數字光端機的電磁兼容性加固

葛宏宇

【摘要】 隨著數字光端機在生產生活中廣泛的應用，為保證設備的性能和傳輸質量，系統間各設備的電磁兼容問題越來越受到重視，文章從數字光端機結構設計的電磁兼容性方面，論述了諸多在電子設備加固設計中需注意的問題和解決方案，并提供了實際試驗的相關測試數據。

【關鍵詞】 電磁兼容 屏蔽 濾波 接地

引言：

隨著電子技術的迅猛發展，電磁干擾問題已成為電子設備或系統中的一個嚴重問題，軍用、民用產品在批產定型前都必須要經過權威機構認證的電磁兼容試驗。某工程車載數字光端機就是要求依據GJB152A-97和GJB151A-97的標準來完成電磁兼容性測試，并且在測試時設備確保不因電磁兼容性問題引起數據丟失、誤碼、故障或性能降低，測試項目有CE102、RE102等8項。數字光端機原型機為6U商用機，原來的設計不滿足電磁兼容性要求，必須進行加固設計。電磁兼容加固主要從設備內部的整體布局、機箱外殼設計、線纜的濾波以及接地設計等方面。

一、EMC問題來源

電子設備工作時會伴隨著連續性或間歇性電流電壓變化，就會導致在一個頻帶間或不同頻率內產生電磁能量，這種能量會通過相應的電路發射到周圍的環境里。電磁輻射源通常有兩種等效天線模型，它們分別是環路輻射等效天線模型，該模型是通過流動的電流信號在環路電路中產生的。另一種是對稱偶極子天線或單極天線等效天線模型。大量數據證明，等效的偶極子天線模型或單極天線是產品的輻射發射問題的主要來源。

除電磁干擾源外，引起EMC問題還有耦合途徑和敏感設備。通過機箱屏蔽、濾波、接地等手段，減弱或消除其中一個途徑，就能大大提高設備的電磁兼容性。

二、機箱設計

機箱的導電完整性相當于一道電磁屏蔽，能夠有效降低外部空間和設備的電磁輻射能量，提高整機電磁兼容性。

2.1殼體與前、后面板設計

原有商用數字光端機由殼體、蓋板及前、后面板組成，各零件選用鋁板3A21材質，經數控折彎、焊接等工藝加工而成。現更改機箱結構設計及材料如下：機箱結構改為封閉式六面拼板結構，各零件選用鋁合金板5A06材質，經數控加工而成，各零件接觸面做導電氧化處理，并加裝電磁密封橡膠條及合理的螺釘安裝密度，使機箱成為一個完整的導電體。

面板器件及屏蔽設計：前面板保留32個指示燈和1個電源開關，增加了2個保險座和1個計時器，設計金屬屏蔽罩，以隔離倉的形式將設備中主電路與操作器件隔離開，對前面板進行屏蔽；設計截止波導管為屏蔽罩出線。后面板電源連接器選用泰興航聯的圓形Y50DX系列電連接器，其余連接器選用圓形Y50EX系列電連接器。連接器與前后面板接觸區域均做導電保護，并為每個零件設計電磁密封墊片，保證單個器件屏蔽性能完好。

2.2機箱孔縫的設計與優化

屏蔽機箱各零部件之間相互搭接，搭接表面因為加工精度等問題存在縫隙，縫隙降低設備屏蔽效能主要原因之一。機箱的吸收損耗和反射損耗決定著屏蔽效能，孔縫對反射損耗不影響，但會降低吸收損耗。在屏蔽體中孔縫和電磁場引起的渦流方向垂直時，孔縫等效成一個二次發射的天線。根據天線理論，縫隙長度等于輻射源半波長整數倍時發射能量最大，泄漏最厲害。

通過下式計算可得出縫隙的屏蔽效能：

SE=27.3t/g+20lg（1+N）2/4N ………（1）

公式中SE代表屏蔽效能，g為長邊尺寸，t為縫隙深度，N為空間入射波與分析開口處波阻抗的波阻抗比值。從而得出減小縫隙長度和增加孔縫深度可提高屏蔽效能。加固機箱時，采用內部肋板結構，通過在機箱殼體各端面交錯搭接，等效延長縫隙的深度。

減小螺釘間距是提高屏蔽效能的又一措施。螺釘間距和屏蔽效能成反比關系，可以通過機箱尺寸軟件仿真的仿真結果最終確定最合理的間距尺寸。

優化縫隙，提高屏效也可以通過增加導電襯墊來實現。導電襯墊要求具有較高的電導率，保證射頻阻抗在接縫處極小，加固設計中選用了中石共擠出導電橡膠條（11-231-138-0000）。

三、濾波設計

3.1輸出、輸入信號線濾波設計

設備信號線濾波有兩種方式，一是選用具有濾波功能的電連接器，安裝時機箱面板與電連接器間加電磁密封襯墊。這種設計提高電磁屏蔽性能，但價格較貴。二是用鎳鋅磁環串過輸出、輸入信號線與電連接器連接。

數字光端機后面板的Y50DX-1203ZJ14、Y50EX-1210ZK14插座和DB9插座等都采用方案二完成濾波設計。

3.2電源線濾波設計

電磁干擾傳出設備和傳入設備主要通過電源線來完成的。為防止干擾的發生，安裝一個低通濾波器在設備的電源插座處，濾波器只允許設備工作頻率通過，對于非工作頻率的較高頻率干擾有很大的損耗。

四、接地設計

電纜屏蔽層接地：電纜傳輸信號工作時等效為單極天線，電纜屏蔽層要求接地良好，否則高頻諧波會在屏蔽層進行耦合，形成共模輻射。根據集膚效應，應采用兩點或多點接地來應對高頻段信號的傳輸，保證最低的地電位在屏蔽層外表面。

濾波器接地：電源線和信號線到地的旁路電容包含于濾波器中，如果濾波器接地不好，電容很可能是懸浮狀態，不能起到旁路作用，建議直接通過濾波器外殼和地之間大面積搭接來實現金屬外殼濾波器的接地。

PCB板接地：PCB電路板接地可有效降低環路輻射效應。另外可用多點接地方式，將電流旁路連接到大地，從而降低PCB的電源系統中的地阻抗。

五、電磁兼容實際測試情況

綜上所述，對現有商用數字光端機進行電磁兼容設計加固，機箱尺寸：482.6mm×265.7mm×432mm，采用全鋁銑制加工。試驗前進行了摸底，受試設備在50MHz～70MHz的測量值距離限值較近。經分析，將電源線列入整改項，在電源線外部加裝銅編織袋，間隔0.5m的位置處進行多點接地，對電源濾波器殼體的接地和輸入端線纜進行改進。

最終在武漢某信息安全設備測評認證中心完成了GJB152A/GJB151A八項測試時，獲得了一次性通過的好成績（見圖1）。本次測試能夠順利通過與結構上合理的電磁兼容設計及后期各種優化加固的屏蔽措施是密不可分的。

參 考 文 獻

[1] 張明.電子設備結構的電磁兼容性設計策略[J].電子機械工程，2006.

[2] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析[M].北京：電子工業出版社.

[3] 張潔.加固機的電磁兼容性設計[J].太原重型機械學院學報，2003.