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电磁屏蔽在电子产品结构设计中的应用
模块化设计的优点刘晓娟|太原航空仪表有限公司
摘要：本文从电子产品结构设计角度出发，通过对干扰源及电磁屏蔽问题进行具体分析，采取恰当的电磁屏蔽方式，最大限度地抑制了干扰，从而大大提高了电子产品运行的可靠性，为电子产品的电磁兼容性设计提供重要依据。
关键词：电磁兼容；电磁干扰；电磁屏蔽；结构设计
1电磁兼容性设计
1.1电磁兼容性概念
电磁兼容性指的是设备或系统在其电磁环境中，按设计要求能够正常工作的能力。主要包括两个方面：设备或系统的抗干扰能力足以使本身不受其他干扰的影响；设备或系统不会产生使处在同一电磁环境中的其他设备或系统不可接受的电磁干扰。
1.2电磁干扰方式
电子产品结构设计中常见的电磁干扰方式有以下3种：
（1）传导干扰。指通过电源、电缆、布线系统、接地系统引起的串扰；
（2）辐射干扰。指在高频情况下，电磁能量比较容易产生辐射，通常，频率在M Ｈz 以上，辐射就较为明显，当导线长度超过四分之一波长时，辐射功率将很大。
（3）感应及耦合引起的干扰。2结构中的电磁屏蔽设计
2.1产品外壳零件的结构设计
现阶段我公司液晶显示器均使用铝合金材料做成屏蔽壳体。在设计屏蔽结构件时必须注意电磁的连续性，避免孔缝的泄漏。产品外壳零件的基本设计方法有以下两种：
（1）按照常规产品设计方法，即外壳零件为实体，外壳零件材料为铝合金，厚度基本为2mm-3mm，其临界频率约为141 Hz -63Hz，当入射波频率远远大于此数值如超过1MHz 时，其屏蔽效能远小于60。由公式2、公式3可知，当外壳厚度为2mm，频率为1MHz，波长为300m 时，近场屏蔽效果为57dB，近电场屏蔽效果为334.4 dB；当频率为10GHz，波长为0.3m 时，远场屏蔽效果为150 dB。因此，这类零件的设计对高频电磁波的屏蔽没有明显的效果。为了进一步提高屏蔽效能，增加外壳安装螺钉的数量，使缝隙的长度减小，降低产品的天线效应。但由于安装螺钉的数量并不能无限增加，这就使得屏蔽效能有很大的局限性。
（2）产品的外壳零件选用一组不加屏蔽或几组均匀间隔且不加屏蔽的小孔，其最大尺
寸远小于信号波长，以大大减小外壳零件的厚度，能有效防止电磁射频泄漏。这种结构的零件在俄制产品中经常使用，不仅防止了电磁泄漏，还有效地降低了产品的重量，如零件厚度仅为0.8mm，其孔径最大尺寸仅为3mm，小于10GHz 时的波长0.3m，可见此时依然能有效防止电磁射频泄漏。
今后的设计中可有目的的参考俄制产品的零件加工方式，兼容上述第二种方法，并兼顾到产品三防性能，对产品内部零件及电路板的表面处理进行改进。
2.2整机的接地
整机接地方式也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一。由于其功能不同，故电路差别甚大，接地状况也不大相同。一般常用的方法是：将模拟电路、数字电路、机壳分开，各自独立接地，避免相互间的干扰，最后三地合一接入大地，这种方式较好地抑制了电磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。
所有外壳零件与螺纹紧固件、铆钉、内部电路板接地处均为完全导通，将整个外壳形成一个封闭的环路，以保证产品能有效接通壳体地。在以前的设计中，曾有过因外壳零件表面处理为不导电处理，在后期电磁兼容试验中出现问题，将螺纹连接处和铆接处导通后，问题得到解决。
2.3模块化设计
采用模块化设计，将产品分为几个单独的功能模块，中间实现物理隔开，所有数据均通过外部电缆传输。模块化设计的优点有很多，从电磁兼容角度来说，首先，在满足实现产品功能的情况下，将干扰源与敏感电路分开，降低组件内部的干扰；其次，由于每个模块都进行了单独的屏蔽，组合的整体则具有了多重屏蔽，可以有效的减少电磁干扰的耦合途径。
外部壳体间嵌入式连接，模块间采用卡槽连接，这样设计使内外部之间的接缝呈阶梯开关。由于电磁波遇到障碍后，会产生反射和折射，所以这里的阶梯状缝隙使电磁波发生多次反射和折射，当电磁波因反射与折射穿透第一个接触面后，能量已大为减弱，再通过第二个和第三个面的过滤，即使有泄漏，也已经是能量很小的电磁波了。
2.4局部屏蔽加固
产品外壳上有很多导电不连续点，最主要的一类是外壳不同零件结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏，如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。解决这
种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料，消除不导电点。这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波，取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时，并不会产生明显的泄漏。为进一步减小电磁干扰的危害，在壳体周围采取局部屏蔽加固措施。
除外壳零件连接的缝隙外，还需要考虑接插件连接处缝隙的设计，这也是电磁干扰的一个主要通道。同样的，对于接插件连接处的缝隙也可以用电磁密封衬垫将电磁泄漏抑制。
在我们实际应用中，常常是选择在屏蔽加固处的接缝处加入导电橡胶条（板），使孔洞和缝隙远小于波长，以减少电磁泄漏。导电通常是用硅橡胶作为基材，中间填充的导电颗粒有纯银、铜镀银、铝镀银等。产品采用铝镀银的导电橡胶，因为这种材料能达到很高的导电性能，提供较好的屏蔽效果，在高频阶段，衰减最大，并且它的弹性高，不透气、不透水，能提供较好的水汽密封，同时其化学腐蚀最小。
导电橡胶条（板）安装时，应注意控制其压缩量：压缩量＜10%时，电磁波很容易穿透，屏蔽效果较差；压缩量为20~30%时，由于弹性变形，橡胶紧贴装配面，电磁波穿透损耗很大，从而形成屏蔽；压缩量＞30%时，此时屏蔽质量改变不大，反而会由于疲劳破坏而加速橡胶损坏，以至于影响屏蔽效果。因此，设计时，压缩量取20-30%为宜。在实际加工中，φ1.02mm 的导电橡胶条开槽尺寸为0.8×0.8mm，φ1.57mm 的导电橡胶条开槽尺寸为1.5×1.2mm，能较好地保证导电橡胶条的压缩量及工作性能。
综上所述，在结构设计中局部屏蔽加固（即在外壳零件接缝处增加导电橡胶条）是最简单易行的一种电磁兼容设计方法。某型备份仪表按照上述方法对外壳零件的接缝处均增加了导电橡胶槽，安装了导电橡胶条；在接插件接缝处均增加了导电橡胶板。在电磁兼容试验中，有针对性的对所有接缝处进行检测，均未发现有超量的电磁泄漏。局部屏蔽加固的效能得到了充分的证明。
参考文献
[1]焦重庆，牛帅.开孔矩形腔体的近场电磁屏蔽效能研究[J].物理学报,2013(11):234-242.

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