电磁屏蔽技术在产品结构设计中的应用研究

摘要：首先介绍了电磁屏蔽技术的应用领域及作用，其次对产品结构设计中常用的电磁屏蔽方法进行了分析，并对铝制机箱产品进行了屏蔽试验，验证了电磁屏蔽技术的应用效果。

关键词：结构设计;电磁屏蔽技术;电磁兼容

0 引言

电磁干扰主要是指在设备工作环境中，设备相互之间产生的电磁波干扰以及设备内部产生的电磁波干扰。电磁屏蔽就是利用屏蔽体对电磁波产生衰减的作用，将电磁干扰能量限制在一定范围内，用屏蔽效能值来衡量其限制干扰能力的大小。一般民用产品机箱的屏蔽效能要求在40 dB以下，军用设备机箱一般要求达到60 dB的屏蔽效能。

1 产品结构设计中的电磁屏蔽技术应用

1.1    屏蔽机柜设计

机柜主要作为标准上架和非标准上架设备的安装载体，对内部所承载上架的设备单元进行防护。电磁屏蔽机柜针对电磁干扰环境，在机柜结构设计过程中采用了屏蔽技术，实现机柜对电磁波的整体屏蔽，进而配合整机设备的电磁兼容性。电子设备结构中常见的电磁干扰方式主要有传导干扰和辐射干扰两种，机柜屏蔽设计主要考虑机柜壳体的屏蔽及上架单元与机柜间的屏蔽，以实现机柜之间的电导通及导通连续性。将经过导通处理的机柜壳体接地，以实现机柜静电屏蔽。

封闭式屏蔽机柜如图1所示，标准上架式屏蔽机柜如图2所示。封闭式屏蔽机柜通过对整体机柜利用厚铝板进行六面搭接，实现机柜的整体密封，同时留出内外电气连通接口，在对连通接口及其接口件进行屏蔽處理后，实现整体设备的电磁屏蔽。标准上架式屏蔽机柜首先实现框架及其上下、左右安装配板之间的电导通及其连续性，再与前后上架安装单元形成导通，最终实现对整机设备的电磁屏蔽。

1.2    屏蔽机箱设计

常用设备机箱形式与机柜产品一样，主要作为标准上架和非标准上架设备的安装载体，其电磁屏蔽主要考虑机箱壳体的屏蔽及上架单元与机箱间的屏蔽。非标准上架式设备机箱，可采用金属板（常用铝板）通过机械加工或者折弯的方式成型，通过表面处理对整机机箱完成导通连续性处理，可以达到40～60 dB的屏蔽效果;也可采用复合材料，常用的如碳纤维、玻璃纤维等加工机箱壳体。碳纤维具有良好的电导通性，利用其制作的机箱可以达到35 dB的屏蔽效果。而玻璃纤维成型机箱的电导通及导通连续性是通过在箱体纤维布层间增加铜网以实现机箱对电磁的屏蔽。

密闭式屏蔽机箱如图3所示，这种材质的全封闭式机箱，均通过保证外壳的导通连续性以及外部接口的屏蔽、滤波处理来实现整台设备的电磁屏蔽。其中，滤波处理主要是针对进入设备内部的外部电源以及内外联结的电信号加装滤波器，进行电源及信号的滤波。

2 屏蔽效能分析

电磁屏蔽技术在箱柜产品结构中的应用，主要考虑对结构缝隙的屏蔽处理和对壳体的屏蔽处理。因此，此类屏蔽技术的屏蔽效能主要取决于结构缝隙屏蔽材料的选择和对产品壳体的屏蔽处理方式。

2.1    结构缝隙屏蔽材料及效能

针对结构缝隙、孔洞的屏蔽处理，主要采用导电橡胶、导电布等屏蔽材料。常用的屏蔽材料及效能如表1所示。

2.2    壳体屏蔽方法及效能分析

2.2.1    壳体屏蔽方法

常用设备机箱作为标准上架设备的安装载体时，其电磁屏蔽处理方法仍是将机箱壳体进行整体导通性处理，从而实现除前后安装的上架设备以外的机箱的电导通连续性。其中，机箱可由金属或非金属材质制作成型，金属机箱可直接通过表面处理实现导通性处理。非金属机箱有玻璃钢和碳纤维两种，碳纤维作为导电体，具有一定的电导通性。玻璃钢机箱为非导体，需要对机箱箱体进行导电处理，并保证其电导通的连续性。常用的非导体电导通处理方法如表2所示。

由表1可知，玻璃钢箱体的电导通处理方法是在箱体壁内部加装金属铜网，实现其金属化处理，以保证机箱箱体的电导通及导通连续性。

2.2.2    屏蔽效能计算分析

屏蔽效能是衡量电磁波经过屏蔽物时能量被衰减多少的量。本文以经过屏蔽处理后的箱柜壳体屏蔽效能进行分析计算，并以效能能量场原理来阐述屏蔽效能，对于传输电磁波而言，屏蔽效能可以用传输线方程来分析，将平面波考虑为信号源，从前面入射到无限大平面薄板上。

屏蔽效能一般与频率、屏蔽物的形状与材料、屏蔽中测量的位置、电磁波种类、电磁波的入射及极化方向等有关。

电场的屏蔽效能计算公式：

磁场的屏蔽效能计算公式：

式中：S为屏蔽性能;E0、H0为电磁波入射的电场、磁场强度;E1、H1为经过屏蔽物后的电场、磁场强度。

此外，当电磁波穿过任何金属物时，通常有两种类型的损耗：吸收损耗和反射损耗。

因此，屏蔽效能计算公式又可写成：

式中：A为吸收损耗;R为反射损耗;B为正或负的修正项。当A大于15 dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波引起的。

式（3）中的各项可以视为相对于铜材料的电导率σ和磁导率μ、频率f以及所存在的各种物理参数的函数。表3为常用屏蔽材料的电特性参数。

2.2.3    吸收损耗

吸收损耗A不仅取决于σ、μ、f，还取决于屏蔽材料的厚度d（cm）。

以机箱采用2 mm厚铝板加工为例，其吸收损耗为：

本文最终要符合3个频段的实验要求，为了验证所选材料在各频段的屏蔽效能是否达到要求，可以将各频段两端极限值最为验证点，分别取f=25 Hz、10 kHz、100 kHz。因此，可得吸收损耗A=1.023 dB、20.46 dB、64.7 dB。

2.2.4    反射损耗

屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特性（电导率、磁导率）有关，还取决于干扰源的电磁性能和屏蔽体到干扰源之间的距离r（cm）。

低阻抗磁场源（如距离≤λ/2π的环）的反射损耗为：

高阻抗电场源（如距离≤λ/2π的棒）的反射损耗为：

平面波（如距离≥λ/2π的棒或环）的反射损耗为：

如果λ/2π=2.65 cm≤r，那么平面波的反射损耗R分别为：151.8 dB、125.8 dB、115.8 dB。

2.2.5    内部修正

如果A≥15 dB，修正项B可以忽略不计。如果A<15 dB，则必须对因屏蔽材料内部多次反射而造成的影响进行修正。这个修正项B是复杂的，取决于材料、尺寸和频率参数大小。通常A=1.23 dB<15 dB，此时：

从总的屏蔽效能S=A+R+B可以得知，无论B取多大值，所选材料的吸收损耗和反射损耗之和都已经大于屏蔽效能40 dB，对可以达到99%的抗干扰衰减量，满足GJB 151A—97对设备RE102项传导发射的屏蔽要求。

3 试验验证

本文对铝制机箱产品进行GJB 151A—97中RE102项屏蔽试验，屏蔽效果如图4所示。

由图4可知，对以机箱为载体的设备进行10 kHz～10 MHz扫频时，在10～500 kHz频段可以达到70～100 dB的屏效效能;在500 kHz～10 MHz頻段范围内，屏蔽效能也可达到40 dB;只有在5 MHz频段附近出现凸点，但不影响设备的屏蔽效果。

4 结语

电磁屏蔽技术在产品结构设计中的应用，需要根据整机设备的电磁兼容要求，进行结构部分的屏蔽设计目标分解，通常结构部分是以屏蔽效能来衡量屏蔽设计效果。军用设备的电磁兼容性要求，根据应用场所不同，需要满足的项目指标不同。此外，电磁屏蔽技术在产品结构设计中的应用，还要考虑外部电气接口屏蔽及电磁兼容的配合设计要求。

[参考文献]

[1]军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求：GJB 151A—97[S].

收稿日期：2020-07-29

作者简介：韩艳霞（1981—），女，河南滑县人，工程师，研究方向：机械设计。