电子设备的电磁屏蔽设计

杨明冬

(武汉光迅科技股份有限公司湖北武汉430074)

现代电子设备系统功能的增多，使通讯设备结构日趋复杂，而且由于系统内部元器件和功率密度的增加，再加上各种内外干扰源，使得整个系统的应用电磁环境变得极为恶劣。正因为如此，电子设备抗电磁干扰技术研究成为我国电子行业电子设备结构设计的一项重要内容。对于电子机箱的信息辐射泄漏或外部辐射的电磁干扰，屏蔽技术是最有效的一种手段。

1 电磁屏蔽设计基本原则

在对电子设备进行电磁屏蔽设计时，需要注意以下基本原则：

(1)选择合适的屏蔽效能指标。电磁屏蔽设计之前总体指标的分配至关重要，有30 dB与70 dB准则之说：一般而言，在同一环境中的一对设备，骚扰电平与敏感度门限电平之差小于30 dB时，设计阶段可不必专门进行屏蔽设计；若两者之差超过70 dB，单靠屏蔽很难保证两者兼容，即使达到指标，设备成本将急剧增加，较为可行的办法是总体指标或方案做出适当调整，30～60 dB是屏蔽设计的常用期望值。

(2)屏蔽体的结构必须简洁，尽可能减少不必要的孔洞，尽可能不要增加额外的缝隙；避免开细长孔，通风孔尽可能采用圆形孔并阵列排放。屏蔽和散热有矛盾时尽可能开小孔，多开孔，避免开大孔。

(3)不能有直接穿过屏蔽体的导体。要重视电缆的处理措施，电缆的处理往往比屏蔽本身重要。一旦有一电缆从屏蔽体中穿出，将对屏蔽体的屏蔽效能产生显著的恶化作用。

(4)屏蔽体的电连续性是影响屏蔽效能最主要的因素，相对而言，材料本身屏蔽性能的影响是微不足道的(低频磁场例外)。要保证屏蔽体的导电连续性，减小孔洞与缝隙的长度。导电连续性即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体，但实际应用中的屏蔽体总会有部分孔洞和缝隙，设计时需妥善处理孔洞与缝隙。

2 电磁屏蔽技术的主要措施

2.1 缝隙的电磁屏蔽

电子设备由于功能的需要，存在大量的缝隙。这些缝隙的电磁屏蔽设计是电子设备屏蔽设计中最复杂、最关键的一部分。缝隙的电磁屏蔽可以大致分为两种：紧固点(包括螺钉、铆钉、点焊、锁口等)直接连接；在缝隙中安装屏蔽材料实现电连接。

紧固点直接连接的方案工艺简单，成本低廉，一般是首选的方法。对于结构上不能采取紧固点连接(如活动缝隙)，可以采取在缝隙中安装屏蔽材料的方式。

2.1.1 紧固点直接连接设计方案

(1)减小缝隙的最大尺寸。为减小缝隙的最大尺寸，最直接的方法是减小紧固点的间距。实践证明，当缝隙的最大线性尺寸等于干扰源半波长的整数倍时，缝隙的电磁泄漏最大，一般要求缝隙的最大线性尺寸小于λ/100，至少不大于λ/10波长。一般取螺钉间距为λ/20[1]。

(2)增加缝隙深度。增加结合面缝隙的深度可以大大提高缝隙的屏蔽效能，其作用要明显大于减小紧固点的间距。如图1，通过增加缝隙L值可以有效增加缝隙的屏蔽效能。一般推荐缝隙的深度是板厚的10～15倍。但根据经验，由于零件的刚性和紧固点的面积，单排紧固时缝隙深度超过30mm就没有实际意义，比较理想的值是15～25mm，至少应大于10mm。

图1 缝隙深度

(3)提高零件的刚性。当紧固点距离不变时，结合面零件的刚性好，则缝隙的最大尺寸更小，因此提高零件的刚性可以提高缝隙的屏蔽效能。增加零件的刚性的常用措施有：采用型材(如图2)、增加板材厚度、增加折弯次数(如图3)等。

图2 增加零件刚性（型材方式）

图3 增加零件刚性(增加折弯次数)

2.1.2 安装屏蔽材料

当缝隙的结构形式是活动缝隙或者不能使用太多紧固点时，可以在缝隙中安装屏蔽材料。目前常用的屏蔽材料主要有：导电布、屏蔽簧片、金属丝网、螺旋管、导电橡胶等。

在选择屏蔽材料后，选择屏蔽材料合理的结构形式，保证屏蔽材料可靠的压缩是屏蔽设计的重点。如图4，方式二和三的结构形式两零件之间的接触能够提供额外的屏蔽效果，另外由于有安装槽，能够保证屏蔽材料可靠的压缩。因此，方式二和方式三的屏蔽效果比方式一好，其中方式三比方式二又稍微好些。

图4 屏蔽材料的安装形式

2.2 孔洞的电磁屏蔽设计

2.2.1 孔洞屏蔽效能影响因素

影响孔洞电磁屏蔽效能的主要因素有：孔的最大尺寸、孔的深度、孔间距以及孔的数量，其中影响最大的是孔的最大尺寸和孔的深度。需要注意的是屏蔽效能只与孔的最大尺寸有关，而与孔的面积并没有直接的关系，因此在设计时尽量开圆孔，其次考虑开方孔，尽量避免开长腰孔。

3.2.2 通风孔的屏蔽

通风孔的屏蔽主要需要均衡通风与散热之间的矛盾，考虑屏蔽需求时，通风板的常用类型有穿孔金属板和波导通风板。

(1)穿孔金属板。穿孔金属板即在金属板上面开阵列通风孔。通风孔尺寸越大，其屏蔽效能越差，为提高屏蔽效能，可在满足屏蔽体通风量要求的条件下，以多个小孔来代替大孔，构成屏蔽性能稳定的穿孔金属板。

(2)波导通风板。波导通风板是利用截止波导的原理制作成的通风板，常用的波导通风板的厚度有6.3mm，12.7mm和25.4mm三种规格，厚度越大，屏蔽效能越高。波导通风板的价格昂贵，特别是钢制波导通风板的价格更高，一般在设计时应优先选用铝制波导通风板，但由于铝制波导通风板对低频磁场几乎透明，因此当对低频磁场有要求时，应该选用钢制波导通风板。

3.3.3 其他孔洞的屏蔽

由于指示灯、操作按钮、观察孔等需求会导致在电子设备面板上开各种孔洞，对于这些孔洞的电磁屏蔽设计时，可按照以下步骤考虑：

(1)最好将指示灯、操作按钮、观察孔等设置在屏蔽体外；

(2)建议选用屏蔽的元器件，例如带屏蔽的指示灯、按钮以及屏蔽玻璃等；

(3)采用加屏蔽罩的方法将这些孔洞屏蔽；

(4)对于小的孔洞，如果屏蔽效能足够，如果孔洞中不引出电缆，可以不处理。

2.3 线缆的电磁屏蔽设计

为了避免电缆穿透对电子设备屏蔽体的影响，可以从以下几个方面采取措施：

(1)采用屏蔽电缆时，屏蔽电缆在出屏蔽体时，采用夹线结构，保证电缆屏蔽层与屏蔽体之间可靠接地，提供足够低的接触阻抗。

(2)采用屏蔽电缆时，用屏蔽体连接器转接将信号接出屏蔽体，通过连接器保证电缆屏蔽层的可靠接地[2]。

(3)采用非屏蔽电缆时，采用滤波转接器转接，由于滤波器高频的特性，保证了电缆与电子设备屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

(4)采用非屏蔽电缆时，电缆在屏蔽体的内侧(或者外侧)要足够短，使干扰信号不能有效地耦合出去，从而减小了电缆穿透的影响。

(5)电源线通过电源滤波器出屏蔽体，由于滤波器通高频的特性，保证电源线与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

2.4 搭接设计

搭接指在两个金属物体之间建立一条低阻抗连接通路的工艺措施。由于通信产品十分复杂，接地回路不可避免需要许多零件组成，这样各零件之间的搭接性能显得十分重要，良好的搭接可以保证电子设备自身以及电子设备与地系统之间良好的电连续性。

2.4.1 搭接设计基本原则

搭接设计的基本原则是保证电子设备结构件自身以及电子设备与地系统之间良好的电连续性，并提供足够低的阻抗(从直流电阻到高频阻抗)，实现电阻设备结构件的等电位连接。电子设备结构件的这种等电位连接对系统的安全性和电磁兼容性，甚至产品的正常工作均有十分重要的影响。

2.4.2 搭接设计要求

(1)保证搭接面具有良好的导电性。一般要求电子设备结构件连接表面和电缆连接端子应该是导电的或者经过导电处理。由于工艺条件的限制，在产品设计中，搭接面的表面处理措施往往已经根据其他方面的需求确定下列，因此一般不单独对搭接面的导电性能提出具体的指标要求。

(2)保证搭接面的清洁干净。为了保证搭接面的导电性能，搭接面必须清洗干净，保证无灰尘、油膜、油漆、氧化层以及其他非导电材料。

(3)保证搭接面可靠接触。一般只允许采用面接触的形式实现搭接，原则上禁止通过螺纹、铆钉等方式实现搭接。

(4)保证搭接面有足够的紧固力。对于单点搭接，可以采用螺钉、焊接等紧固方式，原则上限制采用铆接的形式。采用螺钉连接时，必须采用M 5或者更大的螺钉连接，螺钉的紧固力应符合设备的扭矩要求，另外，螺钉应有防松装置，保证不会脱落。

对于多点搭接，一般对连接形式不做具体要求。

(5)足够的接触面积。对于单点搭接，要求搭接面直径大于φ15mm。

(6)防止搭接点产生电化学腐蚀。

3 结束语

电子设备的电磁屏蔽设计是工程实践中遇到的普遍问题，在设计过程中必须认真地分析各种干扰信号来源，采取各种有效措施，提高系统抗干扰能力。

[1]邱成悌.电子设备结构设计原理[M]，南京：东南大学出版社，2001

[2]于庆祯.电气设备机械结构设计手册[M].北京：机械工业出版社，2005.1