VULB9163天线作为接收天线，其覆盖范围为30MHz–3GHz。接收单元中心位置为接收天线中心，接收机放置于暗室外部防止信号源对测试产生影响，接收天线通过射频线缆与接收机连接。

2.2 场地布置

根据国标GB/T9254辐射骚扰发射台式设备要求进行场地布置。将发射单元放置于测试桌上中心位置垂直，测试桌高度为80cm，接收单元开始接收无线电信号，发射单元中心与接收单元中心的距离为10m，记录相关频率及最大值。屏蔽发射单元中心与测试桌中心位置垂直，采用相同配置记录相关频率及最大值。两次测试中发射单元与屏蔽发射单元高度相等。详见配置间图5、图6。

图5 测试系统布置及组成

图6 测试系统半电波暗室内布置

3 试验结果

通过2.2的场地布置，接收机设置为最大值保持，接收天线1–4m 升级，降转台360°旋转。分别测得发射天线水平、垂直条件下，发射单元、圆孔屏蔽发射单元、垂直长孔屏蔽发射单元、水平长孔屏蔽发射单元的实验值。频率范围为80MHz–1GHz。

图7 不同孔洞水平极化80MHz–1GHz屏蔽效能对比

由图7 可知，在水平极化80MHz–370MHz 时各类孔洞没有明显差异，370MHz 后屏蔽效果开始分化，最大差异出现在585MHz 和735MHz 相差30dB。圆孔在550MHz–650MHz 优于其他两类开孔，但在700MHz–875MHz 其他两类差距很大。水平长孔表现一般，垂直长孔总体屏蔽优于其他两类开孔。当设备内部线缆等多为水平布置时，应当选择垂直长孔作为通风孔来增加内部衰减，减小对外部的辐射，但也应当考虑内部频率的因素。

图8 不同孔洞垂直极化80MHz–1GHz屏蔽效能对比

由图8 可知，在垂直极化时80MHz 开始就出想分化最多相差35dB。圆孔在80MHz–250MHz、500MHz–750MHz、850MHz–1000MHz 优于其他两类开孔，水平长 孔 的 情 况 在350MHz–400MHz、350MHz–400MHz、350MHz–400MHz 好于垂直长孔，其他与垂直长孔类似。垂直长孔总体屏蔽优于其他两类开孔。当设备内部线缆等多为垂直布置时，应当选择圆孔作为通风孔来增加内部衰减，减小对外部的辐射，但也应当考虑内部频率的因素。

图9 圆孔垂直极化及水平极化80MHz–1GHz屏蔽效能对比

通过图7和图8可以看出，圆孔类型在同等条件下优于孔缝型，这是因为圆孔型为不连续的孔缝，对屏蔽箱体结构上的感应电流变化较小，孔洞的等效辐射现象较弱。在通过图9对不同极化进行分析可以看出，圆孔在140MHz 开始就出现分化。其中在225MHz–650MHz、750MHz–850MHz 水平极化优于垂直极化圆孔，在675MHz–750MHz、850MHz–750MHz、850MHz–1000MHz 垂直极化优于水平极化。圆孔的数据在表明不同极化对不同屏蔽箱体的屏蔽效能也有着显著影响。

4 试验结果分析

通过第三部分的试验结果发现，通风孔相关结构参数孔洞类型对箱体电磁屏蔽能力有着不同的影响，选用圆孔箱体的屏蔽能力优于水平长孔和垂直长孔，但根据发射天线的极性频率，屏蔽能力有着不同的变化，也可以在不同的设备的骚扰参数（频率、极性）选择更适合的通风孔洞。还可以将散热面积一定时设计成小通风孔的通风孔阵列，这样孔洞的等效辐射现象不明显，达到更佳的屏蔽效果。在通风孔洞位置选择上在满足散热的要求，又要尽量远离设备的辐射区域。

5 结束语

本文通过试验对不同形状孔洞的箱体屏蔽效能进行了测试，证明屏蔽效能与孔洞形状以及电磁波频率极化等参数存在关系。产品在设计之初可通过仿真软件进行分析，但由于材料结构等原因，仿真结果要好于实际测试结果。仅依靠传统理论计算无法适应复杂的实际情况，因此，产品设计中要根据以往的经验和实验验证进行改正。