機(jī)柜通風(fēng)孔的電磁屏蔽設(shè)計

1、機(jī)柜通風(fēng)孔的電磁屏蔽設(shè)計1 、 EMC 定義各權(quán)威機(jī)構(gòu)或?qū)＜覍﹄姶偶嫒荻加凶约旱囊娊猓?互相略有不同。 通俗的說電磁兼容 （ EMC ） 是設(shè)備或分系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電 磁騷擾的能力。解決電磁兼容應(yīng)該站在系統(tǒng)的角度， 全面地看待問題。 電磁兼容涉及電路設(shè)計、 PCB 布線、 電纜設(shè)計、系統(tǒng)布局 、結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面問題，甚至與軟件設(shè)計都有關(guān)系。2 、解決 EMC 問題的手段當(dāng)設(shè)備中“電磁干擾源耦合路徑敏感部件”三要素同時存在時，才會出現(xiàn) EMI 問題。EMC 設(shè)計就是針對三要素中的一個或幾個，采取某些技術(shù)措施，限制或消除其影響，從而 得到兼容性好、

2、成本和重量可接受的設(shè)計。從理論上講，單板是所有 EMI 問題的源頭，即“電磁干擾源”，是 EMC 設(shè)計的重中之重。 應(yīng)該花費 90%的精力放在單板設(shè)計上面。結(jié)構(gòu)和電纜屏蔽設(shè)計是解決“耦合路徑”的有效辦法，也是解決RE （目前最棘手的問題）的有效手段， 但是一般不要提出太高的要求。 由于結(jié)構(gòu)屏蔽的工藝穩(wěn)定性差、 加工安裝影響 十分大，其一致性差，設(shè)計時應(yīng)該留較大的安全余量。結(jié)構(gòu)的屏蔽是以成本為代價的，要求越高，成本會急劇增加。結(jié)構(gòu)屏蔽是實現(xiàn)產(chǎn)品電磁兼容的重要手段，完整的結(jié)構(gòu)屏蔽體要達(dá)到90dB 的屏蔽效能是毫不困難的。屏蔽體由于散熱、 部件安裝、縫隙等問題降低了屏蔽效能。開孔時必須考慮到 屏蔽輻

3、射干擾的因素。電纜設(shè)計主要是線纜布局以及是否采用屏蔽電纜。單板的 EMC 設(shè)計、電纜設(shè)計這里不予討論，主要論述結(jié)構(gòu)的屏蔽問題。3 、 結(jié)構(gòu)對 EMC 的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計與產(chǎn)品 EMC 指標(biāo)相關(guān)的主要有：輻射發(fā)射（RE），輻射敏感度（RS） 屏蔽、接地工頻磁場敏感度（ MS） 磁屏蔽靜電放電（ ESD）接地傳導(dǎo)發(fā)射（CE），傳導(dǎo)敏感度（CS）濾波器的接地結(jié)構(gòu)設(shè)計影響最大的指標(biāo)是輻射發(fā)射（ RE） ，靜電放電（ ESD） ，一般不考慮快速瞬態(tài)脈 沖串（EFT）、浪涌（SURGE）、電壓跌落與中斷（DIPS）三個指標(biāo)。4 、結(jié)構(gòu)屏蔽的基礎(chǔ)理論 按欲屏蔽的電磁場性質(zhì)分類，通常分為三大類：電場屏蔽、磁場屏蔽

4、及電磁場屏蔽。 電場屏蔽的基本原理是利用金屬屏蔽體的電場屏蔽作用， 其必須滿足完善的屏蔽和良好接地 兩個條件才能完成電場屏蔽。磁場屏蔽的基本原理是利用高磁導(dǎo)率金屬屏蔽體進(jìn)行磁場屏蔽。電磁場屏蔽的原理主要是基于電磁波穿過金屬屏蔽體產(chǎn)生波反射和波吸收的機(jī)理。反射主要取決于波阻抗與金屬的阻抗之比。 比值越大， 反射越大。 因此：對于高阻場 （電場） 主要是反射，低阻場（磁場）幾乎沒有反射。這就是低頻磁場屏蔽十分困難的原因。在高頻 段，為平面波，其波阻抗固定為 377 歐姆。電磁波在金屬材料中傳輸會發(fā)身衰減，衰減程度取決于材料的導(dǎo)磁率、導(dǎo)電率。對于電場， 導(dǎo)電率高的材料衰減大； 對于磁場， 導(dǎo)磁率高的

5、材料衰減大。 顯然， 材料越厚， 衰減程度大， 屏蔽效果好。5 、縫隙與開孔對電磁屏蔽的影響5. 1 縫隙對屏蔽的影響當(dāng)屏蔽體存在縫隙時，對反射和衰減的影響較大。反射：當(dāng)縫隙最大尺寸大于 入/4寸，幾乎沒有屏蔽效果；小于 入/20寸有基本的屏蔽效果， 小于入/100寸有理想的屏蔽效果。當(dāng)縫隙的深度較大時，由于多次反射的累計效果，可以大 大提高縫隙的屏蔽效果，這就是波導(dǎo)通風(fēng)板的原理。衰減：縫隙對電磁波衰減的影響見下圖所示，可見由于縫隙的存在減弱了衰減作用。Ei存在縫隠圖1如圖2所示，設(shè)在金屬屏蔽體中有一無限長縫隙，其間隙為g,屏蔽體厚度為t，入射電磁波的磁場強(qiáng)度為 H 0，泄漏到屏蔽體中的磁場強(qiáng)

6、度為 H p，當(dāng)趨膚深度§ >0.3g有H p =H 0 -?t/g公式表明：t越大，g越小，泄漏越小。當(dāng)縫隙的直線尺寸接近波長時，屏蔽體本身可能成為輻射體單個縫隙的屏效近似計算(平面波)SE = 20 lg (1+N)2/4N + 27.3t/g式中： N = j 6.69 f g X 10-5 f : 頻率 (MHz)g: 縫隙的長度 (cm) t : 縫隙深度 (cm)實際應(yīng)用中困難在于縫隙的長度 g 如何取值，應(yīng)該根據(jù)緊固點的距離、零件的剛性以及結(jié)合面的表面特性決定最終取值。 從經(jīng)濟(jì)性和可操作性的角度考慮， 緊固點距離取以下經(jīng)驗值： 對于型材、壓鑄件之間的配合，取 15

7、0 - 200，甚至更大； 對于鈑金件之間，特別是單層板直接連接，例如右圖，取20-50。具體取值還需考慮縫隙的深度以及基材的剛性和表面狀態(tài)等因素。例如，當(dāng)折彎次數(shù)多時， 由于零件的剛性好，可以取大值；如果僅僅是單層鋼板(或鋁板)直接壓緊，由于剛性差， 應(yīng)該取小值。舉例：兩個1.5mm鋼板，折彎10mm,螺釘間距25mm,屏效大約為1GHz : 35dB。從工程實際的角度看片面要求緊固點多是不實際的，再者一般要求縫隙的最大尺寸為mm級,單單要求緊固點多也是沒有意義。為了提高縫隙的屏效,可采取的措施有：提高零件的剛性、表面精度等增加縫隙的深度在縫隙中安裝屏蔽材料5. 2 開孔對屏蔽的影響由于散熱

8、、安裝按鈕、開關(guān)等原因,需要在屏蔽體上開圓形、正方形或矩形的孔洞,如圖3所示，這時應(yīng)注意孔的方向， 以保證渦流能在材料中的均勻分布。顯然(d)效果較好，(b)和(c)不能達(dá)到屏蔽要求，有可能成為狹縫天線。設(shè)孔面積為S,屏蔽體面積為 A，當(dāng)滿足A>>S,圓孔的直徑或方孔的邊長比波長小的多時，有H p = 4 ( S/A) 3/2 H 0若有n個孔構(gòu)成陣列孔，則：H p = 4n (S/A ) 3/2 H 0生電施統(tǒng)書Ml伏）圖3在實際使用中，陣列孔的屏效工程計算公式如下：SE = Aa + Ra + Ba + K1 + K2 + K3Aa:孔的傳輸衰減Ra：孔的單次反射損耗Ba：多次

9、放射修正K1 ：孔個數(shù)有關(guān)的修正項K2 :趨膚深度不同引起的低頻修正項K3 :相鄰孔耦合的修正項該計算公式經(jīng)過美國軍方某實驗室反復(fù)測試驗證過，是比較實用的計算公式。舉例：鋼板，孔徑 3.2,間距4.5,板厚1.2,數(shù)量900個，屏效30MHz:50dB，1GHz: 35dB5. 3提高開孔的屏蔽效能的措施對于陣列孔，影響因素最大的是孔的深度，其次是孔的最大尺寸。當(dāng)散熱與屏蔽存在矛盾時， 比較理想的方式是增加孔的深度，同時增加孔的最大尺寸，或者減小孔的最大尺寸， 同時減小孔間距（增加孔的數(shù)量）。工程實際中，陣列孔的屏蔽效能最高為 30dB/1GHz 。如果需要更高等級，或者屏蔽和散熱 矛盾十分突

10、出， 可以考慮采用波導(dǎo)通風(fēng)板。 波導(dǎo)通風(fēng)板的屏蔽效能可以十分高 （一般至少可 以達(dá)到 60dB/1GHz ），孔隙率大（高于 90%），是一種理想的通風(fēng)方式。但必須注意其昂 貴的價格，還有目前應(yīng)用還不成熟，除非特殊情況，一般不建議使用。通風(fēng)孔的屏蔽效能穩(wěn)定性、一致性十分好，設(shè)計時基本上不必考慮安全余量問題。5. 4 屏蔽開孔部件的選用為了減少輻射，一般情況下對開孔可以進(jìn)行屏蔽。屏蔽材料大致分為 5 類：1. 金屬絲網(wǎng) 金屬絲網(wǎng)是通過對金屬薄板切縫，再整體拉伸而制成的。 金屬絲網(wǎng)通風(fēng)量大，成本低， 是目 前通風(fēng)孔屏蔽（民用）主要采用的一種方法。 但這種材料的最大缺點是高頻性能較差， 尤其 對高于

11、 500MHz 以上的電磁波幾乎不起屏蔽作用，因此已不能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的屏蔽要 求。2. 打孔金屬板打孔金屬板是在金屬板上采用數(shù)控鉆床（沖床）打出通風(fēng)孔陣而制成的，是目前各類設(shè)備， 尤其是民用設(shè)備應(yīng)用最多的一種通風(fēng)屏蔽形式， 所具有的優(yōu)點與金屬絲網(wǎng)相同。 這種材料的 缺點仍然是高頻性能較差，其屏蔽效能隨頻率的增加而以20dB/10倍頻程下降。（例如3孔陣的打孔金屬板在 1GHz時，屏蔽效能只有 20dB左右），從而大大限制了打孔金屬板的 使用范圍。3. 波導(dǎo)通風(fēng)窗鋁制波導(dǎo)通風(fēng)窗：鋁制波導(dǎo)通風(fēng)窗是采用普通鋁箔經(jīng)涂膠粘接、拉伸成型、固化、 與外框連接、導(dǎo)電處理等工藝過程而制成的。具有通風(fēng)量大、重量輕、高頻性能好的突出優(yōu)點，是目 前各類電子設(shè)備， 尤其是軍用電子設(shè)備應(yīng)用最多的屏蔽通風(fēng)部件。 其不足是通風(fēng)窗由鋁材制 成，因而其低頻磁屏蔽效能較差。鋼制波導(dǎo)通風(fēng)窗：鋼制通風(fēng)波導(dǎo)窗是采用碳鋼帶經(jīng)沖壓成型、 拼接、真空釬焊而制成的。與 鋁制通風(fēng)波導(dǎo)窗相比， 其最突出的優(yōu)點是低頻磁屏蔽效能較高， 整體剛性好， 特別適用