機載電子設備結構設計中的電磁屏蔽設計

周海亮

（洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

對新研制的機載電子設備，應該在設計之初就考慮電磁兼容問題，進行電磁兼容設計。常用的有效方法有濾波技術、接地技術和屏蔽技術等。電磁場通過金屬材料隔離時，電磁場的強度明顯降低，這種現象就是金屬材料的屏蔽作用。機載電子設備的電磁屏蔽主要依靠結構設計實現，屏蔽方案一般有機殼屏蔽、單板屏蔽和單板局部屏蔽等，本文主要對機殼屏蔽設計進行討論。

2 結構設計中的電磁屏蔽

機載電子設備的電磁屏蔽主要依靠機殼屏蔽，機殼作為連續屏蔽體來提高設備的屏蔽效能。但是在機殼結構設計時，不可避免會存在縫隙和開孔等不連續屏蔽缺陷，針對該現象，下面對機載電子設備結構設計中縫隙和開孔的處理進行了闡述。

2.1 縫隙的屏蔽設計

實際上，屏蔽體上面不可避免地存在各種縫隙、開孔以及進出電纜等各種缺陷，這些缺陷將對屏蔽體的屏蔽效能有急劇的劣化作用。這些縫隙的屏蔽設計是屏蔽體屏蔽設計中最復雜，最關鍵的一部分。縫隙的屏蔽設計是體現設計人員水平的最關鍵的技術。

縫隙的屏蔽作用由兩部分組成：一是縫隙開口處的阻抗與空間阻抗不匹配，引起電磁波反射損耗；二是電磁波透入縫隙后，在內部傳輸時將產生傳輸損耗。

縫隙的傳輸損耗為：

式中：t 縫隙的深度，單位cm；

l 縫隙的長度，單位cm。

從上面的分析可以看出，縫隙的屏蔽效能除了與電磁波特性有關之外，主要與縫隙的深度t 和縫隙的長度l有關。增大縫隙的深度，減小縫隙的長度將增大縫隙的屏蔽效能。請注意縫隙的屏蔽效能與縫隙的寬度h 并沒有關系，因此縫隙的屏蔽效能取決于縫隙的最大尺寸，而不是其面積。

2.2 緊固點直接連接

緊固點直接連接的方案工藝簡單，成本低廉，一般是首選的方法，如圖1 所示。

圖1 緊固點直接連接

縫隙的屏蔽效能與電磁波的特性、材料的導磁率、導電率、縫隙的最大尺寸，縫隙的深度等因素有關。其中結構方案中最關注的就是縫隙的最大尺寸L 和縫隙的深度D，這兩點是決定縫隙屏蔽效能的主要因素。根據分析得結論，減小縫隙的最大尺寸，增加縫隙的深度有利于提高縫隙的屏蔽效能。另外，保證零件連接面良好的導電性是屏蔽的基本要求，尤其需要注意噴漆零件必須在連接面保證可靠的噴漆保護，哪怕是一點油漆也將急劇破壞縫隙的屏蔽效能。

為了減小縫隙的最大尺寸，最直接的方法就是減小緊固點的間距。在實際產品應用中這是非常常用的措施，往往許多產品由于考慮到屏蔽的需求增加了許多螺釘，這些很正常的現象。表1 為緊固點距離的推薦值。

表1 緊固點距離的推薦值

需要注意的是，縫隙的最大尺寸并不等于緊固點的間距。實際上，在緊固點之間材料還是存在很大的可能性會接觸在一起的。因此縫隙的最大尺寸除了與緊固點間距有密切的關系之外，還與縫隙具體的連接結構形式有關，提高縫隙零件表面精度和零件的剛性將有助于減小縫隙的最大尺寸。為了提高屏蔽性能，僅僅靠減小緊固點的間距是不可取的，應該綜合考慮采取更加合理的結構形式來減小縫隙的最大尺寸。

圖3 用了剛性較好的型材，故比圖2 的屏蔽性要好。

圖2 板材直接連接

圖3 采用型材的連接

2.3 縫隙中安裝屏蔽材料實現電連接

當縫隙的結構形式是活動縫隙或者不能使用太多的緊固點時，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。舉例：機殼的蓋板與箱體之間的連接，為了拆卸方便需要減少緊固件，不能完全采用緊固方式來屏蔽，這時必須采用屏蔽材料，利用屏蔽材料的彈性來保證電連續性。其實零件與屏蔽材料之間的接觸阻抗與零件本身的特性也有關系，但是前面連續屏蔽體的屏蔽分析中可以看出，金屬材料本身的屏蔽性能已經遠遠超過工程實際需要，因此我們可以忽略零件本身的特性對縫隙屏蔽效能的影響。總之，縫隙中安裝屏蔽材料后，其屏蔽效能主要由屏蔽材料本身的屏蔽特性、屏蔽材料與零件之間的接觸阻抗。

合理的結構形式有利于提高縫隙的屏蔽效能。屏蔽材料在縫隙中具體安裝形式主要有：卡裝、PSA 膠粘接、直接緊固（點焊、螺釘等）連接等形式。一般推薦使用卡裝或者直接緊固的方式。采用PSA 膠粘接時需要用導電膠粘接。另外，有部分屏蔽材料要求必須采用安裝槽的形式。保證屏蔽材料可靠的壓縮對于縫隙屏蔽設計至關重要，必須保證屏蔽材料的壓縮量在許可范圍之內，保證屏蔽材料與零件之間可靠接觸，同時也注意不能過度壓縮。在確定縫隙的屏蔽設計方案時，并不能簡單地將設計的縫隙認為就是屏蔽材料的壓縮量。由于屏蔽材料本身的彈性，決定了零件上面有較大的彈性力。所以，屏蔽材料壓縮后的高度應該是縫隙的高度加上零件的彈性變形量。確定縫隙的結構形式時應預先根據屏蔽材料的彈性系數估計零件的變形量，合理選擇縫隙的高度，保證屏蔽材料的壓縮量在規定的范圍之內。如果零件的彈性變形超過了規定的范圍，應該采取措施增加零件的剛性或者增加緊固點的數量。

對于發熱量較大的設備，單純靠傳導散熱不能滿足要求時，需要在設備上開通風孔進行散熱。通風孔上面的電磁泄漏，可能導致屏蔽體整體屏蔽效能的降低。通風孔的屏蔽效能與場源的特性、離源的距離、頻率、開孔的最大尺寸以及開孔的面積等諸多因素相關。

金屬絲網孔隙率大，十分適合于散熱要求高的場合。金屬絲網的屏蔽效能難以做得很高，一般不高于20dB/1GHz，與穿孔金屬板的屏效能相當。不過，金屬絲網需要專門的安裝框，并需要采取必要的措施保證安裝縫隙的屏蔽。因此金屬絲網反而會導致結構更加復雜。綜合考慮起來，一般盡可能推薦使用穿孔金屬板，不主張使用金屬絲網。

這種通風孔一般是用模具直接成型的，加工成本十分低。穿孔金屬板開孔的最大尺寸對屏蔽效能影響最大，其次是孔深，影響最小的是孔間距。開孔的最大尺寸越小，孔深越大，孔間距越大，金屬板的屏蔽效能越高。由于穿孔金屬板的屏蔽效能與開孔的最大尺寸有關，而不是孔的面積。因此在保證足夠的通風面積的前提下，推薦開孔為圓孔和六角形孔，其次是方孔。一般不要開腰形孔甚至細長孔。孔的最大尺寸推薦為4 -8mm，具體與屏蔽效能指標有關。由于穿孔金屬板的屏蔽效能與孔的最大尺寸、孔深的關系最大，因此一般盡可能開小孔，開十分密，保證足夠的屏蔽效能的同時，也保證有足夠的孔隙率。由于板厚的增加有利于提高屏蔽效能，一般建議盡可能選取厚一點的通風板。

3 結論

為了保證機載電子設備的電磁兼容性，在結構設計時需考慮結構部分對設備的電磁屏蔽。影響其屏蔽效能的主要因素就是縫隙和開孔，在結構設計時應綜合各方面因素，按照設備的性能需求確定縫隙和開孔的設計方案。機載電子設備的電磁屏蔽設計是一門實踐性十分強的科學，除了理論分析指導，還應該更加關注實際運用中的效果，在實踐中不斷總結，積累設計經驗。