第三層 結構 / 屏蔽設計

產品電磁兼容設計應做到標本兼治。產品與外界的連接界面，如圖4所示。包括機殼端口，電源線端口，地線端口，信號線端口和控制線端口等。需要做好結構/屏蔽設計，濾波設計和瞬態騷擾抑制設計等。

圖4產品與外界的連接界面

什么是結構？結構即材料、形狀、連接、布局的總和。

對單一零件來說，結構即零件的材料和形狀。材料包含零件的內在結構；形狀體現零件外在特征。

對兩個和兩個以上零件來說，還包括他們間的連接方式，“連接”即零件間的裝配方法。

對整機來說，還要考慮零部件的布局。

結構設計通過設想和計算，用工程圖紙或參數化電子文檔表達出來，提交制造，實現產品生產。包括整機造型、布局、零部件連接、材料和標準件及通用件選擇等。

電子產品結構與純機械結構的不同之處在于還要考慮結構的電磁兼容性。

屏蔽技術用來抑制10kHz以上電磁騷擾沿空間的傳播，即切斷輻射騷擾的耦合途徑。

一．屏蔽效能的概念

用于電磁兼容目的的屏蔽體，通常能將電磁騷擾的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一以上。為了方便起見，屏蔽體的性能以屏蔽效能SE或SH（dB）表示。定義為：SE=20lg（E1/E2）（dB）

SH=20lg（H1/H2）（dB）

式中，E1、H1分別為未屏蔽時測得的電場強度和磁場強度， E2、H2分別為屏蔽后測得的電場強度和磁場強度。

屏蔽體的總體屏蔽效能是由屏蔽體中最薄弱的環節決定的。要使屏蔽體的屏蔽效能達到某一個值，屏蔽體上所有部位都要達到這個值，即各部位屏蔽效能的匹配是十分重要的。

屏蔽體中最薄弱的環節是各種縫隙和孔洞。

實現屏蔽，首先要做好“電磁兼容分層與綜合設計法”的第一和第二層，將電磁發射降至最低，將抗擾能力提至最高。然后利用殼體切斷EMI輻射。

但是，用這個定義只能測試屏蔽體的屏蔽效能，而無法確定應該使用什么材料制造屏蔽體。要確定應該使用什么材料制造屏蔽體，需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么參數有關。

1 實心材料屏蔽效能的計算

實心屏蔽把屏蔽體看成一個結構上完整、電氣上連續均勻的無限大平板或全封閉殼體，上面不存在任何孔洞、縫隙等電氣不連續點。實心屏蔽理論反映了屏蔽材料在“實心”條件下所能達到的“理想屏蔽效能”，僅對屏蔽材料的研發和選用起指導作用。實心材料屏蔽效能的計算如圖5所示。

電磁波入射到無限大的平板型屏蔽體時，一部分能量被反射，稱反射損耗，記為R1；透射波在金屬板內傳播時被衰減，稱吸收損耗，記為A.電磁波到達屏蔽體另一側時，又被反射記為R2，僅有小部分能量透射進入被屏蔽空間。被反射的能量又被衰減和反射，循環往復，直至能量全部被衰減和透射。這種多次反射的現象，稱多次反射修正系數，記為B，量值小于1.

采用銀、銅、鋁、鎳等良導體制作的接地屏蔽體，可對電場和高頻磁場進行屏蔽;當厚度小、頻率低時，鋼的屏蔽效能比銅低；當厚度大、頻率高時，鋼的屏蔽效能比銅高；當厚度在0.67mm以上，鋼的屏蔽效能比銅高。對于近場電場屏蔽，則以銅為宜。

對于f《100kHz的低頻磁場，則用高導磁材料進行屏蔽，如工業純鐵，鐵硅合金（硅鋼，電工鋼等），鐵鎳軟磁合金，坡莫合金（79℅鎳，21℅鐵），非晶態軟磁合金材料（具有高強度，高硬度，高延展性，耐腐蝕性），μ金屬，鐵氧體材料等。

圖5 實心材料屏蔽效能的計算

2. 屏蔽方案的級別：級別越低，越容易實現高屏蔽效能。

單板屏蔽及單板局部屏蔽：約20dB/1GHz

模塊屏蔽：將輻射騷擾大或抗騷擾能力差的模塊，單獨安裝在屏蔽盒中。不但容易實現，成本低，而且可以減弱模塊之間的相互騷擾，實現產品內部模塊之間的電磁兼容。約20dB/1GHz

插箱、子架屏蔽：約20dB/1GHz

機柜屏蔽：約15dB/1GHz

圖6為拼裝機柜的屏蔽效能，30-230MHz：20dB；230-1000MHz：10dB

圖6 拼裝機柜的屏蔽效能

二．實際屏蔽體的問題

實際屏蔽體上有許多電磁泄漏源，例如：不同部分結合處的縫隙、通風口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等，如圖7所示。

圖7 實際屏蔽體上的電磁泄漏源

1 縫隙屏蔽：

當縫隙的長度接近波長的一半時，電磁波就會泄漏出去。這種類型的電磁泄漏源就是狹縫天線。縫隙尺寸接近半波長的整數倍時，電磁泄漏最大。所以，高頻時特別應做好孔縫屏蔽，要求縫長或孔徑小于l/100。整個接合處必須維持電氣連續性，以避免狹縫天線的形成。最少要在每l/6 之處有配接表面間的電接觸－緊固點直接連接（包括螺釘?鉚釘點焊?鎖扣等）。永久性接縫，采用焊接工藝。非永久性配合面形成的接縫采用導電襯墊。均可達20dB/1GHz。

屏蔽體的導電連續性，是影響屏蔽效能最主要的因素。

2 通風孔的處理

目的是處理屏蔽和散熱之間的矛盾。

波導是管狀金屬結構，呈高通濾波器特性， 頻率高的電磁波能通過波導管，頻率低的電磁波則損耗很大。工作在截止區的波導管稱為截止波導管，可使騷擾頻率落在截止區內而被抑制。這種裝置稱為截止波導通風窗，如圖8所示，用于對屏蔽效能要求高的機柜。

圖8 截止波導通風窗

截止波導通風窗可抑制低于10GHz的騷擾，屏效達50-80dB/1GHz.但成本高，鋁制波導粘貼而成，須經導電氧化，鍍錫，鍍鎳等導電處理，價格為1000元/m2以上。鋼制波導用釬焊方式制成，價格昂貴，不推薦使用。

屏蔽效能要求不高的機柜，可采用金屬孔板，如圖9所示。只適用于騷擾頻率低于50MHz時，屏效為30-50dB/1GHz。材料為鋼板或鋁板。

圖9 金屬孔板

3 顯示器：采用金屬鍍膜導電玻璃

金屬鍍膜玻璃是采用真空濺射等工藝在普通或鋼化玻璃表面形成致密導電膜而制成的，具有屏蔽效能高、透光率高、無光學畸變、環境適應性強等優點。

4 電纜或導線穿越屏蔽體

濾波器連接器用于多根導線或電纜穿越屏蔽體。穿心電容、饋通濾波器用于單根導線或電纜穿越屏蔽體。

5 接續設計

屏蔽層的正確接法應采用壓接端子并360度搭接，構成啞鈴形結構，成為屏蔽機殼的延伸。

第四層 濾波設計

傳導騷擾可以通過電源線、信號線、互連線等導線，以及屏蔽體、接地導體等導體進行傳播。解決傳導耦合的辦法是在騷擾進入敏感電路之前用濾波方法從導線或導體上除去騷擾。

電磁騷擾濾波器，即EMI濾波器，是抑制傳導騷擾最有效的手段。它包括信號線濾波器和電源線濾波器。信號線濾波器允許有用信號無衰減通過，同時大大衰減雜波騷擾信號。電源線濾波器又稱電網濾波器，它以較小的衰減把直流、50Hz、400Hz電源功率傳輸到設備上，卻大大衰減經電源傳入的EMI信號，保護設備免受其害。同時，它又能抑制設備本身產生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環境，危害其它設備。

EMI濾波器，通常是集總參數的、無源的低通濾波器。但EMI濾波器不同于一般低通濾波器，EMI濾波器更關心插入損耗、能量衰減、截止頻率等特性。

一 影響濾波器性能的關鍵特性

1.影響濾波器性能的關鍵特性之一：阻抗特性

無源濾波器由抑制元件組成，其抑制特性不僅取決于元件參數，而且還取決于端接阻抗。如圖10所示。

圖10 源/負載阻抗與濾波器網絡結構的選擇

例如，為防止電源系統的不穩定性，濾波器的輸出阻抗必須小于開關電源開環輸入阻抗。濾波器的輸入阻抗應與電網輸出阻抗相差較大。其目的是為了盡可能使之失配，以獲得盡可能大的插入損耗。

2．影響濾波器性能的關鍵特性之二：頻率特性

EMI濾波器的抑制噪聲能力的評定指標：插入損耗 IL（InserTIon Loss）。插入損耗的定義如圖11所示。

圖11 插入損耗的定義

共模和差模插入損耗是在50~75W間的某一阻值的系統內進行測量的，是最優化和誤導，100/0.1Ω或0.1/100Ω系統才能真實地預估實際應用時的性能。

3.影響濾波器性能的關鍵特性之三：電源線濾波器的安裝

電源線濾波器安裝時，容易出現的問題包括，濾波器輸入線過長、輸入輸出發生耦合、接地不良等。針對這些問題，電源線濾波器的正確安裝應當如圖12所示。

圖12 電源線濾波器的正確安裝