电子测量仪器结构设计中的电磁兼容技术

时间：2024-05-20

陈振琳

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555）

0 引言

电磁兼容（EMC）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。这就要求电子设备一方面减小对外界环境产生的电磁干扰即EMI要求，另一方面电子设备不能对外界环境的电磁干扰过于敏感即EMS要求。

当前，在有限的时间、空间及有限的频谱资源条件下，各种电气及电子设备的数量迅速增加，用电设备密集程度越来越大，工作频率越来越高，空间电磁环境不断恶化。电子测量仪器不断朝着智能化、小型化、多功能集成化等方向发展，性能要求也越来越高，如要求大动态测试范围、高灵敏度、高分辨率、高频谱纯度、宽频带等，其内部电磁环境也愈发恶劣。因此，对电子测量仪器电磁兼容性设计的要求也日益提高。

常见的电磁兼容性设计有优化信号设计、完善线路设计、隔离、对消与限幅、滤波、接地、屏蔽、搭接等。对于结构设计来说，最主要的是考虑后三个方面的内容[1]。下面将重点就这三个方面对电磁兼容性结构设计展开论述。

1 接地设计

“地”一般定义为电路或系统零电位参考点或面，“接地”一般指电路或系统与“地”之间建立低阻抗通道[2]。电路或系统的接地，按其作用可分为安全接地和信号接地。

安全接地就是将电器、电子设备的外壳利用低阻导体连至大地上。比如，一些仪器，在机箱的面板上设有专门的接地端子。当仪器工作时，用低阻导线将接地端子接至大地，人员触及外壳时就不易发生电击危险。

信号接地的目的就是为信号电压提供一个零电位的参考点。对于电子设备，将它的底座或外壳接地，除了用于防止内部高压回路与外壳相接以保证安全外，更重要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准的导体，以保证设备的工作稳定，这个导体就称为接地面。设备的底座或外壳往往通过它来接地。该大面积导体相对大地的电位一旦出现不稳定，就会引起设备工作的不稳定。

下面列举几种电子测量仪器结构设计中常见信号接地的实例。

1.1 电缆屏蔽层的接地

在低频情况下，即电缆长度远小于芯线信号波长时，电缆屏蔽层一般采用单点接地。由于芯线电流与屏蔽层中电流方向相反、大小相等，因此往返电流在屏蔽层外的漏磁场相互抵消。

对于高频情况，如果电缆的线长接近于芯线信号1/4波长时，就应采用多点接地。一般取每隔1/10波长有一个接地点，至少应在屏蔽的两个端点接地。该接地方式使信号返回电流几乎全部经过低阻屏蔽层而不经过电缆芯线的内导体，因而可以抑制地回路干扰。

1.2 电源滤波器的接地

电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成。根据其工作原理，只有滤波器的共模电容接地时，才能将线路上的共模干扰旁路掉；同时，为了对高频起到有效的旁路作用，要求电容的引线越短越好。通常，电源滤波器的壳体就是其回流的通道。所以，在安装滤波器时，应将滤波器的外壳大面积贴在设备的导电表面上。另外，为了避免电网上的干扰进入设备后，还没有经过滤波器就通过空间耦合到线路板上，对电路造成干扰，或者设备内部的干扰直接感应到电源线上传出设备，电源滤波器一定要安装在设备的电源线入口处，而且滤波器的电源输入线要尽可能的短。综合以上两点，电源滤波器的正确安装方式为：将滤波器壳体直接搭接在整机机壳上，并保证两者之间形成良好的电气连接。我所电子测量仪器上的电源滤波器，一般安装在后盖板（铝质，表面导电氧化处理）上，然后用螺钉紧固。具体如图1所示。

图1 电源滤波器的安装

1.3 封闭屏蔽体内装置的接地

为屏蔽体内的装置安排地线时，不得将屏蔽体本身作为电流的回线。装置应经接地母线或紧靠屏蔽体的接地平板接地，这些母线或平板除了在一点与屏蔽体连接外，其余部位应与屏蔽体绝缘。这个接地点为屏蔽体内的装置提供唯一的接地连接[3]。例如图2中内外两屏蔽层之间的连接。

另外，接地的实施还包括数字地与模拟地的隔离、结构地和信号地的隔离等等。

当然，接地往往会因为导电耦合、电容耦合、电磁耦合或者金属导体的天线效应等不可避免的带来地环路干扰问题。为了抑制地环路的干扰，除了选择合理的接地方式外，通常采用浮地（只适用于低频）或者电路中增加差分平衡电路、隔离变压器、纵向扼流圈以及光耦合器等等。

2 屏蔽设计

屏蔽，就是用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等形式将电磁场限制在一定空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制了电磁场干扰的扩散。根据其抑制功能不同，可分为为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽[4]。

2.1 电场屏蔽设计

电场屏蔽即静电或电场的屏蔽，用于防止或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。其设计要点有：

1）屏蔽体必须良好接地

电屏蔽体接地质量对屏蔽效能影响极大。一般要求屏蔽体与地的连接电阻小于2mΩ，在严格的场合下要求连接电阻小于0.5 mΩ。

2）正确选择接地点

在电路布局和地线设置时，应避免低电平电路的地线中流过大量值的地电流。因为这样可以避免形成大的地电位差，干扰到低电平电路。

3）合理设计屏蔽体的形状

盒体屏蔽体比板状的要好；全封闭的优于开有窗孔和缝隙的。为获得高屏蔽效能，要尽量缩小开孔的最大线形尺寸和减少开孔数量。

4）注意屏蔽体材料的选择

屏蔽体应选用良导体，如铜、铝等。必要时，屏蔽体表面可镀银，以提高屏蔽效能。

2.2 磁场屏蔽设计

要想达到良好的磁屏蔽效果，主要从以下几个方面着手考虑。

1）屏蔽材料的选择

在低频（100kHz以下）常用屏蔽材料是高磁导率的铁磁材料，如铁、硅钢片、坡莫合金等。其屏蔽原理是利用铁磁材料的高导磁率对干扰磁场进行分路，使得大部分磁通在磁屏蔽体上分流，来达到屏蔽的目的。由Rm=l/mS，可知在磁路的横截面积一定的情况下，若铁磁材料的磁导率m越高，屏蔽罩越厚（l越大），则磁阻越小，磁屏蔽效果越好。

但在高频时，铁磁材料中的磁性损耗很大（包括磁滞损耗和涡流损耗），从而造成线圈Q值下降等不利影响。而且在高频时导磁率明显下降，导致屏效大大下降，所以铁磁材料不适于高频。

在高频时主要选用低电阻率的导体材料，如铝、铜及铜镀银等。其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的。此时，屏蔽盒是否接地不影响屏蔽效果；但是，如果将其接地可以同时进行电场屏蔽和高频磁场屏蔽，所以实际中屏蔽盒一般应接地。

2）屏蔽体的结构及工艺

用铁磁材料进行低频磁屏蔽时，在垂直于磁力线方向上不应开口或有缝隙。否则开口或缝隙会切断磁力线，使磁阻增大，磁屏蔽效果变差。而在用良导体进行高频磁屏蔽时，屏蔽层上的开口方向应尽量不切断感应电流。

由于接缝的连接工艺及结构对屏蔽效能的影响较大，所以常用熔焊、点焊、铆接和螺钉连接等来减小接缝的长度。熔焊时应采用与本体材料相同的焊条，使接缝具有最佳的屏蔽效能。点焊和铆接时，在接缝处应有足够的重叠。实测表明当重叠部分为9.5mm、点焊间距为12.7mm时，接缝对磁屏蔽效能的影响几乎可以不予考虑。螺钉连接时，在交接处同样应有足够的重叠和尽可能小的螺钉间距。

铁磁材料，特别是一些高磁导率材料，制成的磁屏蔽罩对机械应力较为敏感，因为机械应力的存在将使磁性材料的磁导率大大下降。例如坡莫合金，经机械加工后未经退火处理时的磁导率仅为退火后磁导率的5%左右。因此，磁屏蔽体必须在机械加工全部完成之后进行退火处理。

3）双层或多层屏蔽

若要求达到较高的屏效时，一般采用双层或多层屏蔽，而不是单纯的将屏蔽体加厚。一般情况下，若要屏蔽外部的强磁场，外层选用低电阻率的导体材料，使其在强磁场作用下不致饱和；内层选用高磁导率的铁磁材料。若要屏蔽内部强磁场，则材料顺序与上述相反。内外屏蔽层的固定要确保层间磁绝缘。比如两屏蔽层之间加0.25mm厚的绝缘纸做隔离层。我所某仪器上的YIG振荡器的屏蔽结构设计就是如此。具体方法如图2所示。

图2 YIG振荡器磁屏蔽示意图

2.3 电磁场屏蔽设计

电磁场屏蔽是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量作用的。电磁屏蔽的决定因素在于屏蔽的连续性。

下面以某仪器上的两处电磁场屏蔽设计加以论述。

1）机壳的电磁屏蔽。机壳分三部分，由前至后分别为机头、套筒和后盖板。其中套筒为整体式，这样不仅拆装方便，而且有效减小了与外界的接缝长度。然而，为了使仪器具有良好的可维修性，套筒与机头、后盖板之间仍然不可避免的存在接缝，而且这些接缝均为大范围的不平整接缝。为了保证三者之间的电连续性，提高机壳的电磁屏蔽效能，在这些接缝处分别填充带橡胶芯丝网衬垫和导电布衬垫。机头、套筒和后盖板三者之间的对接关系如图3所示。

图3 机壳电磁屏蔽图

2）印制板电路的电磁屏蔽。屏蔽盒材料选用导电性能好、易加工的铝板，表面进行化学导电氧化处理。屏蔽盒上留有相互贯通的凹槽，槽内放置导电橡胶条，从而保证了屏蔽盒接地的连续性。具体方法如图4所示。

图4 印制板电路电磁屏蔽图

另外，在进行电磁屏蔽结构设计时还应该注意：敏感线路或干扰源应远离机体的接缝等不连续的地方；适当增大缝隙的深度，并保证缝隙结合的紧密度；适当增加孔洞的纵深；屏蔽体的形状尺寸上要避免形成空腔谐振等。

3 搭接设计

所谓搭接就是指在两金属物体之间建立一个供电流流动的低阻抗通路。这样可以避免在不同金属物体在之间出现电位差，从而避免由于电位差而引起的电磁干扰。此外，良好的搭接对设备的雷电防护、静电泄放、人员安全保护也是必不可少的措施。搭接分为直接搭接和间接搭接。

直接搭接是在互联元件之间不使用辅助导体而建立一条有效的电气通路。正确的直接搭接，直流电阻很低，并能获得一个低至搭接部分结构所允许的射频阻抗[5]。连接方式一般包括螺纹锁固、铆钉铆接、压接、熔焊、钎焊等等。直接搭接的两者之间，要有足够的配接面，并且通过螺钉或者铆钉给配接面以一定的压力。

另外，半刚电缆的屏蔽层与接头外导体之间的连接也是典型的直接搭接。电缆剥离出内导体后，将接头外导体套入，然后用锡焊将电缆的屏蔽层与接头外导体进行360°环接。

间接搭接是借助中间过渡导体（搭接条或片）把金属构件在电气上连接在一起。搭接条的紧固手段有：螺栓、铆钉、熔焊、钎焊或堆焊等。搭接条通常选用导电性能好的扁平、实心薄板料制作。比如，长宽比为3：1（一般不超过5：1）的铍铜合金片或磷青铜片。但是要注意搭接条和被连接件之间由于材料的不同而会产生腐蚀的可能。所以，必要时搭接条要镀以合适的电镀层。在剧烈振动的条件下，应将搭接条做成回折形，以防止过渡的阻尼将其损坏。

然而，在电子仪器的结构设计中，由于操作要求或者相互的位置关系限制，间接搭接的实施一般借助的不是形状规则、长宽比一定的简单搭接条，而是在其基础上的延伸。比如，梳形簧片；图3中的带橡胶芯丝网衬垫和导电布衬垫。

在选择搭接时，优先选用直接搭接，而且最好是永久性搭接。在搭接实施时，搭接接触表面应光滑、清洁，没有非导电的表面涂层，并保证有足够的压紧力。

4 其它电磁兼容性结构设计

实践表明，即使一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的设备，也仍然会有不需要的能量传导进入，致使系统的性能降低或引起设备的失灵。滤波器则可以在保证所需要的能量能正常通过的情况下，把这些不需要的能量拒之门外。所以，在结构设计过程中，合理的安装、利用滤波器往往可以有效提高设备的电磁兼容性。比如，屏蔽电缆，其屏效尤其是在高频时主要取决于电缆屏蔽层的端接情况。只有当端接为360°低阻抗搭接时，才有较理想的屏效。但是当电缆需要穿过屏蔽体时，接交处很难实现360°环接。此时一般采用在屏蔽体上安装滤波器（比如穿芯电容）将电缆上的有用信号导出。近年来流行的滤波连接器也是利用了这一点。其可以直接取代普通连接器，但是在提高设备的电磁兼容性方面远远高于普通连接器。

合理的结构布局在提高电磁兼容性上也是非常有效的。比如将电源、射频模块、逆变器等尽量远离敏感部件，电缆尽量贴“地”走等等。另外，在电缆上穿铁氧体吸收磁环等措施在一定程度上都可以提高电子测量仪器的电磁兼容性。