电磁干扰的屏蔽技术研究*

宋凯平 彭德强 王一飞 徐宗航 陈中青

(中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心 扬州 225001)

电磁干扰的屏蔽技术研究*

宋凯平 彭德强 王一飞 徐宗航 陈中青

(中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心 扬州 225001)

简单描述电磁干扰源、电磁干扰的传播途径和敏感接收器三要素,研究适当的屏蔽技术、相应的工艺及抑制电磁干扰的有效手段。

电磁干扰; 屏蔽技术

Class Number TN03

1 引言

电磁干扰源、电磁干扰的传播途径和敏感接收器构成了电磁兼容各个领域都要涉及的课题。屏蔽室利用具有低阻抗和磁性(μr)金属材料,将电磁干扰源全部地包裹起来,是抑制电磁干扰源的有效措施。全部包裹起来,在具体的设计中会遇到种种问题:各类电源线、信号线、控制线和网络线的进出,环境适应性设计与电磁兼容性设计的统筹、设计、制造、工艺、管理与实施,都给电磁干扰屏蔽造成误差[1]。

2 与屏蔽相关的微波概述

1) 电磁屏蔽原理:使用有屏蔽壳体的传输线时,当辐射场通过金属壳体,电磁干扰能量由于趋肤效应会产生导体损耗,同时壳体内的反射还会产生介质损耗。在微波传输线(平行双导线、带状线、同轴线)中,电磁波传输的主模为横电磁波(TEM

波),这种传输线的特性阻抗Z0和传输参数r:

(1)

α=αc+αd

屏蔽体应参考同轴线内外导体间的尺寸与特性阻抗的公式来进行设计。

(2)

图1 同轴电缆的内外径尺寸

图中,a为屏蔽壳体虚拟的内导体外径,b为屏蔽壳体的外导体内径。

在同轴线中导体铜损耗引起的衰减为

2) 平行耦合带状线的电力线分布图

这里介绍平行耦合带状线的电力线分布图,帮助理解在屏蔽壳体内电磁干扰源的电磁场分布。

图2 微波带状线电力线分布

上面提到了传导损耗中的介质损耗αd,它与线的结构形式无关,而与支撑传输线的介质的相对介电常数相关:

当μr=1时,tanδ=0.0001～0.05

如果介质是空气,εr≈1。

3) 波导中的小孔耦合

波导壁上开的小孔,小孔上电场的激励所产生的电偶极子与小孔上磁场的激励所产生的磁偶极子,在小孔内畸变场导致了再辐射的电磁场。依据麦克斯韦方程组中的安培定律公式:

(3)

4) 传输线谐振器

图3 天线振子谐振

在微波技术中常用一段开路传输线或短路传输线作为谐振器,把谐振器作为天线。经过专业的设计才能制作方向性天线。天线上的电流分布图如图4所示。

传输线的长度集中参数R、L、ω响应电路

图4 传输线谐振器的等效电路

3 理想的屏蔽体

表1 金属材料相对电导率和相对磁导率[8]

均匀屏蔽理论是把金属板屏蔽体看成为无洞、无孔、无缝隙、接地又是无限大的均匀的平面,其屏蔽效能由屏蔽材料所决定。横电磁波垂直投射无限大的金属屏蔽板,其厚为t,此板的屏蔽效能为

=A1+A2+A3

(4)

4 实际应用的屏蔽体

屏蔽体一般都采用在仪器仪表、系统控制、计算机外壳,其目的是为抑制干扰源的辐射扩散,达到在局部空间内的各类电气电子设备与环境相适应的电磁兼容性,各种电气电子设备的骚扰源降至容许的范围以下,抑制干扰能力在敏感阈值之上。各类电气电子设备的壳体的应用都要实现自身的功能和任务。在有限壳体上分布有输入/输出端子孔,显示或指示窗、缝隙,将有限壳体的金属板人为地设置各式各样的不连续断点(或线、或面),使壳体的屏蔽效能大大降低。

1) 开孔影响屏蔽效能

为防止缝隙电磁干扰的泄漏,设计、工艺和制造者都应给与高度重视。缝隙泄漏要比孔泄漏严重得多,整改十分艰难,严重者会颠覆原来的设计。这里提出几点建议:(1)设计缝隙尽可能的深一些,缝隙接触面尽量大一些,间隙越小越好;(2)缝隙的导电性能优良,缝隙之间无涂层;(3)焊接缝隙要保证金属板的连续性。缝隙的长度为无限长度时,t为屏蔽壳体金属板的厚度,g为缝隙的间隙,缝隙对磁场的衰减为

(5)

5 设计屏蔽壳体的见解

屏蔽壳体的设计应根据设备的技术指标、内部器件和部件对象决定屏蔽设计及屏蔽壳体材料的选择。

图5 非导磁金属材料屏蔽体的电磁场分布图

1) 屏蔽壳体材料的选择

(1)当屏蔽壳体内的部件工作频率在30MHz以上可选用铜和铝材料。

(2)当屏蔽壳体内的部件是开关电源,控制部件工作频率在30MHz以下,以屏蔽磁场干扰应选用μr≫1的金属材料。

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(3)屏蔽壳体必须具有良好的导电率,对电场的屏蔽主要应用其导体损耗。

(4)选用磁性材料(μr≫1)目的是要减小屏蔽壳体的尺寸[9]。

2) 屏蔽壳体开孔的建议

开孔应建立在电磁波传输的直射基础上,并应用多层屏蔽结构,对低磁场的传播应对磁骚扰源采用局部屏蔽。

填料函孔开制建议:金属填料函插座外表面应与屏蔽壳体连续的导体接触;填料函插头的电缆外部屏蔽网与插头内表面应连续的导体接触;填料函插座孔与屏蔽体安装有L型折管(或板),避开电磁波的直射泄漏,但也存在散射泄漏。

带调节杆的器件安装孔,可选择波导管让杆穿过,增加孔的深度,减少泄漏。

带透光指示孔,窗口可选择平板显示或采用透光屏蔽膜、玻璃或编织网,降低电磁干扰的程度。

3) 屏蔽壳体缝隙的处理意见:

屏蔽壳体(箱、柜)的开启或关闭部件盖或是门

图6 缝隙的典型设计

都含有四条边缝,制造工艺水平差异可能出现缝隙;金属板材的不平行度也会造成缝隙;在防锈防腐处理的不均匀而造成的缝隙;热应力、振动与碰撞会造成缝隙的加大,等等。缝隙是不可避免的存在,制造工艺上要保证缝隙泄漏的降低。

(1)保证缝隙的两结合面上无污染,无涂层,确保导体连续接触;

(2)在确保a条的基础上,用铜网填充,保证两面的导体接触。

(3)在缝隙的设计上适当加宽缝隙的宽度。

4) 屏蔽壳体的谐振

屏蔽壳体相当于一个密闭的金属空腔,当内表面平整光亮的条件满足时,就可以把它看成是一个矩形波导谐振腔。其谐振频率用下式来评价:

fg0为屏蔽体的谐振频率(Hz);μ为壳体内空气介质的磁导率μ0=4π×10-7H/m;ε为壳体内空气介质的介电常数ε0=8.85×10-12F/m;l、ω、h为壳体的长宽高;p、m、n为为0、1、2、3……整数

一般激励的为TE型波,所以

fgTE210,(p=2,m=1,n=0),fgTE120,(p=1,m=2,n=0),为二次模频率;

fgTE310,(p=3,m=1,n=0),fgTE130,(p=1,m=3,n=0),为三次模频率。

6 屏蔽壳体的接地

屏蔽壳体主要功能是屏蔽自身产生的干扰源,也隔离空间的电磁干扰源。实现对电场、低频磁场和高频电磁场的屏蔽。屏蔽壳体必须用金属良导体制作,同时也应当接地——大地,它具有恒定不

变的零电位。制造商都能给出屏蔽接地柱,但是做得不精细。

7 结语

电磁兼容设计涉及到电路、滤波、屏蔽、接地、布局等诸多方面,涉及的范围广,解决难度大,各种技术措施之间又是相互联系,甚至密不可分,比如屏蔽往往都需要接地,单独使用任何一种措施效果都是有限的。所以在实际中需要综合使用接地、屏蔽、滤波等技术,以保证电磁兼容性[10～11]。

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[11] 吕善伟.微波工程基础[M].北京:航空航天大学出版社,1995:217-218.

参考文献著录规则

一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫优化计算、学习与识别[M].北京:科学出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Pres,2006．

[2] 李诗灵,陈宁,赵学彧．基于粒子群算法的城市轨道交通接运公交规划[J]．武汉理工大学学报(交通工程与科学版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

参考文献中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。

参考文献的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆ 普通图书(原著): [序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码． [3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193． [4]中国社会科学院语言研究所词典编辑室．现代汉语词典[M]．修订本．北京:商务印书馆,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通图书(译著): [序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码． [6]AGRAWAL G P． 非线性光纤光学[M]．胡国绛,黄超,译．天津:天津大学出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科学与工艺学原理[M]．李庆龙,译．2版．北京:中国食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码． [8]蒋超,张沛,张永军,等．基于SRLG不相关的共享通路保护算法[J]．光通信技术,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(无卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码． [10]周可,冯丹,王芳,等．网络磁盘阵列流水调度研究[J]．计算机学报,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆ 电子文献: [序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]萧钰．出版业信息化迈入快车道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.学位论文与论文集的著录格式

◆ 学位论文: [序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码． [13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆ 论文集: [序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码． [14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Shielding Technology of Electromagnetic Interference

SONG Kaiping PENG Deqiang WANG Yifei XU Zonghang CHEN Zhongqing

(China Shipbuilding Industry Environment and Reliability Test Centre for Electric and Electronic Equipment, Yangzhou 225001)

The source, propagation approach, and sensitivity receiver of electromagnetic disturbance are simply desribed, and proper shielding technology and the technics accordingly, and the effective means to restrain electromagnetic interference are studied.

electromagnetic interference, shielding technology

2013年7月7日,

2013年8月25日

宋凯平,男,工程师,研究方向:电磁兼容。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.044