摘要：首先介紹了電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及作用，其次對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的電磁屏蔽方法進(jìn)行了分析，并對鋁制機(jī)箱產(chǎn)品進(jìn)行了屏蔽試驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);電磁屏蔽技術(shù);電磁兼容

0 引言

電磁干擾主要是指在設(shè)備工作環(huán)境中，設(shè)備相互之間產(chǎn)生的電磁波干擾以及設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電磁波干擾。電磁屏蔽就是利用屏蔽體對電磁波產(chǎn)生衰減的作用，將電磁干擾能量限制在一定范圍內(nèi)，用屏蔽效能值來衡量其限制干擾能力的大小。一般民用產(chǎn)品機(jī)箱的屏蔽效能要求在40 dB以下，軍用設(shè)備機(jī)箱一般要求達(dá)到60 dB的屏蔽效能。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁屏蔽技術(shù)應(yīng)用

1.1? ? 屏蔽機(jī)柜設(shè)計(jì)

機(jī)柜主要作為標(biāo)準(zhǔn)上架和非標(biāo)準(zhǔn)上架設(shè)備的安裝載體，對內(nèi)部所承載上架的設(shè)備單元進(jìn)行防護(hù)。電磁屏蔽機(jī)柜針對電磁干擾環(huán)境，在機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用了屏蔽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜對電磁波的整體屏蔽，進(jìn)而配合整機(jī)設(shè)備的電磁兼容性。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)中常見的電磁干擾方式主要有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種，機(jī)柜屏蔽設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)柜殼體的屏蔽及上架單元與機(jī)柜間的屏蔽，以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜之間的電導(dǎo)通及導(dǎo)通連續(xù)性。將經(jīng)過導(dǎo)通處理的機(jī)柜殼體接地，以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜靜電屏蔽。

封閉式屏蔽機(jī)柜如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)上架式屏蔽機(jī)柜如圖2所示。封閉式屏蔽機(jī)柜通過對整體機(jī)柜利用厚鋁板進(jìn)行六面搭接，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的整體密封，同時留出內(nèi)外電氣連通接口，在對連通接口及其接口件進(jìn)行屏蔽處理后，實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備的電磁屏蔽。標(biāo)準(zhǔn)上架式屏蔽機(jī)柜首先實(shí)現(xiàn)框架及其上下、左右安裝配板之間的電導(dǎo)通及其連續(xù)性，再與前后上架安裝單元形成導(dǎo)通，最終實(shí)現(xiàn)對整機(jī)設(shè)備的電磁屏蔽。

1.2? ? 屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)

常用設(shè)備機(jī)箱形式與機(jī)柜產(chǎn)品一樣，主要作為標(biāo)準(zhǔn)上架和非標(biāo)準(zhǔn)上架設(shè)備的安裝載體，其電磁屏蔽主要考慮機(jī)箱殼體的屏蔽及上架單元與機(jī)箱間的屏蔽。非標(biāo)準(zhǔn)上架式設(shè)備機(jī)箱，可采用金屬板（常用鋁板）通過機(jī)械加工或者折彎的方式成型，通過表面處理對整機(jī)機(jī)箱完成導(dǎo)通連續(xù)性處理，可以達(dá)到40～60 dB的屏蔽效果;也可采用復(fù)合材料，常用的如碳纖維、玻璃纖維等加工機(jī)箱殼體。碳纖維具有良好的電導(dǎo)通性，利用其制作的機(jī)箱可以達(dá)到35 dB的屏蔽效果。而玻璃纖維成型機(jī)箱的電導(dǎo)通及導(dǎo)通連續(xù)性是通過在箱體纖維布層間增加銅網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)箱對電磁的屏蔽。

密閉式屏蔽機(jī)箱如圖3所示，這種材質(zhì)的全封閉式機(jī)箱，均通過保證外殼的導(dǎo)通連續(xù)性以及外部接口的屏蔽、濾波處理來實(shí)現(xiàn)整臺設(shè)備的電磁屏蔽。其中，濾波處理主要是針對進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的外部電源以及內(nèi)外聯(lián)結(jié)的電信號加裝濾波器，進(jìn)行電源及信號的濾波。

2 屏蔽效能分析

電磁屏蔽技術(shù)在箱柜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，主要考慮對結(jié)構(gòu)縫隙的屏蔽處理和對殼體的屏蔽處理。因此，此類屏蔽技術(shù)的屏蔽效能主要取決于結(jié)構(gòu)縫隙屏蔽材料的選擇和對產(chǎn)品殼體的屏蔽處理方式。

2.1? ? 結(jié)構(gòu)縫隙屏蔽材料及效能

針對結(jié)構(gòu)縫隙、孔洞的屏蔽處理，主要采用導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電布等屏蔽材料。常用的屏蔽材料及效能如表1所示。

2.2? ? 殼體屏蔽方法及效能分析

2.2.1? ? 殼體屏蔽方法

常用設(shè)備機(jī)箱作為標(biāo)準(zhǔn)上架設(shè)備的安裝載體時，其電磁屏蔽處理方法仍是將機(jī)箱殼體進(jìn)行整體導(dǎo)通性處理，從而實(shí)現(xiàn)除前后安裝的上架設(shè)備以外的機(jī)箱的電導(dǎo)通連續(xù)性。其中，機(jī)箱可由金屬或非金屬材質(zhì)制作成型，金屬機(jī)箱可直接通過表面處理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通性處理。非金屬機(jī)箱有玻璃鋼和碳纖維兩種，碳纖維作為導(dǎo)電體，具有一定的電導(dǎo)通性。玻璃鋼機(jī)箱為非導(dǎo)體，需要對機(jī)箱箱體進(jìn)行導(dǎo)電處理，并保證其電導(dǎo)通的連續(xù)性。常用的非導(dǎo)體電導(dǎo)通處理方法如表2所示。

由表1可知，玻璃鋼箱體的電導(dǎo)通處理方法是在箱體壁內(nèi)部加裝金屬銅網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)其金屬化處理，以保證機(jī)箱箱體的電導(dǎo)通及導(dǎo)通連續(xù)性。

2.2.2? ? 屏蔽效能計(jì)算分析

屏蔽效能是衡量電磁波經(jīng)過屏蔽物時能量被衰減多少的量。本文以經(jīng)過屏蔽處理后的箱柜殼體屏蔽效能進(jìn)行分析計(jì)算，并以效能能量場原理來闡述屏蔽效能，對于傳輸電磁波而言，屏蔽效能可以用傳輸線方程來分析，將平面波考慮為信號源，從前面入射到無限大平面薄板上。

屏蔽效能一般與頻率、屏蔽物的形狀與材料、屏蔽中測量的位置、電磁波種類、電磁波的入射及極化方向等有關(guān)。

電場的屏蔽效能計(jì)算公式：

磁場的屏蔽效能計(jì)算公式：

式中：S為屏蔽性能;E0、H0為電磁波入射的電場、磁場強(qiáng)度;E1、H1為經(jīng)過屏蔽物后的電場、磁場強(qiáng)度。

此外，當(dāng)電磁波穿過任何金屬物時，通常有兩種類型的損耗：吸收損耗和反射損耗。

因此，屏蔽效能計(jì)算公式又可寫成：

式中：A為吸收損耗;R為反射損耗;B為正或負(fù)的修正項(xiàng)。當(dāng)A大于15 dB時，B可忽略不計(jì)，B是由屏蔽體內(nèi)反射波引起的。

式（3）中的各項(xiàng)可以視為相對于銅材料的電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ、頻率f以及所存在的各種物理參數(shù)的函數(shù)。表3為常用屏蔽材料的電特性參數(shù)。

2.2.3? ? 吸收損耗

吸收損耗A不僅取決于σ、μ、f，還取決于屏蔽材料的厚度d（cm）。

以機(jī)箱采用2 mm厚鋁板加工為例，其吸收損耗為：

本文最終要符合3個頻段的實(shí)驗(yàn)要求，為了驗(yàn)證所選材料在各頻段的屏蔽效能是否達(dá)到要求，可以將各頻段兩端極限值最為驗(yàn)證點(diǎn)，分別取f=25 Hz、10 kHz、100 kHz。因此，可得吸收損耗A=1.023 dB、20.46 dB、64.7 dB。

2.2.4? ? 反射損耗

屏蔽體的反射損耗不僅與材料本身的特性（電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）有關(guān)，還取決于干擾源的電磁性能和屏蔽體到干擾源之間的距離r（cm）。

低阻抗磁場源（如距離≤λ/2π的環(huán)）的反射損耗為：

高阻抗電場源（如距離≤λ/2π的棒）的反射損耗為：

平面波（如距離≥λ/2π的棒或環(huán)）的反射損耗為：

如果λ/2π=2.65 cm≤r，那么平面波的反射損耗R分別為：151.8 dB、125.8 dB、115.8 dB。

2.2.5? ? 內(nèi)部修正

如果A≥15 dB，修正項(xiàng)B可以忽略不計(jì)。如果A<15 dB，則必須對因屏蔽材料內(nèi)部多次反射而造成的影響進(jìn)行修正。這個修正項(xiàng)B是復(fù)雜的，取決于材料、尺寸和頻率參數(shù)大小。通常A=1.23 dB<15 dB，此時：

從總的屏蔽效能S=A+R+B可以得知，無論B取多大值，所選材料的吸收損耗和反射損耗之和都已經(jīng)大于屏蔽效能40 dB，對可以達(dá)到99%的抗干擾衰減量，滿足GJB 151A—97對設(shè)備RE102項(xiàng)傳導(dǎo)發(fā)射的屏蔽要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對鋁制機(jī)箱產(chǎn)品進(jìn)行GJB 151A—97中RE102項(xiàng)屏蔽試驗(yàn)，屏蔽效果如圖4所示。

由圖4可知，對以機(jī)箱為載體的設(shè)備進(jìn)行10 kHz～10 MHz掃頻時，在10～500 kHz頻段可以達(dá)到70～100 dB的屏效效能;在500 kHz～10 MHz頻段范圍內(nèi)，屏蔽效能也可達(dá)到40 dB;只有在5 MHz頻段附近出現(xiàn)凸點(diǎn)，但不影響設(shè)備的屏蔽效果。

4 結(jié)語

電磁屏蔽技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要根據(jù)整機(jī)設(shè)備的電磁兼容要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分的屏蔽設(shè)計(jì)目標(biāo)分解，通常結(jié)構(gòu)部分是以屏蔽效能來衡量屏蔽設(shè)計(jì)效果。軍用設(shè)備的電磁兼容性要求，根據(jù)應(yīng)用場所不同，需要滿足的項(xiàng)目指標(biāo)不同。此外，電磁屏蔽技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，還要考慮外部電氣接口屏蔽及電磁兼容的配合設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求：GJB 151A—97[S].

收稿日期：2020-07-29

作者簡介：韓艷霞（1981—），女，河南滑縣人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。