电子设备的屏蔽对电磁兼容的影响

钟怡文

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

随着铁路现代化建设的迅猛发展，室内信号设备除了既有线已有的系统外，计算机系统及网络设备数量及种类不断增加。运行中的电子、电器设备大多伴随着电磁能量的转换，高密度宽频谱的电磁信号充满整个空间，构成了极其复杂的电磁环境，从而形成了电磁干扰。这些都对设备的电气适用性、电磁兼容性、接地、环境安全等级等提出了更高的要求。电磁干扰对设备的正常运行及人类自身健康安全都构成了严重威胁。因此在复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备安全正常运行，是一个急待解决的问题。

经验证明,如果在系统开发阶段解决设备电磁兼容问题的费用为1个单位，那么等到系统设计定型后再解决其问题，费用将增加10倍，而到设备批量生产后再解决时，费用将增加100倍，到用户发现问题后才解决时，费用可能高达1 000倍。而在系统开发阶段同时考虑设备电磁兼容性设计，就可望把80％～90％的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。而屏蔽技术在设备结构设计中的应用是抑制电磁干扰行之有效的重要方法。

2 电磁兼容

2.1 电磁兼容定义

设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态；包括以下2个方面。

1）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现正常的工作性能且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级。

2）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。

电磁兼容的研究内容就是找出干扰源,削弱电磁干扰。

2.2 电磁兼容设计的目的

1）电子设备内部的电路相互不产生干扰,达到预期功能。

2）电子设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值。

3）电子设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力。

3 电磁干扰及其抑制方法

系统要发生电磁兼容性问题——电磁干扰,必须具备3个因素，即电磁干扰源、耦合途径和敏感设备。所以，在解决电磁干扰问题时，要从这3个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。对新研制的电子产品，应该从设计开始阶段就考虑电磁兼容问题，进行电磁兼容设计。常用的有效方法有接地技术、屏蔽技术、滤波技术。

4 屏蔽技术的应用

4.1 原理

电磁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的作用，也就是切断电磁波的耦合途径。它采用低电阻的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面产生反射以及在导体内部产生吸收和多次反射而起到屏蔽作用，其目的是为了有效地阻止电磁波从一例空间向另一例空间传播。

4.2 影响屏蔽效果的几个因素及其解决措施

4.2.1 材料

当电磁波通过金属板时，由于金属板产生感应涡流形成欧姆损耗，并转变为热能损耗，与此同时，涡流反磁场抵消入射波干扰场产生吸收损耗。金属的导电、导磁能力越强，金属吸收电磁波能力越强；电磁波的频率越高，越易被金属吸收。

因此，在选择屏蔽材料时，综合其他因素应遵循以下原则。

1）当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽效果。

2）当干扰电磁场的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。

4.2.2 缝隙、孔洞

屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料，而且取决于屏蔽体的结构。上面讨论的是完整连续屏蔽体。但现实中一个完全封闭的屏蔽体是没有任何价值的。机箱或壳体上常开有很多显示窗、通风口、不同部分结合的缝隙等。由于这些导致电不连续的因素存在，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有屏蔽效能。因此对屏蔽体缝隙、孔洞的研究也是十分必要的。

1）对于有孔缝的机箱,应将孔缝尽量布置于远离激励源的地方。

2）增加接缝处的重叠尺寸。

3）缩短螺钉的间距。在结合面上不加导电弹性衬垫时，应尽可能增加螺钉数量，减小螺钉间距，使缝隙长度响应减小，使屏蔽效能提高。

4）开孔设计。

当开孔面积相同时，应尽量少开大孔以及细长孔。对于可集中、又可分开开孔的机箱，应分别开孔，以减少泄漏量。

5）加接金属导管。

一般来说,对大的孔洞，在实际设计中常采用金属通风道，当频率高于100 MHz时，可采用波导管作为通风道。由于金属管相当于一个高通滤波器，使低于金属管截止效率的电磁场经过管内传递有很大的衰减，所以就减小了孔洞引起的泄漏。

在屏蔽设计中，还要注意不能有导体直接穿过屏蔽体，屏蔽效能再高的屏蔽体，一旦有导线直接穿过屏蔽机箱，其屏蔽效能就会损失99.9％（60 dB）以上。

屏蔽只是减少电子设备电磁干扰的一种方法，它通常与滤波、接地、搭接等措施一起应用，从根本上解决电子设备的电磁兼容问题。

4.3 结构设计中应用屏蔽技术采取的措施

4.3.1 标准系列机柜结构设计

对电磁屏蔽的考虑主要是通过优化的结构形式使机柜框架与门、侧板等内部构件导通，形成一个密闭的导通环，来达到电磁屏蔽的目的。标准系列机柜采用的铝型材表面进行了铬酸导电钝化处理，保证了整体框架拼装后电气导通，机柜采用的镀锌彩钢板柜门、侧板与电磁屏蔽胶条连接处不做表面处理，保证了电磁屏蔽胶条与柜门、侧板电气导通的可靠性，对有通风要求的，可在柜门、侧板上冲孔径符合电磁屏蔽要求的网孔；另外，在机柜顶部或底部进出线处采用导电海绵作为密闭填充料，可使进出线的屏蔽层通过导电海绵与机柜良好接触，确保设备整体导通，从而使整个机柜达到电磁兼容性能等级。

4.3.2 其他屏蔽物的结构设计

1）合理设计屏蔽体形状。

盒形屏蔽体比板状要好，全封闭的优于开有窗口和缝隙的。为获得高屏蔽效能，要尽量缩小开孔面积和减少开孔数量。

2）减小盒体与盒盖的接触电阻，可采取以下结构措施。

①在盒体盒盖之间安装梳形弹片。

②使用尽量多的螺钉，增加接触点数和压力。

③使用电磁密封衬垫（表面导电的弹性物质），消除缝隙上的不接触点。

3）双层屏蔽盖结构可以进一步提高屏蔽的效能。

4）有隔板的屏蔽盒体内采用分开的屏蔽盖，以减小其间的寄生耦合。如图1所示。

图1（a）为在有一个隔板的屏蔽盒内采用一个屏蔽盖。图1（b）为分开的两个屏蔽盖，显然分开的屏蔽盖结构的屏蔽效果优于一个屏蔽盖的结构。

5）合理选择屏蔽体材料

屏蔽体的材料应选用良导体，如铜、铝等。阻抗越小，其屏蔽性能越好。

电屏蔽体的厚度，一般取决于结构需要。

6）高频电磁干扰作用下，电磁屏蔽壳体应采用高导电率材料，一般用铝或铜制作。

7）金属壳体材料厚度只要能满足结构强度和加工工艺要求，大都能满足屏蔽要求。

8）金属壳体尽量封闭：为提高屏蔽效能，要求屏蔽体在电气上尽量连续，因此应尽量减小孔和缝，对必不可少的孔、缝，应采取防护措施。

①缝隙泄漏：影响屏蔽完整性的主要原因是屏蔽体上的接缝。要提高屏蔽性能，就要求每一条接缝应该是电磁密封的。

为了提高缝隙的屏蔽效能，通常采用下列措施。

a.增加缝隙深度。

b.安装导电衬垫。

c.涂导电涂料。

d.缩短螺钉间距：在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高频率的1％波长，至少不大于1/20波长。

e.安装梳形簧片。

f.使用屏蔽胶带。

②通风孔洞的屏蔽。

a.孔洞面积尽量要小。

b.孔洞形状对屏蔽效能的影响：在孔的面积相等时，正方形孔比圆孔泄漏大，长方形孔比正方形孔泄漏大。尽量使孔洞的尺寸远远小于工作波段的最小波长。

c.覆盖金属丝网：金属网的网孔越小，金属丝导电性越好，其屏蔽效果越好。

d.为保险丝、插孔等加盖金属帽。

③显示窗屏蔽设计。

a.尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容器滤波。

b.在不能从后面屏蔽指示器/显示器和对引线滤波时，要用于机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器/显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃，在保持合理的透光度条件下，对30～1 000 MHz的屏蔽效能可达50～110 dB。在透明塑料或玻璃上镀上透明导电膜，其屏蔽效果一般不大于20 dB。但后者可消除观察窗上的静电积累。

9）屏蔽体本身并不要求接地，但为了消除静电效应，通常都将电磁屏蔽体良好接地，此时既起电磁屏蔽作用，又起静电屏蔽作用。

5 结束语

以上分析了影响电磁屏蔽效果的一些因素及相应的解决方法，如果能在屏蔽的生产、使用、维护中充分地应用这些措施，电磁的屏蔽效能一定会有较大的改进。但是也要认识到电磁兼容性控制是一项系统工程，应该在系统设计、研制、生产、使用与维护的各个阶段充分地考虑和实施才可能有效。随着电子设备工作速度越来越高，电磁干扰及抑制问题日益突出。在不久的将来，EMC科学将会形成高度综合、完整的一大学科。同时，EMC的预测、协调、监控和应用等会得到飞速发展。

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