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抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究

發(fā)布時(shí)間:2017-04-14 來(lái)源:王?威,徐抒巖,楊?絮 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文詳細(xì)分析設(shè)備中存在的電磁干擾,首先采用盒狀設(shè)計(jì)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(zhǎng)的1/4,箱體的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)成波導(dǎo)管的形狀,對(duì)欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減。然后,通過(guò)軟件仿真得到箱體屏蔽效能曲線和數(shù)據(jù),根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后,對(duì)設(shè)備進(jìn)行EMI輻射測(cè)量,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值,驗(yàn)證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
 
0 引言
 
箱體屏蔽是抑制電磁干擾(EMI)的重要手段,主要針對(duì)輻射的電磁干擾進(jìn)行抑制。對(duì)于裝在箱體內(nèi)的電子學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要通風(fēng)散熱,要顯示電壓電流值、顯示運(yùn)行狀態(tài),那么通風(fēng)孔、安裝表計(jì)及外部連接器需要在鋼板上開(kāi)孔,箱體上留下縫隙,就會(huì)破壞完整的密封屏蔽,由此引起的屏蔽性能的下降。通過(guò)設(shè)備箱體的屏蔽設(shè)計(jì),提高設(shè)備的屏蔽性能,要求設(shè)備箱體抑制EMI能力達(dá)到GJB151A-97 RE102標(biāo)準(zhǔn)限值。
 
1 屏蔽技術(shù)分析
 
屏蔽是以某種導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧现瞥傻钠帘误w將敏感器件或區(qū)域封閉起來(lái),形成電磁隔離,達(dá)到阻斷或減少電磁能傳播的一種技術(shù),是抑制電磁干擾的措施之一。屏蔽抑制的是以場(chǎng)的形式沿空間傳播的干擾,它是一種雙向抑制的技術(shù),既可以限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏,又可以防止外部輻射干擾進(jìn)入。
 
電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為:
 
1)電場(chǎng)屏蔽,包含靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽;
 
2)磁場(chǎng)屏蔽,磁場(chǎng)屏蔽包含低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽;
 
3)電磁場(chǎng)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(lái)描述屏蔽體的好壞的指標(biāo)。它表現(xiàn)了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。由于屏蔽體通常能將電磁波的強(qiáng)度衰減到原來(lái)的1/100至1/10000,因此通常用分貝來(lái)表述抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究。
 
設(shè)備箱體的屏蔽效能計(jì)算示意圖如圖1所示。
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
1)設(shè)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(shè)備箱體內(nèi)發(fā)生反射,減小了電磁波的強(qiáng)度。反射后衰減的電磁波稱為反射損耗。
 
根據(jù)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
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
出于分析的角度,利用式(1)來(lái)計(jì)算位吸收損耗:
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
式中f為頻率(Hz),抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究為屏蔽體材料相對(duì)于銅的相對(duì)磁導(dǎo)率、抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究為屏蔽體材料相對(duì)于銅的相對(duì)電導(dǎo)率,抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究為常數(shù)抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究為常數(shù),l為壁厚(cm)。
 
1.2 箱體屏蔽材料的特性及其結(jié)構(gòu)選擇
 
由磁屏蔽理論可知,磁屏蔽是利用由高導(dǎo)磁材料制成的磁屏蔽體來(lái)構(gòu)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(lái)分流,達(dá)到屏蔽的目的。磁導(dǎo)率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據(jù)。
 
通常磁性材料分為:
 
1)弱磁性材料,包括順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì),其特點(diǎn)是相對(duì)磁導(dǎo)率產(chǎn)抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究=1,B與H是線性關(guān)系,抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究在任意頻率的環(huán)境中,始終保持常數(shù);
 
2)強(qiáng)磁性材料:鐵磁性物質(zhì),其特點(diǎn)是B與H為非線性關(guān)系,頻率增高,磁導(dǎo)率抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究降低。
 
屏蔽效能除了與屏蔽材料直接相關(guān)外,與屏蔽體結(jié)構(gòu)也相關(guān)。
 
電屏蔽結(jié)構(gòu),影響電屏蔽的一個(gè)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(shè)計(jì)成盒形,盒形結(jié)構(gòu)通常包括單層蓋結(jié)構(gòu)盒雙層蓋結(jié)構(gòu),根據(jù)要求屏蔽的程度不同來(lái)選擇。
 
磁屏蔽結(jié)構(gòu),磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)磁通進(jìn)行分流,因而大多采用盒狀、筒狀或柱狀的結(jié)構(gòu)。由于磁阻與磁路的橫截面積?和磁導(dǎo)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(shí),一般采用雙層屏蔽,此時(shí)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(jié)構(gòu),電磁屏蔽是利用屏蔽體對(duì)干擾電磁波的吸收、反射來(lái)達(dá)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(duì)屏蔽效果的影響
 
1.3.1 縫隙影響
 
如圖2所示,設(shè)在金屬屏蔽體中有一無(wú)限長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度為H0,泄漏到屏蔽體中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hp,當(dāng)趨膚深度d>0.3g?時(shí),可以得到抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究。由上式分析可以知道,當(dāng)縫隙較窄較深時(shí)(亦即t較大,g較小),磁場(chǎng)泄漏就小,反之就大。磁場(chǎng)通過(guò)這個(gè)縫隙的衰減為
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
(2)只是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化和抽象,縫隙所帶來(lái)的泄漏比較復(fù)雜,它與縫隙的寬度、板材的厚度,縫隙的數(shù)目以及波長(zhǎng)等都有密切關(guān)系。干擾的頻率越高,縫隙的泄漏越嚴(yán)重,特別是當(dāng)縫隙的直線尺寸接近波長(zhǎng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng),嚴(yán)重地破壞屏蔽體的屏蔽效果。
 
1.3.2 通孔影響
 
由于通風(fēng)及其安裝固定各種附件的需要,可能會(huì)在在屏蔽結(jié)構(gòu)上開(kāi)有圓形或矩形的孔洞,電磁波會(huì)通過(guò)這些孔洞產(chǎn)生泄漏。
 
設(shè)屏蔽板上有若干個(gè)孔洞,包括圓孔和方孔,孔的面積為S,屏蔽板面積為A,當(dāng)A遠(yuǎn)大于S的時(shí)候,亦即圓孔的直徑或方孔的邊長(zhǎng)比波長(zhǎng)小很多時(shí),通過(guò)孔洞泄漏的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp為
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
若屏蔽板上有n個(gè)孔,則總的泄漏磁場(chǎng)強(qiáng)度為
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
若孔為矩形,其短邊為a,長(zhǎng)邊為b,曲積為S'',設(shè)與矩形孔泄漏等效的圓孔面積為S,則:
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
結(jié)合上述幾個(gè)公式可得泄漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。
 
在實(shí)際情況下,金屬屏蔽板后側(cè)電磁波總的透射系數(shù)應(yīng)為金屬屏蔽板本身的透射系數(shù)TS與孔洞電磁波的透射系數(shù)之和,即
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
其中
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
因此總的屏蔽效能為
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
2 屏蔽體通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以使屏蔽體在開(kāi)了若干通風(fēng)孔以后,不但能保證良好的通風(fēng)散熱,而且能保證屏蔽效能不下降,其基本出發(fā)點(diǎn)在于,將每個(gè)通風(fēng)孔設(shè)計(jì)成對(duì)欲屏蔽的電磁波構(gòu)成衰減波導(dǎo)管的形狀抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究,如圖3所示。
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
2.1 箱體通風(fēng)窗的實(shí)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
通用通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)是直接在屏蔽體壁上開(kāi)孔,如圖4所示。每個(gè)通風(fēng)孔直徑為d,相鄰?fù)L(fēng)孔間矩為d,相鄰?fù)L(fēng)孔間矩為c,通風(fēng)孔形成的通風(fēng)窗口(孔陳列)的邊長(zhǎng)為l,屏蔽壁厚為t,則該窗口對(duì)磁場(chǎng)的總屏蔽效能為
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
2.2 箱體通風(fēng)窗的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
設(shè)備箱體的實(shí)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于電磁屏蔽存在兩個(gè)問(wèn)題:
 
1)實(shí)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)孔的孔徑。要求孔徑小于l/4;
 
2)如果在設(shè)備箱體上直接開(kāi)通風(fēng)孔,那么灰塵會(huì)通過(guò)通風(fēng)孔進(jìn)入箱體內(nèi),污染電子學(xué)系統(tǒng),甚至可能導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生。蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通風(fēng)窗可以避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。
 
綜合上述兩種原因,本設(shè)備箱體選擇蜂窩結(jié)構(gòu)的通風(fēng)窗設(shè)計(jì),達(dá)到良好的屏蔽效果。
 
2.3 箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
 
針為避免設(shè)備箱體內(nèi)的電子學(xué)系統(tǒng)的元器件工作時(shí)溫度高,必須在箱體采用蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通風(fēng)窗,為元器件進(jìn)行通風(fēng)散熱。根據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)的干擾電磁波波長(zhǎng),在箱壁處開(kāi)圓孔直徑為5mm,那么對(duì)波長(zhǎng)小于20mm的電磁波起到完全屏蔽。為了進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽效果,在箱體內(nèi)壁加一層孔徑為0.5mm的金屬網(wǎng),同時(shí)又能達(dá)到散熱的目的。把邊界設(shè)置為輻射邊界時(shí),加固箱體距輻射邊界的距離為求解頻率波長(zhǎng)的1/4。如圖5所示。仿真求解頻段為0.1 GHz~1GHz;求解步長(zhǎng)為0.02GHz;求解迭代步數(shù)為50次;求解精度為0.02。采用離散掃描。首先提取通風(fēng)板正前方8mm處的泄漏電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)值E1;去掉屏蔽殼體后再提取相應(yīng)點(diǎn)的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值E2;對(duì)比兩次場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果,得到箱體的屏蔽效能
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
圖6為仿真得到的屏蔽效能曲線。表1為屏蔽效能具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
3 EMI測(cè)量結(jié)果
 
3.1 測(cè)試框圖
 
測(cè)量來(lái)自設(shè)備及其有關(guān)電線、電纜的電場(chǎng)輻射發(fā)射,EMI測(cè)試框圖如圖7所示。
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
3.2 測(cè)試過(guò)程描述
 
試樣件放在屏蔽室內(nèi)的測(cè)試圓臺(tái)上(圓臺(tái)上覆有接地銅皮),在距試樣1m處,分別架設(shè)有源棒狀天線(10kHz~30MHz)、雙錐天線(30MHz~200MHz)、對(duì)數(shù)周期天線(200MHz~1GHz)和雙脊喇叭天線(1GHz~18GHz),在30MHz~18GHz測(cè)試頻段,進(jìn)行天線的水平極化和垂直極化方式測(cè)試。用ESI40接收機(jī)監(jiān)測(cè)試樣及有關(guān)電纜的電場(chǎng)輻射發(fā)射抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究。
 
3.3 測(cè)試曲線
 
本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院光電研究院EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,圖8是天線垂直極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲線(10kHz~1GHz),圖9是天線水平極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲線(10kHz~1GHz),圖10是天線水平極化狀態(tài)下的電場(chǎng)輻射發(fā)射曲?線(1GHz~18GHz)。
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究
 
3.4 測(cè)試結(jié)果
 
受試件10kHz~18GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試,未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值,該項(xiàng)測(cè)試通過(guò)。
 
4 結(jié)論
 
本文詳細(xì)分析設(shè)備的電磁干擾源、結(jié)構(gòu)的縫隙和通孔的影響,選擇合適的屏蔽材料,建立設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)模型,仿真實(shí)驗(yàn)得到了設(shè)備較好的屏蔽效能曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);并按GJB151A-97要求,對(duì)設(shè)備進(jìn)行EMI輻射測(cè)量,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)GJB151A-97 RE102限值,驗(yàn)證設(shè)備箱體的EMI屏蔽設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
 
參考文獻(xiàn):
 
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