抑制電磁干擾屏蔽技術的研究

王 威，徐抒巖，楊 絮

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2. 中國科學院 研究生院，北京 130039；3. 長春理工大學 電信學院，長春 130022）

抑制電磁干擾屏蔽技術的研究

王 威1,2，徐抒巖1，楊 絮3

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2. 中國科學院 研究生院，北京 130039；3. 長春理工大學 電信學院，長春 130022）

本文詳細分析設備中存在的電磁干擾，首先采用盒狀設計方法，要求箱體表面縫隙的直線尺寸要小于干擾電磁波波長的1/4，箱體的通風孔設計成波導管的形狀，對欲屏蔽的電磁波構成衰減。然后，通過軟件仿真得到箱體屏蔽效能曲線和數據，根據仿真結果優化箱體結構設計。最后，對設備進行EMI輻射測量，實測數據未超過GJB151A-97 RE102限值，驗證設備箱體的EMI屏蔽設計達到了設計要求。

電磁干擾；屏蔽技術；仿真；測量

0 引言

箱體屏蔽是抑制電磁干擾（EMI）的重要手段，主要針對輻射的電磁干擾進行抑制。對于裝在箱體內的電子學系統來說，該系統運行過程中需要通風散熱，要顯示電壓電流值、顯示運行狀態，那么通風孔、安裝表計及外部連接器需要在鋼板上開孔，箱體上留下縫隙，就會破壞完整的密封屏蔽，由此引起的屏蔽性能的下降。通過設備箱體的屏蔽設計，提高設備的屏蔽性能，要求設備箱體抑制EMI能力達到GJB151A-97 RE102標準限值。

1 屏蔽技術分析

屏蔽是以某種導電材料或導磁材料制成的屏蔽體將敏感器件或區域封閉起來，形成電磁隔離，達到阻斷或減少電磁能傳播的一種技術，是抑制電磁干擾的措施之一。屏蔽抑制的是以場的形式沿空間傳播的干擾，它是一種雙向抑制的技術，既可以限制內部輻射的電磁能量泄漏，又可以防止外部輻射干擾進入。

電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為：

1）電場屏蔽，包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽；

2）磁場屏蔽，磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽；

3）電磁場屏蔽，既是前兩種的總和。

1.1 電磁干擾的屏蔽效能

屏蔽效能是用來描述屏蔽體的好壞的指標。它表現了屏蔽體對電磁波的衰減程度。由于屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的1/100至1/10000，因此通常用分貝來表述[1]。

設備箱體的屏蔽效能計算示意圖如圖1所示。

1）設備箱體的屏蔽材料吸收部分電磁波，形成吸收損耗；

2）電磁波在設備箱體內發生反射，減小了電磁波的強度。反射后衰減的電磁波稱為反射損耗。

根據SE＝R＋A＋B

其中，SE為屏蔽效能，A為吸收損耗，R為反射損耗，B為多次反射損耗。

上式中

出于分析的角度，利用式（1）來計算位吸收損耗：

式中f為頻率（Hz），mr為屏蔽體材料相對于銅的相對磁導率、sr為屏蔽體材料相對于銅的相對電導率， m0＝4p×10－7H/m為常數，s0＝5.82×10－7/ W ·m為常數，l為壁厚（cm）。

1.2 箱體屏蔽材料的特性及其結構選擇

圖1 屏蔽效能計算示意圖

由磁屏蔽理論可知，磁屏蔽是利用由高導磁材料制成的磁屏蔽體來構成的，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽體上來分流，達到屏蔽的目的。磁導率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據。

通常磁性材料分為：

1）弱磁性材料，包括順磁性物質和抗磁性物質，其特點是相對磁導率產mr＝1，B與H是線性關系，mr在任意頻率的環境中，始終保持常數；

2）強磁性材料：鐵磁性物質，其特點是B與H為非線性關系，頻率增高，磁導率mr降低。

屏蔽效能除了與屏蔽材料直接相關外，與屏蔽體結構也相關。

電屏蔽結構，影響電屏蔽的一個重要的因素就是分布電容C，減小C就能提高屏蔽效能。因此一般情況下，電屏蔽體的形狀最好設計成盒形，盒形結構通常包括單層蓋結構盒雙層蓋結構，根據要求屏蔽的程度不同來選擇。

磁屏蔽結構，磁屏蔽是利用屏蔽體對磁通進行分流，因而大多采用盒狀、筒狀或柱狀的結構。由于磁阻與磁路的橫截面積 和磁導率成反比，因而磁屏蔽體的體積和重量都比較大。若要求較高的屏效時，一般采用雙層屏蔽，此時在體積重量增加不多的情況下，能顯著提高屏蔽效能。

電磁屏蔽結構，電磁屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、反射來達到減弱干擾能量作用的。因此，電磁屏蔽可采用板狀、盒狀、筒狀、柱狀的屏蔽體。

1.3 不完整屏蔽對屏蔽效果的影響

1.3.1 縫隙影響

如圖2所示，設在金屬屏蔽體中有一無限長的縫隙，其間隙距離為g，屏蔽板的厚度為t，入射電磁波的磁場強度為H0，泄漏到屏蔽體中的磁場強度為Hp，當趨膚深度d＞0.3g 時，可以得到Hp＝H0-ptg。由上式分析可以知道，當縫隙較窄較深時(亦即t較大，g較小)，磁場泄漏就小，反之就大。磁場通過這個縫隙的衰減為

公式（2）只是對實際情況的簡化和抽象，縫隙所帶來的泄漏比較復雜，它與縫隙的寬度、板材的厚度，縫隙的數目以及波長等都有密切關系。干擾的頻率越高，縫隙的泄漏越嚴重，特別是當縫隙的直線尺寸接近波長時，會產生天線效應，嚴重地破壞屏蔽體的屏蔽效果。

圖2 無限長縫隙示意圖

1.3.2 通孔影響

由于通風及其安裝固定各種附件的需要，可能會在在屏蔽結構上開有圓形或矩形的孔洞，電磁波會通過這些孔洞產生泄漏。

設屏蔽板上有若干個孔洞，包括圓孔和方孔，孔的面積為S，屏蔽板面積為A，當A遠大于S的時候，亦即圓孔的直徑或方孔的邊長比波長小很多時，通過孔洞泄漏的磁場強度Hp為

若屏蔽板上有n個孔，則總的泄漏磁場強度為

結合上述幾個公式可得泄漏磁場強度。

在實際情況下，金屬屏蔽板后側電磁波總的透射系數 應為金屬屏蔽板本身的透射系數TS與孔洞電磁波的透射系數之和，即

其中

因此總的屏蔽效能為

2 屏蔽體通風孔的結構設計

合理的結構設計，可以使屏蔽體在開了若干通風孔以后，不但能保證良好的通風散熱，而且能保證屏蔽效能不下降，其基本出發點在于，將每個通風孔設計成對欲屏蔽的電磁波構成衰減波導管的形狀[2]，如圖3所示。

圖3 波導管形式的通風孔截面圖

2.1 箱體通風窗的實壁結構設計

通用通風窗結構是直接在屏蔽體壁上開孔，如圖4所示。每個通風孔直徑為d，相鄰通風孔間矩為d，相鄰通風孔間矩為c，通風孔形成的通風窗口(孔陳列)的邊長為l，屏蔽壁厚為t，則該窗口對磁場的總屏蔽效能為

圖4 實壁開孔通風示意圖

2.2 箱體通風窗的蜂窩結構設計

設備箱體的實壁開孔結構設計，對于電磁屏蔽存在兩個問題：

1）實壁開孔結構設計要滿足形成衰減器的條件，要求t大于d，即要求箱體的壁厚大于開孔的孔徑。要求孔徑小于l/4；

2）如果在設備箱體上直接開通風孔，那么灰塵會通過通風孔進入箱體內，污染電子學系統，甚至可能導致短路現象的發生。蜂窩結構設計的通風窗可以避免此類現象的發生。

綜合上述兩種原因，本設備箱體選擇蜂窩結構的通風窗設計，達到良好的屏蔽效果。

2.3 箱體結構優化設計

針為避免設備箱體內的電子學系統的元器件工作時溫度高，必須在箱體采用蜂窩結構設計的通風窗，為元器件進行通風散熱。根據電子學系統的干擾電磁波波長，在箱壁處開圓孔直徑為5mm，那么對波長小于20mm的電磁波起到完全屏蔽。為了進一步加強屏蔽效果，在箱體內壁加一層孔徑為0.5mm的金屬網，同時又能達到散熱的目的。把邊界設置為輻射邊界時，加固箱體距輻射邊界的距離為求解頻率波長的1/4。如圖5所示。仿真求解頻段為0.1 GHz～1GHz；求解步長為0.02GHz；求解迭代步數為50次；求解精度為0.02。采用離散掃描。首先提取通風板正前方8mm處的泄漏電場的場強值E1；去掉屏蔽殼體后再提取相應點的電場場強值E2；對比兩次場強結果，得到箱體的屏蔽效能

圖5 加固箱體的邊界設置示意圖

圖6為仿真得到的屏蔽效能曲線。表1為屏蔽效能具體實驗數據。

圖6 加固箱體屏蔽效能仿真結果曲線

表1 加固箱體屏蔽效能仿真結果數據

3 EMI測量結果

3.1 測試框圖

測量來自設備及其有關電線、電纜的電場輻射發射，EMI測試框圖如圖7所示。

圖7 EMI測試框圖

3.2 測試過程描述

試樣件放在屏蔽室內的測試圓臺上（圓臺上覆有接地銅皮），在距試樣1m處，分別架設有源棒狀天線（10kHz～30MHz）、雙錐天線（30MHz～200MHz）、對數周期天線（200MHz～1GHz）和雙脊喇叭天線（1GHz～18GHz）， 在30MHz～18GHz測試頻段，進行天線的水平極化和垂直極化方式測試。用ESI40接收機監測試樣及有關電纜的電場輻射發射[3]。

3.3 測試曲線

本實驗是在中國科學院光電研究院EMC實驗室進行，圖8是天線垂直極化狀態下的電場輻射發射曲線（10kHz～1GHz），圖9是天線水平極化狀態下的電場輻射發射曲線（10kHz～1GHz），圖10是天線水平極化狀態下的電場輻射發射曲線（1GHz～18GHz）。

圖8 10kHz～1GHz電場輻射發射測試曲線（天線垂直極化）

圖9 10kHz～1GHz電場輻射發射測試曲線（天線水平極化）

3.4 測試結果

受試件10kHz～18GHz電場輻射發射測試，未超過GJB151A-97 RE102限值，該項測試通過。

4 結論

圖10 1GHz～18GHz電場輻射發射測試曲線（天線水平極化）

本文詳細分析設備的電磁干擾源、結構的縫隙和通孔的影響，選擇合適的屏蔽材料，建立設備箱體結構模型，仿真實驗得到了設備較好的屏蔽效能曲線和實驗數據；并按GJB151A-97要求，對設備進行EMI輻射測量，實測數據未超過GJB151A-97 RE102限值，驗證設備箱體的EMI屏蔽設計達到了設計要求。

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Research on the shielding technology for EMI suppression

WANG Wei1,2, XU Shu-yan1, YANG Xu3

TN492

B

1009-0134(2011)5(下)-0071-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).21

2010-11-29

國家自然科學基金資助項目（60507003）

王威（1978－），男，河南駐馬店人，副研究員，研究生，主要從事電源和EMC設計工作。