楊三璽
(太原航空儀表有限公司,山西 太原 030006)
電磁屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧辖M成的屏蔽體將需要防護(hù)區(qū)域封閉起來,阻止和減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體對(duì)內(nèi)限制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁波的泄漏,對(duì)外防止外部的輻射進(jìn)入自身區(qū)域。若電子設(shè)備外部箱體設(shè)計(jì)成連續(xù)屏蔽體,則可以較好達(dá)到上述屏蔽目的。但實(shí)際設(shè)計(jì)中,屏蔽體上不可避免地存在各種縫隙、開孔以及進(jìn)出電纜等各種缺陷,這些缺陷使屏蔽體局部電流不連續(xù),造成了屏蔽體的屏蔽效能急劇地劣化。
屏蔽體的屏蔽能力用屏蔽效能ES來表示,通常用分貝(dB)來計(jì)量,它的值表示屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。假設(shè)無屏蔽體時(shí)空間某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E1(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H1),有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E2(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H2)的,則電場(chǎng)屏蔽效能、磁場(chǎng)屏蔽效能表達(dá)式如公式(1)、公式(2)。
屏蔽通常是把屏蔽體看成是一個(gè)在結(jié)構(gòu)上完整,在電氣上連續(xù)的均勻封閉體。當(dāng)電磁波入射到屏蔽體時(shí),電磁波將會(huì)以三種能量形式進(jìn)行損耗。屏蔽體的整體屏蔽效能可用公式(3)表示。
如圖1所示,當(dāng)電磁波入射到屏蔽材料上時(shí),由于屏蔽材料兩側(cè)的介質(zhì)均為空氣,在屏蔽材料的第一界面發(fā)生阻抗的突變,一部分電磁波就被反射,即為反射損耗,用R表示;另一部分透過屏蔽材料表面進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部,在屏蔽材料內(nèi)部按指數(shù)規(guī)律衰減,又消耗掉一部分電磁能量,即吸收損耗,用A表示;透射波在離開板的第二個(gè)分界面時(shí),又發(fā)生反射,而且是在兩個(gè)界面之間多次反射,這種反射稱為多次反射修正因子,用B表示。圖1所示是實(shí)心屏蔽材料的屏蔽效能模型。
圖1 實(shí)心材料屏蔽效能模型
根據(jù)圖1模型可以看出,屏蔽材料對(duì)電磁波的反射和吸收損耗使電磁能量被衰減,將電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)屏蔽,即電磁屏蔽。
對(duì)于良性導(dǎo)體,吸收損耗A用公式表示為
式中:σr為相對(duì)銅的電導(dǎo)率(S/m);μr為相對(duì)銅的磁導(dǎo)率,H/m;f為磁場(chǎng)頻率,Hz;t為材料厚度,mm。
公式(4)表明,吸收損耗A與屏蔽體的厚度正比,并隨著頻率、相對(duì)磁導(dǎo)率以及相對(duì)電導(dǎo)率的提高而增加。表1[1]是幾種常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。
表1 常用金屬材料的相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率μr
公式(4)和表1表明高磁導(dǎo)率的材料吸收損耗較高,適用于磁屏蔽環(huán)境。不銹鋼材料可以制造電子設(shè)備具有高可靠性的電磁屏蔽殼體。目前新型的屏蔽體材料還有發(fā)泡鋁、發(fā)泡鎳、導(dǎo)電塑料、活化導(dǎo)電鍍膜塑料等。
研究表明,當(dāng)縫隙的最大線性尺寸等于干擾源波長(zhǎng)的λ/2的整數(shù)倍時(shí),縫隙的電磁泄漏量最大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般要求縫隙的最大線性尺寸不大于λ/10[2]波長(zhǎng)。縫隙的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖2所示。
圖2 縫隙結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路
電子設(shè)備需要隨時(shí)調(diào)試、維護(hù),因此它的結(jié)構(gòu)件不可避免地形成了縫隙,這些縫隙的結(jié)合面受表面粗糙度、材料剛度及緊固點(diǎn)的位置等影響,會(huì)不同程度地使屏蔽效能下降。在電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí),太原航空儀表有限公司(以下簡(jiǎn)稱太航)可以對(duì)縫隙采用特殊的處理,以提高結(jié)構(gòu)件的屏蔽效能。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,可以通過在連接處折彎,增加縫隙的深度,如圖3所示。從圖3可以看出,圖3-1的結(jié)合面大于圖3-2,圖3-2的結(jié)合面大于圖3-3。因此,屏蔽性能圖3-1最佳,但圖3-1的加工工藝相對(duì)復(fù)雜,在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要也可以選擇圖3-2選擇中的結(jié)合方式。
圖3 殼體結(jié)合方式
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在條件許可情況下,增加連接件數(shù)量可以減小間距,減短縫隙長(zhǎng)度。在有特殊功能要求,無法減少長(zhǎng)條縫隙的情況下,可以通過合理設(shè)置緊固點(diǎn)間距和在結(jié)合處放置導(dǎo)電柔性介質(zhì)的方法進(jìn)行屏蔽。
1)設(shè)置緊固點(diǎn)間距。為了減小縫隙的最大尺寸,最直接的方法就是減小緊固點(diǎn)的間距??p隙的最大尺寸并不等于緊固點(diǎn)的間距,在兩個(gè)螺釘之間的材料也是會(huì)接觸在一起的。理論上螺釘間距越小,屏蔽效果就會(huì)越好。但螺釘布置越密,裝配結(jié)構(gòu)的工藝性越差,而且還會(huì)影響產(chǎn)品的美觀。因此,緊固點(diǎn)的間距是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較重要的數(shù)據(jù),在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般可取螺釘間距為λ/20[2]。
2)使用導(dǎo)電柔性材料的屏蔽設(shè)計(jì)。導(dǎo)電柔性介質(zhì)主要包括導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電布、簧片、金屬絲網(wǎng)條、指形簧片和多重導(dǎo)電橡膠等。多重導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電襯墊和導(dǎo)電橡膠條可以在縫隙處形成可靠電接觸,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的連續(xù)性,是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一種方法。結(jié)構(gòu)件表面采用化學(xué)氧化處理,并在搭接處加裝導(dǎo)電橡膠條,可以有效防止了電磁泄露,如圖4所示。
圖4 導(dǎo)電橡膠條安裝位置
需要注意的是導(dǎo)電襯墊的金屬填充材料應(yīng)與屏蔽機(jī)箱材料的相容性,應(yīng)盡量避免兩種材料產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕;設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),需保證導(dǎo)電襯墊與結(jié)構(gòu)件之間有一定的壓力,即一方面保證兩者接觸可靠,另一方面也不能使導(dǎo)電襯墊過度壓縮。
屏蔽材料在縫隙中具體安裝形式主要有卡裝、直接緊固連接和膠粘接等形式。在結(jié)構(gòu)件許可情況下,盡量采用安裝槽的形式。
電纜穿透的數(shù)學(xué)模型十分復(fù)雜,為了直觀地分析這種屏蔽的破壞作用,太航可以簡(jiǎn)單地將電纜簡(jiǎn)化成一個(gè)導(dǎo)體,忽略芯線的影響,如圖5所示,在屏蔽體內(nèi)部為AB段,在屏蔽體外部為BC段。屏蔽體內(nèi)部的干擾耦合到電纜AB段上,產(chǎn)生干擾電流iS。干擾電流流過B點(diǎn)時(shí),與B點(diǎn)的屏蔽體之間未連接,ZB足夠大,因此干擾電流直接穿透屏蔽體到BC段。在BC段干擾電流通過空間向外輻射,等效電路如圖5所示。
由圖5分析可知,如果在B點(diǎn)保證與屏蔽體之間的可靠接觸,可以認(rèn)為ZB=0,因此ie=0,屏蔽體外部基本無輻射。
圖5 電纜穿透等效模型
以上將電纜簡(jiǎn)化成了一個(gè)導(dǎo)體,忽略了線芯的影響,從而清楚地闡述了線纜需要可靠接地的原理。實(shí)際上,由于芯線的存在,芯線的干擾電流將更加直接,而且芯線可能與屏蔽層之間形成干擾電流回路,因此對(duì)屏蔽性能的破壞實(shí)際上還要大得多。
圖6是某產(chǎn)品電纜穿透的電磁屏蔽的處理方式,插座與殼體安裝處之間加導(dǎo)電襯墊,保證導(dǎo)電連續(xù)性,需要注意的是屏蔽殼體表面需要做導(dǎo)電處理,并選取合適的導(dǎo)電襯套以保證足夠低的接觸阻抗。
圖6 電纜穿透的電磁屏蔽
電纜屏蔽層的種類有很多,其中金屬絲編織層以成本低、安裝方便、重量輕等特點(diǎn)備受設(shè)計(jì)人員青睞。在設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)實(shí)際屏蔽需求可以選擇不同編制密度、不同層數(shù)的金屬絲編織層。
合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以使電子設(shè)備自身穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,另一方面也能減少設(shè)備對(duì)外釋放電磁干擾,所以設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)給予足夠的重視。在產(chǎn)品開發(fā)的初期,兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì),結(jié)合電磁環(huán)境方面的因素,制定電磁屏蔽方案,這樣一定能達(dá)到理想的效果。
[1] 馮慈章,馬西奎.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,2002.