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EMC电磁屏蔽设计技术
 

 

电磁屏蔽技术

纽威电子  技术部

作者:肖岳峰

编者的话:本人写这本书的目的是为了让大家更好的了解电磁骚扰方面的知识,更好的利用我公司的器件来抑制电磁骚扰,达到您想要的目标。文章里面部分内容参考了我公司器件应用手册比较全面的阐述了电磁骚扰产生的机理,以及如何计算设计屏蔽体,对工程师来说是一本很好的电磁兼容设计工具书了。

内容:

*         电磁屏蔽

*         区分电磁波

*         度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能

*         屏蔽材料的屏蔽效能估算

*         影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素

*         实用屏蔽体设计的关键

*         孔洞电磁泄漏的估算

*         缝隙电磁泄漏的措施

*         电磁密封衬垫的原理

*         电磁密封衬垫的选用

*         常用电磁密封衬垫的比较

*         电磁密封衬垫使用的注意事项

*         电磁密封衬垫的电化学腐蚀问题

*         与衬垫性能相关的其它环境问题

*         截止波导管的概念与应用

*         截止波导管的注意事项与设计步骤

*         面板上的显示器件的处理

*         面板上的操作器件的处理

*         通风口的处理

*         线路板的局部屏蔽

*         屏蔽胶带的作用和使用方法

 

电磁屏蔽

电磁波是通过空间辐射的传播方式来进行传播的。在高速电路或高频电路中,电路工作时会对其周边电路发射电磁波干扰信号,影响其他电路的工作稳定性,甚至丧失其他功能。如果发射功率足够强,对邻近的其它设备也会产生干扰。因此,在EMC技术领域,抑制电磁干扰是一项很恼火的事情。电磁屏蔽是一种新技术,广泛应用于无线产品,RFID识别系统,航空航天领域,计算机,电信基站,致力解决电磁干扰问题。使用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题,不会影响电路的任何参数,因此不需要对电路做任何调整。

区分电磁波

    屏蔽体对于不同性质的电磁波,其屏蔽性能是不同的。因此,在考虑采用电磁屏蔽技术时,要对电磁波的辐射频率有基本了解。电磁波有很多种类,按照其波阻抗分为电场波、磁场波、和平面波。

    电磁波的波阻抗ZW 定义为:电磁波中的电场分量E与磁场分量H的比值: ZW = E / H
   
电磁波的波阻抗与电磁波的辐射源到被干扰的电路或设备距离有关以及电磁波所处的传播介质有关。

距离辐射源较近时,波阻抗取决于辐射源特性。若辐射源为大电流、低电压(辐射源的阻抗较低),则产生的电磁波的波阻抗小于377,称为磁场波。若辐射源为高电压、小电流(辐射源的阻抗较高),则产生的电磁波的波阻抗大于377,称为电场波。

距离辐射源较远时,波阻抗仅与电场波传播介质有关,其数值等于介质的特性阻抗,空气为377Ω

电场波的波阻抗随着传播距离的增加降低,磁场波的波阻抗随着传播距离的增加升高。

注意: 近场区和远场区的分界面随频率不同而不同,不是一个定数,这在分析问题时要注意。例如,在考虑机箱屏蔽时,机箱相对于线路板上的高速时钟信号而言,可能处于远场区,而对于开关电源较低的工作频率而言,可能处于近场区。在近场区设计屏蔽时,要分别电场屏蔽和磁场屏蔽。

度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能

屏蔽体的有效性用屏蔽效能SE来度量。屏蔽效能的定义如下:

SE=20lg(E1/E2)   (dB)

式中:E1 =没有屏蔽时的场强  E2 =有屏蔽时的场强

如果屏蔽效能计算中使用的是磁场强度,则称为磁场屏蔽效能,如果屏蔽效能计算中使用的是电场强度,则称为电场屏蔽效能。屏蔽效能的单位是分贝(dB),下表是衰减量与分贝的对应关系:

屏蔽前

屏蔽后

衰减量

屏蔽效能

1

0.1

90%

20dB

1

0.01

99%

40dB

1

0.001

99.9%

60dB

1

0.0001

99.99%

80dB

1

0.00001

99.999%

100dB

 

一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下,军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60dBTEMPEST设备的屏蔽机箱屏蔽效能要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB100dB以上的屏蔽体是很难制造的,成本也很高。

屏蔽材料的屏蔽效能估算

电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗,这种损耗可以分成两个部分:反射损耗和吸收损耗。

反射损耗:当电磁波入射到不同媒质的分界面时,就会发生反射,使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗,用字母R表示。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面,要发生两次反射。因此,电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗总和。反射损耗的计算公式如下:

R=20lg(ZW/ZS)  (dB)   式中: ZW= 入射电磁波的波阻抗 ZS=屏蔽材料的特性阻抗        

|ZS|=3.68×10-7fμrσr1/2式中: f= 入射电磁波的频率 μr=相对磁导率,σr=相对电导率

 吸收损耗:电磁波在屏蔽材料中传播时,会有一部分能量转换成热量,导致电磁能量损失,损失的这部分能量成为屏蔽材料的吸收损耗,用字母A表示,计算公式如下:

A=3.34tfμrσr1/2   (dB)

多次反射修正因子: 电磁波在屏蔽体的第二个界面(穿出屏蔽体的界面)发生反射后,会再次传输到第一个界面,在第一个界面发射再次反射,而再次到达第二个界面,在这个界面会有一部分能量穿透界面,泄漏到空间。这部分是额外泄漏的。应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子,用字母B表示,大部分场合,B都可以忽略。

SE = R + A + B

影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素

从上面给出的屏蔽效能计算公式可以得出一些对工程有实际指导意义的结论,根据这些结论,我们可以决定使用什么屏蔽材料,注意什么问题。下面给出的结论,出步一看,会感到杂乱无章,无从应用,但是结合上面第3和第4条仔细分析后,会发现这些结论都有着内在联系。深入理解下面的结论对于结构设计是十分重要的。

1)材料的导电性和导磁性越好,屏蔽效能越高,但实际的金属材料不可能兼顾这两个方面,例如铜的导电性很好,但是导磁性很差;铁的导磁性很好,但是导电性较差。应该使用什么材料,根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性;

2)频率较低的时候,吸收损耗很小,反射损耗是屏蔽效能的主要机理,要尽量提高反射损耗;

3)反射损耗与辐射源的特性有关,对于电场辐射源,反射损耗很大;对于磁场辐射源,反射损耗很小。因此,对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗,应该选用磁导率较高的材料做屏蔽材料。

4)反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关,对于电场辐射源,距离越近,则反射损耗越大;对于磁场辐射源,距离越近,则反射损耗越小;正确判断辐射源的性质,决定它应该靠近屏蔽体,还是原理屏蔽体,是结构设计的一个重要内容。

5)频率较高时,吸收损耗是主要的屏蔽机理,这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。

6)电场波是最容易屏蔽的,平面波其次,磁场波是最难屏蔽的。尤其是(1KHz以下)低频磁场,很难屏蔽。对于低频磁场,要采用高导磁性材料,甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料。

 

实用屏蔽体设计的关键

一般除了低频磁场外,大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际工作中,要达到80dB以上的屏蔽效能也是十分困难的。这是因为,屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于屏蔽体的结构。屏蔽体要满足电磁屏蔽的基本原则。电磁屏蔽的基本原则有两个:

1)屏蔽体的导电连续性:这指的是整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点在实现起来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何使用价值的。一个实用的机箱上会有很多孔缝造成屏蔽:通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分的结合缝隙等。由于这些导致导电不连续的因素存在,如果设计人员在设计时没有考虑如何处理,屏蔽体的屏蔽效能往往很低,甚至没有屏蔽效能。

2)不能有直接穿过屏蔽体的导体:一个屏蔽效能再高的屏蔽机箱,一旦有导线直接穿过屏蔽机箱,其屏蔽效能会损失99.9%60dB)以上。但是,实际机箱上总会有电缆穿出(入),至少会有一条电源电缆存在,如果没有对这些电缆进行妥善的处理(屏蔽或滤波),这些电缆会极大的损坏屏蔽体。妥善处理这些电缆是屏蔽设计的重要内容之一。(穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大)

电磁屏蔽体与接地无关:对于静电场屏蔽,屏蔽体是必须接地的。但是对于电磁屏蔽,屏蔽体的屏蔽效能却与屏蔽体接地与否无关,这是设计人员必须明确的。在很多场合,将屏蔽体接地确实改变了电磁状态,但这是由于其它一些原因,而不是由于接地导致屏蔽体的屏蔽效能发生改变。

 

孔洞电磁泄漏的估算

如前所述,屏蔽体上的孔洞是造成屏蔽体泄漏的主要因素之一。孔洞产生的电磁泄漏并不是一个固定的数,而是与电磁波的频率、种类、辐射源与孔洞的距离等因素有关。孔洞对电磁波的衰减可以用下面公式进行计算。这里假设孔洞深度为0

在远场区:SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H))

       L≥λ/2,则SE=0 dB 这时,孔洞是完全泄漏的。

    式中: L=缝隙的长度(mmH=缝隙的宽度(mmf=入射电磁波的频率(MHz

这个公式是在远场区中,最坏的情况下(造成最大泄漏的极化方向)的屏蔽效能(实际情况下屏蔽效能可能会更大一些)。

在近场区:

若辐射源是电场辐射源   SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))

若辐射源是磁场辐射源   SE=20lg(πD/L+20lg(1+2.3lg(L/H))

    式中:ZC=辐射源电路的阻抗(Ω),D=孔洞到辐射源的距离(m), L H =孔洞的长、宽(mm f=电磁波的频率(MHz

注意:

1) 近场区,孔洞的泄漏与辐射源的特性有关。当辐射源是电场源时,孔洞的泄漏远比远场小(屏蔽效能高),当辐射源是磁场源时,孔洞的泄漏远比远场大(屏蔽效能低)。

2)对于近场,磁场辐射源的场合,屏蔽效能与电磁波的频率没有关系,因此,千万不要认为辐射源的频率较低(许多磁场辐射源的频率都较低),而掉以轻心。

3)这里对磁场辐射源的假设是纯磁场源,因此可以认为是一种在最坏条件下,对屏蔽效能的保守计算。

对于磁场源,屏蔽与孔洞到辐射源的距离有关,距离越近,则泄漏越大。这点在设计时一定要注意,磁场辐射源一定要远离孔洞。

多个孔洞的情况:当N个尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距离小于1/2)时,造成的屏蔽效能下降为10 lgN在不同面上的孔洞不会增加泄漏,因为其辐射方向不同,这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强。

 

缝隙电磁泄漏的措施

一般情况下,屏蔽机箱上的不同部分的结合处不可能完全接触,只能在某些点接触上,这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。在实际工程中,常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小,则电磁泄漏越小,屏蔽效能越高。

缝隙处的阻抗:

缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效,因为接触上的点相当一个电阻,没有接触的点相当于一个电容,整个缝隙就是许多电阻和电容的并联。低频时,电阻分量起主要作用;高频时,电容分量起主要作用。由于电容的容抗随着频率升高降低,因此如果缝隙是主要泄漏源,则屏蔽机箱的屏蔽效能优势随着频率的升高而增加。但是,如果缝隙的尺寸较大,高频泄漏也是缝隙泄漏的主要现象。

影响电阻成分的因素:

影响缝隙上电阻成分的因素主要有:接触面积(接触点数)、接触面材料(一般较软的材料接触电阻较小)、接触面的清洁程度、接触面的压力(压力要足以使接触点穿透金属表层氧化层)、氧化腐蚀等。

影响电容成分的因素:

根据电容器原理,很容易知道:两个表面之间距离越近,相对的面积越大,则电容越大。

解决缝隙泄漏的措施:

1   接触面的重合面积,这可以减小电阻、增加电容。

2   使用尽量多的紧固螺钉,这也可以减小电阻、增加电容。

3) 保持接触面清洁,减小接触电阻。

4) 保持接触面较好的平整度,这可以减小电阻、增加电容。

5) 使用电磁密封衬垫,消除缝隙上不接触点。

 

电磁密封衬垫的原理

电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质。将电磁密封衬垫安装在两块金属的结合处,可以将缝隙填充满,从而消除导电不连续点。

使用了电磁密封衬垫后,缝隙中就没有较大的孔洞了,从而可以减小高频电磁波的泄漏。使用电磁密封衬垫的好处如下:

1)降低对加工的要求,允许接触面的平整度较低。

2)减少结合处的紧固螺钉,增加美观性和可维修性。

3)缝隙处不会产生高频泄漏。

虽然在许多场合电磁密封衬垫都能够极大地改善缝隙泄漏,但是如果两块金属之间的接触面是机械加工(例如,铣床加工),并且紧固螺钉的间距小于3厘米,则使用电磁密封后屏蔽效能不会有所改善,因为这种结构的接触阻抗已经很低了。

    从电磁密封衬垫的工作原理可以知道,使用了电磁密封衬垫的缝隙的电磁泄漏主要由衬垫材料的导电性和接触表面的接触电阻决定。因此,使用电磁密封衬垫的关键是:

1)选用导电性好的衬垫材料。

2)保持接触面的清洁

3)对衬垫施加足够的压力(以保证足够小的接触电阻)。

4)衬垫的厚度要足以填充最大的缝隙

电磁密封衬垫的灵活运用

除非对屏蔽的要求非常高的场合,否则并不需要在缝隙处连续使用电磁密封衬垫。在实践中,可以根据屏蔽效能的要求间隔的安装衬垫,每段衬垫之间形成的小孔洞泄漏可以用前面的公式计算。在样机上精心地调整衬垫间隔,使既能满足屏蔽的要求,又使成本最低。对于民用产品,衬垫之间的间隔可以为λ/20~λ/100之间。军用产品则一般要连续安装。

 

电磁密封衬垫的选用

    任何同时具有导电性和弹性的材料都可以作为电磁密封衬垫使用。因此,市场上可以见到很多种类的电磁密封衬垫。这些电磁密封衬垫各有特色,适合于不同的应用场合。设计者要熟悉各种电磁密封衬垫的特点,在设计中灵活选用,达到满足产品性能要求、提高产品可靠性、降低产品成本的目的。选择电磁密封衬垫时需要考虑几个主要因素:屏蔽效能、环境适应性、便于安装性、电器稳定性。

屏蔽效能:根据需要抑制的干扰频谱确定整体屏蔽效能,电磁密封衬垫要满足整体屏蔽的要求 。不同种类的衬垫,在不同频率的屏蔽效能是不同的。

使用环境:电磁密封衬垫之所以有这么多的种类的一个主要原因是要满足不同环境的要求,使用环境对衬垫的性能和寿命有很大的影响。

结构要求:衬垫的主要作用是减小缝隙的泄漏,缝隙的结构设计对衬垫的效果有很大的影响。在进行结构设计时,有以下几个因素要考虑:

· 压缩变形电磁密封衬垫只有受到一定压力时才起作用。在压力作用下,衬垫发生形变,形变量与衬垫上所受的压力成正比。大部分衬垫要形变30~40%才能具有较好的屏蔽效果。

· 压缩永久形变:当衬垫长时间受到压力时,即使压力去掉,它也不能完全恢复原来的形状,这就是压缩永久形变。这种特性当衬垫频繁被压缩、放开时(例如门和活动面板)要特别注意。

电器稳定性:电磁密封衬垫是通过在金属之间提供低阻抗的导电通路来实现屏蔽的目的的。因此,其电器稳定性对于保持屏蔽体的屏蔽效能是十分重要的。

安装成本:电磁密封衬垫的安装方法是决定屏蔽成本的一个主要因素。衬垫的成本包括衬垫本身的成本、安装工时成本、加工成本等。在考虑衬垫成本时,要综合考虑这些因素。

 

常用电磁密封衬垫的比较

金属丝网衬垫:这是一种最常用的电磁密封材料。从结构上分,有全金属丝、空心和橡胶芯等三种。常用的金属丝材料为:蒙乃尔合金、铍铜、镀锡钢丝等。其屏蔽性能为:低频时屏蔽效能较高,高频时屏蔽效能较低。一般用在1GHz以下的场合。

主要优/缺点:价格低,过量压缩时不易损坏/高频时屏蔽效能较低。

导电橡胶:通常用在有环境密封要求的场合。从结构上分,有板材和条材两种,条材又分为空心和实心两种。板材则有不同的厚度。材料为:硅橡胶中掺入铜粉、铝粉、银粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃粉等。其屏蔽性能为:低频时屏蔽效能较低,高频时屏蔽效能较高。

主要优/缺点:同时提供电磁密封和环境密封。较硬,价格高,由于表面较软,有时不能刺透金属表面的氧化层,导致屏蔽效能很低。

指形簧片:通常用在接触面滑动接触的场合。性状繁多,材料为铍铜,但表面可做不同涂覆。屏蔽性能为高频、低频时屏蔽效能都较高。

主要优/缺点:变形量大、屏蔽效能高、允许滑动接触(这便于拆卸)/价格高。

螺旋管衬垫:由铍铜或不锈钢材卷成的螺旋管,屏蔽效能高(所有电磁密封衬垫屏蔽效能最高的)。

主要优/缺点:价格低,屏蔽效能高/受过量压缩时容易损坏。

导电布衬垫:导电布包裹上发泡橡胶芯构成,一般为矩形,带有背胶,安装非常方便。高低频时屏蔽效能都较高。

主要优/缺点:价格低,过量压缩时不容易损坏、柔软、具有一定的环境密封作用/频繁摩擦会损坏导电表层。

 

电磁密封衬垫使用的注意事项

电磁密封衬垫的使用方法对屏蔽体的屏蔽效能影响很大。在使用时,要注意以下几点:

1 所有种类的电磁密封衬垫中,指形簧片允许滑动接触,其他种类的衬垫绝不允许滑动接触否则会造成衬垫的损坏。

2)   有种类的衬垫受到过量压缩都会发生不可恢复地损坏,因此在使用时要设置限压结构,保证一定的压缩量。

3)   除了导电橡胶衬垫以外,当衬垫与屏蔽体机体之间的电器接触良好时,衬垫的屏蔽效能与压缩量没有正向关系,增大压缩量并不能提高屏蔽效能。导电橡胶的屏蔽效能则随着压缩量的增加而增加,这与导电橡胶中的导电颗粒密度加大有关。

4)   使用衬垫接触的金属板要有足够的刚度,否则在衬垫的弹力作用下会发生变形,形成新的不连续点,导致射频泄漏。对于正面压缩结构,适当的紧固螺钉间距可以防止面板变形。

5)   尺寸允许时,尽量使用较厚的衬垫,这样可以允许金属结构件具有更大的加工误差,从而降低了成本。另外,较厚的衬垫一般更柔软些,对金属板的刚性要求较小(从而避免了由于结构件刚性不够导致变形二造成的射频泄漏)。

6)   衬垫材料要安装在不易被损坏的位置。例如,对于大型的屏蔽门,衬垫要安装在门框内,并提供一定的保护;对于可拆卸的面板,最好将衬垫安装在活动面板上,这样拆下面板时,便于存放。

7)   安装衬垫的金属表面一定要清洁、导电,以保证可靠的导电性。

8)   尽量采用槽安装方式,槽的作用是固定衬垫和限制过量压缩。使用槽安装方式时,屏蔽提的两个部分之间接触不仅通过衬垫实现完全接触,而且还有金属之间的直接接触,因此,具有最高的屏蔽效能。

9)   安装槽的形状有直槽和燕尾槽两种,直槽加工简单,但衬垫容易掉出。燕尾槽没有这个问题。槽的高度一般为衬垫高度的75%左右(具体尺寸参考衬垫厂家要求的压缩量),宽度要保证有足够的空间允许衬垫受到压缩时的伸展。衬垫安装在直槽内时,衬垫需要固定。一般设计资料上建议用导电胶粘接,但这样有两个缺点:一是会增加成本,另一个是导电胶会发生老化而导致屏蔽性能下降。这里建议用非导电胶,在紧固螺钉穿过的地方滴一小滴。这样,粘胶的地方虽然不导电,但是金属螺钉起到了导电接触地作用,并且屏蔽效能比较稳定。

10) 滑动接触时的方向,只有指形簧片才允许滑动接触。安装簧片时,要注意簧片的方向,使滑动所施加的压缩力能够使簧片自由伸展。一般情况下,簧片可以靠背胶粘接,但要注意固化时间(参考簧片厂家说明)。较恶劣的环境下(温度过高或过低,机械力过大等),可用卡装结构。

11)根据屏蔽体基体材料选择适当的衬垫材料,使接触面达到电化学兼容状态,有关设计可以参考后面给出的资料。如果空间允许,在安装衬, 垫的缝隙处同时使用环境密封衬垫,并且使环境密封衬垫面对外部环境,防止电解液进入到导电衬垫与屏蔽体接触的结合面上。

12) 螺钉的位置,一般情况下,螺钉安装在沉淀内侧或外侧并不是十分重要,但是在屏蔽要求很高的场合,螺钉要安装在衬垫的外侧,为防止螺钉穿透屏蔽箱,造成额外的泄漏。

 

电磁密封衬垫的电化学腐蚀问题

电化学腐蚀问题是设计屏蔽机箱必须考虑的问题之一。电化学腐蚀发生在不同种类金属的接触面上。因此,在电磁密封衬垫与屏蔽体基体接触的表面上容易发生电化学腐蚀。发生在衬垫与屏蔽体基体之间的电化学腐蚀会造成下面两个后果:

1)   降低屏蔽效能,电化学腐蚀的结果是降低了接触面的导电性,甚至导致接触面完全断开,这会造成机箱的屏蔽效能降低。

2)   互调效应,又称锈螺钉效应。这是因为电化学反应产生的化合物是非线性的半导体物质,这会产生信号混频。结果是产生了新的干扰频率。

    防止电化学腐蚀的方法:速度与环境因素关系很大,在湿热、盐雾环境中腐蚀发展很快,而在干燥环境中,腐蚀发展很慢。

 

与衬垫性能相关的其它环境问题

1)潮湿环境:潮湿会加速接触面的电化学腐蚀。造成这种后果的原因是,在潮湿环境中,会生长霉菌,霉菌会放出酸性物质,从而导致电化学腐蚀。对于军用设备,霉菌试验是验证这个问题的试验方法。

2)振动环境:车载设备或运输中的设备所承受的振动是造成衬垫结合处腐蚀的主要原因之一。这是因为振动导致衬垫与屏蔽体之间的摩擦,产生了细小金属粉粒,这种金属粉粒即使在较好的环境中也容易腐蚀。振动造成的腐蚀是车载设备屏蔽失效的主要原因。

 

截止波导管的概念与应用

金属管对于电磁波,具有高频容易通过、低频衰减较大的特性。这与电路中的高通滤波器十分相象。与滤波器类似,波导管的频率特性也可以用截止频率来描述,低于截止频率的电磁波不能通过波导管,高于截止频率的电磁波可以通过波导管。

利用这个特性,可以达到屏蔽电磁波,同时实现一定实体连通的目的。方法是,将波导管的截止频率设计成远高于要屏蔽的电磁波的频率,使要屏蔽的电磁波在通过波导管时产生很大的衰减。由于这种应用中主要是利用波导管的频率截止区,因此成为截止波导管。截止波导管的概念是屏蔽结构设计中的基本概念之一。常用的波导管有圆形、矩形、六角形等,它们的截止频率如下:

矩形波导管的截止频率:fc=15×109 /l式中:l是矩形波导管的开口最大尺寸,单位是cmfc 的单位是Hz

圆形波导管的截止频率:fc=17.6×109 /d式中:d是圆形波导管的内直径,单位是cmfc 的单位是Hz

六角形波导管的截止频率:fc=15×109 /w式中:w是六角形波导管的开口最大尺寸,单位是cmfc 的单位是Hz

截止波导管的吸收损耗:落在波导管频率截止区内的电磁波穿过波导管时,会发生衰减,这种衰减称为截止波导管的吸收损耗,截止波导管的吸收损耗计算公式如下

A=1.8×fc×t×10-91-f /fc21/2          dB

式中:t是截止波导管的长度,单位是cmf 是所关心信号的频率(Hz),fc是截止波导管截止频率(Hz)。如果所关心的频率f远低于截止波导管截止频率(ffc/5),则公式化简为:A=1.8×fc×l×10-9  dB

圆形截止波导管:                   A=32t/d    dB

矩形(六角形)截止波导管:         A=27t/l    dB

从公式中可以看出,当干扰的频率远低于波导管的截止频率使,若波导管的长度增加一个截面最大尺寸,则损耗增加将近30分贝。

截止波导管的总屏蔽效能:截止波导管的屏蔽效能由吸收损耗部分加上前面所讨论的孔洞的屏蔽效能不能满足屏蔽要求时,就可以考虑使用截止波导管,利用截止波导管的深度提供的额外的损耗增加屏蔽效能。

 

 截止波导管的注意事项与设计步骤

1)绝对不能使导体穿过截止波导管,否则会造成严重的电磁泄漏,这是一个常见的错误。

2)一定要确保波导管相对于要屏蔽的频率处于截止状态,并且截止频率要远高于(5倍以上)需要屏蔽的频率。设计截止波导管的步骤如下所示:

A) 确定需要屏蔽的最高频率Fmax和屏蔽效能SE

B) 确定截止波导管的截止频率Fc,使fc5Fmax

C) 根据Fc,利用计算Fc的方程计算波导管的截面尺寸d

D) 根据dSE,利用波导管吸收损耗公式计算波导管长度t

  明:

在屏蔽体上,不同部分的结合处形成的缝隙会导致电磁泄漏。因此,在结构设计中,可以通过增加不同部分的重叠宽度来形成一系列“截止波导”,减小缝隙的电磁泄露。这时,截止波导的截面最大尺寸可以用螺钉之间的间距,截止波导的长度用重叠的宽度,截止波导的截止频率由螺钉之间的间距计算确定。当间距较大时,波导管的截止频率较低,可能对大部分干扰起不到衰减的作用。

 

面板上的显示器件的处理

1)很小的显示器件:如果显示器件的尺寸很小,可以采取直接在面板上开小孔的方法,将显示器件安装在机箱内,小孔下方。只要在面板上开的孔很小(小于3mm),一般不会造成严重的电磁泄漏。但从孔洞的泄漏原理可以知道,辐射源距离孔洞很近时,孔洞的泄漏是相当严重的。因此,由于显示器件距离小孔很近,也有可能产生泄漏。这时,可以在小孔上栽一支截止波导管,用一个导光柱。如果由于美观或其他因素,不能使用这种方法,可以采用将显示器件与电路隔离开,对电路采取完善的屏蔽,而将显示器件暴露出来。许多机箱采取这种方法,将显示器件安装在一块装饰用的塑料面板上。

2)较大的显示器件:需要较大的窗口来显示,这时可以有两种方法。一种方法是在显示窗处使用透明屏蔽材料,另一种方法类似于上面图示方法,用隔离仓将显示器件与其它电路隔离开,使内部电路辐射的能量不会传出机箱,外部的干扰不会侵入到内部电路。

透明屏蔽材料:

  有两种,一种是金属网夹在两层玻璃之间构成的,另一种是在玻璃上或透明塑料膜上镀上一层很薄的导电层构成的。前一种材料的优点是屏蔽效能高,缺点是由于莫尔条纹造成的视觉不适。后一种材料正好相反。

透明屏蔽窗方法的特点:

优点:简单,显示器件会产生辐射或对外界干扰敏感时可以使用。

缺点:视觉效果差,当设备内部有磁场辐射源或磁场敏感电路时不适合;(透明屏蔽材料对磁场屏蔽效能很低甚至没有),当窗口较大时,成本较高。

隔离仓方法的特点:

优点:显示器件的视觉效果几乎不受影响,不会破坏机箱对磁场的屏蔽效能。

缺点:如果显示器本身产生电磁辐射或对外界干扰敏感,这种方法不适合;显示器件需要高频工作电流时电磁时不适合。如果显示器件会产生辐射,并且机箱内有磁场辐射源,可以将两个方法结合起来。

透明屏蔽材料安装注意事项:

首先,透明屏蔽材料与屏蔽机体之间必须实现良好搭接,减小缝隙的泄漏。使用导电涂覆层屏蔽材料时,导电层不能暴露在外面,防止擦伤。使用金属丝网夹层的屏蔽材料时,如果出现条纹导致视觉不适,可以将金属网旋转一定角度(10~30º),会有所改善。

隔离仓安装注意事项:

隔离仓与屏蔽机体之间必须使用性能良好电磁密封衬垫,所有导线经过馈通滤波器穿出。

 

面板上的操作器件的处理

操作器件的特点就是必须暴露给操作员,如果直接将操作器件安装在面板上不会构成金属物体穿过屏蔽体的情况,并且需要开的口子很小,则可以直接将操作器件安装在面板上。这与较小的显示器件的情况是相同的。如果操作器件直接安装在面板上造成了泄漏,就需要采取隔离仓的方法,这与较大的显示器件的处理方法相同。 

面板上的键盘一般采取隔离的方法,这样可以保持键盘的美观、手感。但是,穿过面板的键盘信号线上的滤波器要选择适当。当滤波器的截止频率过低时,会造成按键误码和连键的现象。这是可以通过调整滤波器的截止频率或键盘软件来解决。

 

通风口的处理

如前所述,孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关,因此在屏蔽机箱的通风孔设计上,往往采用与一个大孔相同开口面积的多个小孔构成的孔阵代替一个大孔。这样做的好处是:  

1)提高孔的截止频率,提高单个孔的屏蔽效能;

2)增加辐射源到孔的相对距离(与孔的尺寸相比),减小孔的泄漏(孔的泄漏与辐射源到孔的距离有关);

3)如果穿孔板有一定的厚度,可以增加截止波导的衰减作用。

当屏蔽体的屏蔽效能要求不高,并且对通风量的要求不高时,可以采用穿孔金属板,穿孔金属板的优点是成本低。但屏蔽效能与通风量之间的矛盾突出。

如果对屏蔽效能和通风量的要求都较高可以使用截止波导通风板。这种通风板由许多六角形截止波导管构成,由于截止波导管的屏蔽效能较高,,并且每个波导管的壁厚很薄,因此这种通风板兼有良好的通风特性和电磁屏蔽特性。使用截止波导板时,同样要注意与机箱机体之间的搭接,一般是用焊接或电磁密封衬垫连接。

 

线路板的局部屏蔽

对线路板上的强辐射电路或高度敏感电路需要采取局部屏蔽。线路板上局部的屏蔽方法是:利用线路上的一层表面的铜箔作屏蔽盒的一个面,在这个面上安装一个五面体的金属盒,五面体金属盒以很密(1厘米以下)的间隔与作为另一个面的铜箔连接起来,构成一个完整的六面体的金属盒。

线路板局部屏蔽能否成功的一个关键因素是,屏蔽界面的选择是否合理。因为所有穿过屏蔽体的导线都需要滤波,因此选择屏蔽界面的主要原则有两个:

1) 穿过屏蔽界面的导线数量最少

2)所有穿过屏蔽界面的导线可以采取有效的滤波。

线路板上的导线滤波可以采取贴片电容,安装在导线穿过屏蔽体的界面上,如果为了防止屏蔽盒内的干扰出来,滤波电容安装在内侧,如果为了防止外界干扰进到盒子里面,滤波电容安装在盒子外侧。

三端贴片电容是最适合这种应用的器件。三端贴片电容的原理类似于穿心电容。但是由于与地板之间不是360度连接,因此高频效果不如穿心电容。

 

屏蔽胶带的作用和使用方法

    屏蔽胶带是在铜箔、铝箔、或导电布覆上导电胶构成的胶带,他的作用是将两块不同的金属部件导电连通起来 其工作原理是通过导电胶带中的金属颗粒与构成胶带的金属材料连接起来,从而构成了一个完整地导电体。

由于金属颗粒在正常情况下是埋在压敏胶中的,因此导电胶是不导电的。使用时,要用力碾压,使金属颗粒穿过胶层,才能与金属部件导电接触。这是使用时必须注意的。另外,在验证一种导电胶带质量好坏时,也不能直接测量导电胶的导电性,而要用导电胶带将两块金属连接起来,然后测量两块金属之间的导电性,电阻越小越好。

屏蔽胶带用于屏蔽体孔缝泄漏补救,屏蔽电缆屏蔽层的端接等场合。

 

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