淺談電子設備結構屏蔽設計技術

鐘文彬

中國電子科技集團公司第十研究所

概述了電子設備電磁兼容性結構設計過程中涉及的屏蔽體材料的選用、結構屏蔽設計技術要點和原則，同時對屏蔽效能的仿真分析現狀和面臨的問題進行了簡述。

1 前言

目前，在電子設備工作頻率、功率及集成度不斷提高的情況下，電子設備的電磁兼容性（EMC）已成為影響電子設備性能正常發揮的重要因素之一，越來越得到大家的重視。電磁兼容的研究主要是圍繞構成電磁干擾的三要素，即電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備來進行的，電磁兼容的設計技術主要有濾波技術、接地技術及屏蔽技術等，就電子設備的電磁兼容性結構設計來說，屏蔽是最常用的設計方法。

屏蔽是一種利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的措施，主要作用是抑制電磁干擾（EMI），防止輻射侵入設備或從設備中泄露，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。屏蔽通常包括兩種：一種是電場屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場及交變電磁場的影響。在進行電子設備的結構屏蔽設計時，接縫又往往是影響屏蔽完整性的主要因素。為了提高屏蔽體的屏蔽效能，要求每一條接縫都應該是電磁密封的，而實際上，由于結合表面的不平整、焊接質量不高、緊固件之間存在不密封的空隙等，都會在金屬板的接合處留下一些細長的縫隙，改善這些縫隙的電接觸是至關重要的問題。解決這些縫隙的方法主要有焊接（熔焊、釬焊等）和增加導電襯墊的方式[3]，本文主要討論的是可拆式接縫結構設計時屏蔽材料的選用及屏蔽設計的一些原則。

2 屏蔽體材料的選擇

屏蔽材料的種類很多，形態也各異，一般來說具有較高導電、導磁特性的材料可作為電磁屏蔽的材料。常用的屏蔽材料有鋼板、鋁板、銅板、鋁箔、銅箔等，一些民用產品多采取在塑料機箱上鍍鎳或銅的方法來實現屏蔽。要選擇好用于屏蔽體的材料，就必須先弄清楚電磁屏蔽的分類。工程中，實際的輻射干擾源大致分為兩類：電偶極子（非閉合載流導線輻射源）和磁偶極子（閉合載流導線輻射源）。由于電偶極子和磁偶極子是上述兩種源的最基本形式，實際的輻射源在空間某點產生的場，均可由若干個基本源的場疊加而成。電磁屏蔽的分類見表1。

根據電屏蔽的原理，電屏蔽的實質是在保證良好接地的條件下，將干擾源發生的電力線終止于由良好導體制成的屏蔽體，從而切斷了干擾源與受感器之間的電力線交鏈。因此對于電屏蔽來說，屏蔽體必須選用導電性能好的材料（銅、鋁等），同時必須接地。而磁屏蔽無法像電屏蔽那樣，將磁力線終止于屏蔽體，而只能利用屏蔽體對磁力線（磁場）進行分流，來切斷干擾源與受感器之間的磁力線交鏈，因此磁屏蔽材料應選用鋼、鐵、坡莫合金等高導磁率的鐵磁性材料。對于遠場的電磁屏蔽設計，由于金屬屏蔽體在高頻時的趨膚效應，導致只要滿足剛強度的屏蔽體厚度均有足夠高的屏蔽效能，此時決定屏蔽體的屏蔽效能的不是金屬材料的種類和厚度，而是孔、縫的泄露，同時應選用導電材料。

表1 電磁屏蔽的分類

3 結構屏蔽設計

目前，機箱和機殼是普遍采用的結構屏蔽設計方案，是電子設備電磁兼容性結構設計的主要工作內容之一。屏蔽的目的是切斷干擾源和被干擾對象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾，對結構設計來說，主要涉及到屏蔽體的通風孔設計、螺釘間距選擇及常用屏蔽輔助材料的選擇等內容。

通風孔設計原則

有的電子設備除了有較高的頻率和較寬的頻率范圍外，還含有功率較高的元器件，因此在進行結構設計時，除了要考慮設備的電磁屏蔽特性，還需要考慮設備的通風散熱問題。通風散熱問題和電磁兼容問題注定是一對矛盾，如果通風孔太小則會增大風阻，從而影響設備的散熱，如果通風孔過大，則會增強電磁干擾，如何取得兩者的和諧就成了一個突出的問題。

根據孔縫屏蔽原理我們知道，在相同的面積上，把較大的通風孔改成孔徑較小的孔陣，屏蔽效能將得到明顯的提高。常見的通風孔的形狀主要有圓孔、菱形孔、方孔、正多邊形孔等。在如圖所示的孔陣中（材料厚度設為t），圓孔和方孔的屏蔽效能可按下面的公式進行計算。

（1）方孔陣列屏蔽效能

電磁屏蔽效能（單位dB）

磁場屏蔽效能（單位dB）

圖1 矩形板上方孔及圓孔孔陣

圖2 典型屏蔽體縫隙示意圖

（2）圓孔陣列屏蔽效能

電磁屏蔽效能（單位dB）：

磁場屏蔽效能（單位dB）

另外，由于方孔的最大線性尺寸為1.414b（對角線長度），則圓孔與方孔的的最大線性尺寸之比為0.627，根據天線發射理論也印證了上述結論。因此，在通風孔面積一定的情況下，應優先使用圓孔（對電磁兼容性較高的電子設備或大尺寸的設備來說，也可選用屏蔽通風板或截止波導等）。

螺釘間距的設計

絕大多數電子設備在結構設計時，由于需要考慮設備的測試性和維修性，結構上一般采用螺裝的方法而不是采用焊接方式實現設備的裝配，屏蔽體的兩個螺釘間將會自然的形成縫隙。隨著頻率的增高，波長將會與屏蔽體上的縫隙尺寸相當，從而導致屏蔽體的縫隙泄露成為電磁屏蔽最關鍵的控制要素，在設計中應特別注意電磁屏蔽的完整性。

根據天線理論，當天線的總長度大于信號波長λ 的1/20 時，會向空間產生有效的輻射發射，當天線長度為λ/2 的整數倍時，輻射的能量最大。理論上，當兩塊金屬板用螺釘連接在一起時，從宏觀上看是面與面的接觸，但由于金屬面板的表面不可能做到完全的光滑，總有一定的表面粗糙度，從微觀上看螺釘與螺釘之間的就會形成一條以螺釘間距為寬度的縫，這條縫往往是點與點接觸或線與線接觸的，如圖2 所示。當這條縫滿足天線發射的理論時，就會向外輻射能量，形成電磁干擾。因此，在進行螺釘間距L 的確定時，需要參照此標準進行設計（在實際情況中，由于設備的頻率可能很高、頻段也很寬，有時不可能使螺釘間距離小于波長的1/20，這時就需要用屏蔽材料來輔助）。

表2 幾種不同屏蔽材料的比較

常用輔助屏蔽材料的選擇

在進行產品設計的過程中，有時僅靠金屬結構件屏蔽不能滿足電磁兼容性的要求，還需要使用屏蔽材料進行輔助屏蔽。對屏蔽材料的選擇，需要綜合考慮設備的工作頻率、使用環境、屏蔽效能、空間位置、成本因素等。表2為幾種不同屏蔽材料的比較。

屏蔽效能仿真與測試

目前，市場上還沒有專門做屏蔽效能仿真分析的商業軟件，但可利用電磁場分析的軟件仿真出電場強度，根據屏蔽效能的定義和計算公式就可以推算出屏蔽體的屏蔽效能。

式中：E0（ES）是指不存在屏蔽體時某處的電場強度（磁場強度），H0（HS）是指存在屏蔽體時同一處的電場強度（磁場強度）。

電磁仿真分析軟件主要有FEKO、HFSS Ansoft、MS EMC 等，其中FEKO 是主要針對天線設計、天線布局和電磁兼容性仿真分析的專業電磁分析軟件，適合各類電磁場問題的分析。HFSS 軟件基于有限元算法，主要用于一般電尺寸天線分析、微波器件仿真等。

對于機箱或模塊級電子設備的屏蔽效能仿真，縫隙和導電襯墊的處理是屏蔽效能仿真建模過程中的難點和關鍵技術之一。建模過程中如果按實際的位置尺寸來建立仿真分析模型，由于縫隙寬度很小網格劃分將非常困難，為此必須建立縫隙的電磁兼容仿真分析等效模型。現階段應用較多的方法是采用基于轉移阻抗的縫隙仿真模型對縫隙和導電襯墊進行等效，等效轉移阻抗的縫隙仿真分析模型的主要思想是對縫隙進行擴寬，里面填充相應的材料使得兩者的轉移阻抗滿足一定的關系，從而使得屏蔽效能相等，即SE1=SE2，完成這項工作的前提是需要進行大量的測試和試驗工作，從而推導計算出各種不同情況下縫隙或導電襯墊的等效電導率。

4 結語

電子設備的電磁兼容（EMC）設計是一個系統工程，為保證電子設備的EMC 性能，EMC 設計必須貫穿于產品的方案設計、電路詳細設計和結構詳細設計等產品設計的全過程。

目前對產品或系統電磁兼容性的設計還主要是依靠試驗測試的方法進行檢測和分析，試驗也是最為可靠的方法，但試驗的周期和成本成了產品電磁兼容設計的制約因素。隨著計算機技術及仿真分析技術的不斷進步和發展，利用仿真分析的方法對系統的電磁兼容性進行前期預測和設計優化改進成為了可能。