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1、截止波導(dǎo)在電磁屏蔽中的應(yīng)用摘 要:電磁屏蔽效能取決于屏蔽體薄弱環(huán)節(jié),只有屏蔽體的各個(gè)組成部分都能達(dá)到屏蔽效能要求,才能滿足屏蔽體的整體屏蔽要求。在工程實(shí)踐中,由于功能要求,電子設(shè)備的屏蔽體會(huì)留有各種各樣的孔洞或縫隙,如通風(fēng)散熱孔等,解決這些問題最有效的方法就是截止波導(dǎo)。關(guān)鍵詞:電磁屏蔽 截止波導(dǎo) 屏蔽效能 1 引言隨著電子設(shè)備及系統(tǒng)向輕量、小體積、大功率密度、高頻、高效率等方面發(fā)展,電磁兼容性問題日益突出,電子設(shè)備及系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力成為重要考核指標(biāo)。電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一,而屏蔽體上孔縫的處理又是電磁屏蔽的重中之重,因而,截止波導(dǎo)在電子設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。本文主
2、要討論截止波導(dǎo)的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及工程應(yīng)用,尋求一種解決電磁屏蔽問題切實(shí)有效的方法。2 工作原理截止波導(dǎo)是一種具有高通濾波器的特性的管狀金屬結(jié)構(gòu)。其允許截止頻率以上的信號(hào)通過,而截止頻率以下的信號(hào)則被阻止或衰減。利用這個(gè)特性,根據(jù)電磁干擾信號(hào)的頻率,設(shè)計(jì)截止波導(dǎo),使電磁干擾信號(hào)的頻率在截止波導(dǎo)的截止區(qū)內(nèi)(如圖1所示),對(duì)電磁干擾信號(hào)產(chǎn)生很大的衰減,從而達(dá)到電磁屏蔽的作用。因?yàn)榧w效應(yīng),截止波導(dǎo)的管狀金屬結(jié)構(gòu)壁厚可以很小,總開孔面積相應(yīng)增加。因此,截止波導(dǎo)既滿足通風(fēng)散熱要求,又能滿足電磁屏蔽性能要求,是解決通風(fēng)散熱和屏蔽矛盾的優(yōu)先選擇。圖13 設(shè)計(jì)計(jì)算 截止波導(dǎo)的截面有圓形、正方形、六角形和矩
3、形等。3.1截止頻率計(jì)算3.1.1圓形波導(dǎo)的截止頻率f0=17.6x109/D (1)式中:f0-截止頻率(Hz);D-圓形截面的直徑(cm)。3.1.2六角形波導(dǎo)的截止頻率f0=15x109/W (2)式中:f0-截止頻率(Hz);W-六角形截面外接圓直徑(cm)。3.1.3矩形波導(dǎo)的截止頻率f0=15x109/L (3)式中:f0-截止頻率(Hz);L-矩形截面對(duì)角線長(zhǎng)度 (cm)。3.2截止波導(dǎo)的屏蔽效能截止波導(dǎo)屏蔽效能(SE)主要為截止波導(dǎo)的吸收損耗(A)與孔洞的反射損耗(R)之和。SE = ARBK1K2+K3 (4)式中:A 孔的吸收損耗 (dB)R 孔的反射損耗 (dB)B 孔的
4、多次反射損耗 (dB)K1 孔數(shù)目修正系數(shù) K2 低頻穿透修正系數(shù) K3 孔間耦合修正系數(shù) A=1.823xf0xTx10-91-(f/f0)21/2 (dB) (5)式中: f0-截止頻率(Hz);f-電磁干擾信號(hào)的頻率(Hz);T-截止波導(dǎo)的長(zhǎng)度(cm)。當(dāng)ff0時(shí),截止波導(dǎo)的吸收損耗A可進(jìn)行以下簡(jiǎn)化計(jì)算:圓形波導(dǎo):A32T/D (6)六角形波導(dǎo):A27.3T/W (7)矩形波導(dǎo):A27.3T/L (8)進(jìn)行截止波導(dǎo)設(shè)計(jì)和選用時(shí),一般要求:T3D、T3W、T3L;f0=(510) f3.3設(shè)計(jì)流程截止波導(dǎo)設(shè)計(jì)流程主要是公式(1)(8)的應(yīng)用,通用截止波導(dǎo)類產(chǎn)品選用可參考使用。3.3.1確定
5、需要屏蔽的電磁干擾信號(hào)的最高頻率f電磁干擾信號(hào)的最高頻率可以在設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)條件中約束,也可以通過實(shí)際測(cè)試獲得。3.3.2確定孔縫泄漏是否滿足屏蔽要求截止波導(dǎo)在成本上高于普通屏蔽措施,在高頻、高功率密度的電子設(shè)備或系統(tǒng)中,當(dāng)采用一般屏蔽措施不能滿足屏蔽性能要求或影響某些功能,如通風(fēng)散熱等,可采用截止波導(dǎo)?;蛟诤教?、軍工等領(lǐng)域,對(duì)電磁屏蔽要求極高的場(chǎng)合。根據(jù)屏蔽要求,確定截止波導(dǎo)應(yīng)滿足的屏蔽效能。3.3.3確定截止波導(dǎo)的截面形狀截止波導(dǎo)的截面形狀應(yīng)根據(jù)機(jī)械加工能力、模具確定。在滿足屏蔽性能和電子設(shè)備的功能要求前提下,應(yīng)簡(jiǎn)單、加工制造工藝性良好,并適合批量生產(chǎn)。3.3.4確定波導(dǎo)的截止頻率f0波
6、導(dǎo)的截止頻率應(yīng)根據(jù)電磁干擾信號(hào)的最高頻率來確定,應(yīng)滿足:ff0,一般取f0=(510) f。3.3.5計(jì)算截止波導(dǎo)的截面尺寸根據(jù)3.3.3確定的截面形狀,利用公式(1)(3)推導(dǎo)截止波導(dǎo)的截面尺寸(D、W或L)。3.3.6確定截止波導(dǎo)的長(zhǎng)度T根據(jù)截止波導(dǎo)應(yīng)滿足的屏蔽效能(A)要求,利用公式(5)(8)計(jì)算截止波導(dǎo)的長(zhǎng)度T。當(dāng)ff0時(shí),可利用公式(6)(8)進(jìn)行估算。 一般T3D、T3W、T3L,根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)3.3.5計(jì)算的截止波導(dǎo)的截面尺寸進(jìn)行校核,選擇合適的T/D、T/W或T/L值。4截止波導(dǎo)的工程應(yīng)用4.1截止波導(dǎo)產(chǎn)品簡(jiǎn)介4.1.1蜂窩形通風(fēng)板在屏蔽設(shè)計(jì)中,蜂窩形通風(fēng)板(簡(jiǎn)稱蜂窩板)是
7、使用較為廣泛的截止波導(dǎo)之一。蜂窩板是將大量的截止波導(dǎo)通過焊接(釬焊)方式組合在一起,形成截止波導(dǎo)陣列(如圖2所示)。截止波導(dǎo)陣列的每一個(gè)六邊形單元都是一個(gè)截止波導(dǎo),用于提高屏蔽效能。蜂窩板主要用于通風(fēng)散熱和電磁屏蔽要求較高的場(chǎng)合。圖24.1.2多孔金屬板多孔金屬板(如圖3所示)是在金屬屏蔽板上用許多小孔代替大直徑的孔,以提高金屬屏蔽板的屏蔽效能。多孔金屬板具有屏蔽性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),主要用于通風(fēng)散熱和電磁屏蔽要求不高的場(chǎng)合。也可以通過增加金屬板厚度,提高多孔金屬板的電磁屏蔽效能。圖34.2截止波導(dǎo)工程應(yīng)用注意事項(xiàng)4.2.1截止波導(dǎo)對(duì)于頻率在截止頻率以上的電磁干擾信號(hào)沒有任何
8、衰減作用。因此,波導(dǎo)的截止頻率至少是所屏蔽電磁干擾信號(hào)頻率的5倍以上。4.2.2截止波導(dǎo)管內(nèi)不應(yīng)有任何金屬材料穿過,如電纜、金屬鎧裝光纜等,否則導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁泄漏。4.2.3截止波導(dǎo)的安裝法蘭面與屏蔽體結(jié)合面應(yīng)360º導(dǎo)電連接。4.2.4組成蜂窩板的每個(gè)截止波導(dǎo)間必須是可靠導(dǎo)電連接,并且不允許有縫隙。必要時(shí),可采用金屬涂(鍍)層以保證每個(gè)蜂窩周邊形成連續(xù)導(dǎo)電層。避免因縫隙造成蜂窩板屏蔽性能下降。4.3工程應(yīng)用某高頻開關(guān)電源,前面板通風(fēng)孔為5X30(mm)長(zhǎng)圓孔陣列組合(如圖4所示)。按GJB152A實(shí)驗(yàn)方法、GJB151A陸軍地面要求進(jìn)行EMC試驗(yàn),RE102超標(biāo)(如圖5所示);RS103試驗(yàn)時(shí),故障燈亮,負(fù)載燈忽高忽低閃爍。 圖4 圖5整改時(shí),前面板通風(fēng)孔采用5X5(mm)波導(dǎo)窗(如圖6所示),RE102通過,工作正常,輸出穩(wěn)定(如圖7所示)。 圖6 圖75 總結(jié)對(duì)可靠性、電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性要求較高的電子設(shè)備及系統(tǒng),特別是在航天、軍工等領(lǐng)域,截止波導(dǎo)在解決屏蔽體薄弱環(huán)節(jié)的屏蔽問題上具有良好的性價(jià)比。屏蔽失效往往出在細(xì)節(jié)上,在截止波導(dǎo)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的過程中,應(yīng)從原理上了解,通過計(jì)算求證,利用試驗(yàn)驗(yàn)證,并在工程應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn),確保電子設(shè)備及系統(tǒng)功能要求和電磁兼容要求。參考文獻(xiàn)1. 高攸鋼,屏蔽與接地,北京郵電大學(xué)出版社,200
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