吳　迪，高馳名，馬建章

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

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一種密封通信終端的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

吳迪，高馳名，馬建章

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

摘要電磁干擾嚴(yán)重影響著密封終端技術(shù)性能的有效發(fā)揮，電磁屏蔽是提高電子系統(tǒng)和電子設(shè)備電磁兼容性能力的重要措施之一。簡(jiǎn)要介紹了典型通信終端的結(jié)構(gòu)形式，分析了密封通信終端電磁屏蔽設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題，指出了影響設(shè)備電磁屏蔽效能的泄露源。以典型密封通信終端設(shè)備為實(shí)例，在不改變或降低密設(shè)備封性能的情況下，針對(duì)連接器、開關(guān)、指示燈孔、顯示屏窗口、鍵盤開口和盒體縫隙等不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)，給出了具體的設(shè)計(jì)思路和方法。經(jīng)電磁兼容測(cè)試驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法是科學(xué)、有效的。

關(guān)鍵詞密封通信終端；電磁屏蔽；屏蔽效能；屏蔽設(shè)計(jì)

Design on Electromagnetic Shielding for a Sealed

Communication Terminal

WU Di,GAO Chi-ming,MA Jian-zhang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe electromagnetic interference(EMI)has a strong impact on the technology performance of sealed terminal.The electromagnetic shielding is one of the important measures of raising electromagnetic compatibility of electronic system and electronic equipment.This paper introduces briefly the structure of a typical sealed communication terminal,analyzes the problems in electromagnetic shielding design of sealed communication terminals,and also points out the leak source that impacts the electromagnetic shielding efficiency of terminals.Taking a typical sealed communication terminal as an example,the electromagnetic shielding design is performed aiming at different structural characteristics of connector,switch,indicator hole,screen,keyboard interface,power connector and switch without sealing capability changing and reducing,and the typical design idea and method are proposed.The electromagnetic compatibility test results show that this design method is scientific and available.

Key wordssealed communication terminal;EMC;shield efficiency;shield design

0引言

系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，其中電磁屏蔽性能是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。如何解決通信系統(tǒng)及其設(shè)備中的電磁兼容問(wèn)題，是提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵[1]。電磁屏蔽設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，也是影響電子設(shè)備電磁兼容性能的關(guān)鍵技術(shù)。

設(shè)備的屏蔽設(shè)計(jì)從不需設(shè)計(jì)，到設(shè)備電磁兼容出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)被動(dòng)的設(shè)計(jì)，一直到現(xiàn)在的主動(dòng)設(shè)計(jì)，越來(lái)越具有系統(tǒng)性和總體性的特點(diǎn)。

通信終端作為常用通信類設(shè)備，具有集成度高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，它的電磁屏蔽設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一。本文以典型通信終端為例，介紹了通信類終端的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，為同類產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)提供了參考。

1密封通信終端的電磁屏蔽設(shè)計(jì)問(wèn)題

通信終端類設(shè)備通常具有顯示、控制、操作和通信等功能。一種典型密封通信終端如圖1所示。

圖1　整體布局示意

其結(jié)構(gòu)由盒體和底板2部分組成，材料均為鋁合金，表面進(jìn)行導(dǎo)電氧化后外表面噴漆。盒體正面安裝指示燈、顯示屏、旋鈕開關(guān)和橡膠鍵盤等；盒體上、下兩側(cè)為線纜連接端，布置各種連接器端口。設(shè)備要求在保證密封性的前提下滿足屏蔽要求。

設(shè)備電磁泄漏一般有縫隙、孔洞、屏幕和按鍵等。圖1中典型終端存在的電磁泄漏源包括：連接器、開關(guān)與盒體的縫隙、指示燈開孔、鍵盤開孔、屏幕開孔以及盒體與蓋板的縫隙。針對(duì)以上幾處泄漏源進(jìn)行針對(duì)性的屏蔽設(shè)計(jì)，保證終端的屏蔽性和密封性。

2電磁屏蔽設(shè)計(jì)

通信終端類設(shè)備的主要工作頻段一般為100 kHz～1 GHz，而電場(chǎng)輻射發(fā)射頻率測(cè)試范圍一般為10 kHz～18 GHz，涵蓋整個(gè)設(shè)備的工作頻率，在該頻率范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)備本身的屏蔽效能一般達(dá)到SE=60 dB即可滿足電磁屏蔽的設(shè)計(jì)要求。

電磁屏蔽設(shè)計(jì)一般由屏蔽、濾波和接地3部分組成。其中，孔、縫主要采取屏蔽，線纜采取屏蔽和濾波，設(shè)備結(jié)構(gòu)接地。下面對(duì)文中提到的泄漏源進(jìn)行逐一的分析和屏蔽設(shè)計(jì)。

2.1連接器、開關(guān)與盒體的縫隙

此類縫隙一般采用具有密封和屏蔽功能的導(dǎo)電襯墊進(jìn)行屏蔽。導(dǎo)電襯墊具有導(dǎo)電性和彈性，用于器件與盒體連接處，可以減小縫隙，保持電連續(xù)性，從而增加屏蔽效能[2]。在選擇外購(gòu)件時(shí)，選擇帶密封墊的連接器和開關(guān)。盒體與導(dǎo)電密襯墊接觸處需要保護(hù)，并保證有良好的導(dǎo)電性。

2.2指示燈孔屏蔽設(shè)計(jì)

指示燈不可避免需要開孔，原則上是開孔盡量小，設(shè)備統(tǒng)一化要求開孔為矩形。矩形開孔對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效能為：

(1)

式中，l為矩形通風(fēng)孔深度；b為矩形通風(fēng)孔最長(zhǎng)邊。

從式(1)可以看出，l與b的比值是決定屏蔽效能的關(guān)鍵，如果需要屏蔽效能>60 dB，則l/b≥2.3。考慮到美觀性和導(dǎo)光柱的尺寸，取l=5，b=2，根據(jù)公式得出指示燈孔處屏蔽效能SE=68 dB。

2.3顯示屏窗口屏蔽設(shè)計(jì)

顯示屏顯示位置是設(shè)備的最大開孔處，大大降低了機(jī)箱的屏蔽能力。除了選用自身電磁兼容性優(yōu)秀的顯示屏外，工程中一般采用在顯示屏外側(cè)安裝屏蔽玻璃(將編制的細(xì)金屬絲夾于2塊玻璃或有機(jī)玻璃之間)的屏蔽方式。金屬網(wǎng)屏蔽，其內(nèi)部衰減是很小的，而其屏蔽效能主要取決于反射衰減[3]。

設(shè)網(wǎng)眼的空隙寬度為b，則由網(wǎng)眼構(gòu)成的波導(dǎo)管的截止頻率的波長(zhǎng)為2b，屏蔽玻璃的屏蔽效能可近似地用下式估算[4]：

(2)

(3)

從式(3)可知，在電磁波頻率f一定的情況下，盡可能地減小b才能有效地提高該設(shè)備的電磁效能。

設(shè)備顯示窗口大小為46 mm×24 mm。選用編制密度為250目的絲網(wǎng)，空隙寬度為0.073 mm。根據(jù)公式得出顯示屏窗口處屏蔽效能SE為66.3～106.3 dB。

屏蔽玻璃安裝時(shí)要注意保證金屬絲網(wǎng)與盒體緊密接觸，這樣才能保證屏蔽玻璃的屏蔽效能。安裝示意圖如圖2所示。

圖2　顯示屏處結(jié)構(gòu)示意

2.4鍵盤開口屏蔽設(shè)計(jì)

鍵盤開孔比較多，傳統(tǒng)方式采用單元板后側(cè)安裝屏蔽罩結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式占空間較大，同時(shí)需要為鍵盤板設(shè)計(jì)走線開口。本設(shè)備在橡膠鍵盤與鍵盤壓板之間安裝屏蔽玻璃的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽設(shè)計(jì)，屏蔽玻璃上與按鍵對(duì)應(yīng)的位置開圓孔，形成一個(gè)孔陣列，則該窗口對(duì)磁場(chǎng)的總屏蔽效能為[4]：

(4)

該屏蔽玻璃設(shè)計(jì)值為d=3 mm，c=15 mm，l=45 mm，t=2.2 mm，根據(jù)式(4)得出鍵盤開口處屏蔽效能SE=78.7 dB。鍵盤處結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　鍵盤處結(jié)構(gòu)示意

2.5盒體縫隙屏蔽設(shè)計(jì)

縫隙是造成機(jī)箱屏蔽效能降級(jí)的主要原因之一。細(xì)縫隙的作用就像有效的縫隙天線一樣，能接收和傳輸電磁信號(hào)，在所有頻率(1/4波長(zhǎng)小于縫隙長(zhǎng)度)上，有RFI/EMI潛在的危險(xiǎn)性。狹縫屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能估算公式[5]為：

(5)

式中，s為波長(zhǎng)；L為縫隙長(zhǎng)度；t為屏蔽層的厚度。

從式(5)可見，在s一定的情況下，減小或消除縫隙長(zhǎng)度L，增加屏蔽層的厚度t，都能提高設(shè)備的屏蔽效能 。

在縫隙處安裝導(dǎo)電橡膠，用于填充縫隙，使盒體與底板電連續(xù)，避免縫隙的產(chǎn)生。鋁鍍銀導(dǎo)電橡膠是將鋁鍍銀顆粒填充到硅橡膠內(nèi)，橡膠受壓后金屬顆粒相互接觸，實(shí)現(xiàn)電連續(xù)性。鋁鍍銀導(dǎo)電橡膠具有成本低廉、導(dǎo)電性好和重量比較輕等特點(diǎn)，在設(shè)備屏蔽密封設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。由于在硅橡膠中添加了金屬顆粒，導(dǎo)電橡膠的抗腐蝕性能稍差一些。在有防腐蝕性要求的終端中，一般采用復(fù)合材料的導(dǎo)電橡膠，即外側(cè)普通硅橡膠，內(nèi)側(cè)導(dǎo)電硅橡膠，有效解決密封、防腐蝕及電磁兼容的問(wèn)題。

設(shè)備接縫處結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4　設(shè)備接縫處結(jié)構(gòu)示意

2.6接地設(shè)計(jì)

電磁屏蔽體接地質(zhì)量對(duì)屏蔽效能影響極大，一般要求屏蔽體與地的連接電阻小于2 mΩ，在嚴(yán)格的場(chǎng)合下要求連接電阻小于0.5 mΩ。如果屏蔽體通過(guò)接插件接地，因接插件本身的電阻5 mΩ，所以必須用多對(duì)接插孔并聯(lián)以減少接地電阻[6]。

本例在設(shè)備底板的左右兩側(cè)各設(shè)計(jì)了一個(gè)接地凸臺(tái)，兩側(cè)并聯(lián)接地可有效減少接地電阻，從而提高屏蔽效能。

2.7濾波設(shè)計(jì)

濾波是借助抑制元件將有用信號(hào)頻譜以外不希望通過(guò)的能量加以抑制。它既可以抑制干擾源的發(fā)射，又可以抑制干擾源頻譜分量對(duì)敏感設(shè)備、電路或元件的影響[6]。為降低外接電源波動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響，在設(shè)備電源接口處安裝了濾波器。

電源連接器在增加導(dǎo)電墊的同時(shí)，還有其特殊性。電纜上的干擾按照干擾電流的流動(dòng)路徑分為共模干擾電流和差模干擾電流2種。開關(guān)電源工作時(shí)，在電源線上既會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的共模干擾，也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的差模干擾。電網(wǎng)中電感性開關(guān)的通斷，會(huì)產(chǎn)生差模的脈沖干擾，空間的電磁波在電纜上感應(yīng)出共模干擾，2臺(tái)設(shè)備之間的地線電位導(dǎo)致共模電流[7]。

電源輸入端加裝低通濾波器是最常用的處理電源處泄露的形式。連接器與濾波器之間用導(dǎo)線連接，該段導(dǎo)線最常用方式是金屬罩罩住或做成一體等形式。其中金屬罩罩住最為常用，在高頻段和低頻段均有優(yōu)異的共模、差模干擾抑制作用

3電磁兼容測(cè)試

在國(guó)家認(rèn)可的電磁屏蔽實(shí)驗(yàn)室，依據(jù)項(xiàng)目要求的測(cè)試要求和測(cè)試方法，對(duì)密封通信終端進(jìn)行電磁兼容性能測(cè)試，項(xiàng)目包括：CS101、CS114、CS116、RS103、CE102和RE102。6個(gè)測(cè)試項(xiàng)中，RE102對(duì)設(shè)備屏蔽性能要求較高，出現(xiàn)的問(wèn)題最多，最難通過(guò)。RE102測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　2 MHz~18 GHz垂直極化

圖6　30 MHz~18 GHz水平極化

從圖5和圖6中可以看出，設(shè)備實(shí)測(cè)曲線均在要求標(biāo)準(zhǔn)曲線以下，并有很大余量，表明文中的屏蔽設(shè)計(jì)方法適合密封通信終端類設(shè)備。

4結(jié)束語(yǔ)

終端類產(chǎn)品設(shè)備的屏蔽效能是其關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一，也是終端類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出的終端密封設(shè)計(jì)方法如：鍵盤屏蔽設(shè)計(jì)、指示燈屏蔽設(shè)計(jì)和拼接處縫隙屏蔽設(shè)計(jì)等，不僅適用于終端類設(shè)備，對(duì)其他具有類似結(jié)構(gòu)設(shè)備的屏蔽設(shè)計(jì)也具有通用性，值得在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)中推廣和應(yīng)用。該方法在鍵盤和顯示屏的密封屏蔽設(shè)計(jì)上比較傳統(tǒng)和保守，雖然滿足了密封和屏蔽要求，但結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜、裝配有些繁瑣。設(shè)計(jì)師可以在此方面進(jìn)行進(jìn)一步研究、改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、有效。

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吳迪男，(1984—)，工程師。主要研究方向：通信電子設(shè)備及裝車設(shè)計(jì)。

高馳名男，(1982—)，工程師。主要研究方向：通信電子設(shè)備及裝車設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-09-14

中圖分類號(hào)TM3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)12-52-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.14

引用格式：吳迪,高馳名,馬建章.一種密封通信終端的電磁屏蔽設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2015,45(12):52-54,80.