机柜通风孔的电磁屏蔽设计.doc

机柜通风孔的电磁屏蔽设计
1 、 EMC 定义
各权威机构或专家对电磁兼容都有自己的见解，互相略有不同。通俗的说电磁兼容（ EMC）是设备或分系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
解决电磁兼容应当站在系统的角度，全面地看待问题。电磁兼容涉及电路设计、 PCB布线、电缆设计、系统布局 、结构设计等多方面问题，甚至与软件设计都有关系。
2 、解决 EMC 问题的手段
当设备中“电磁干扰源—耦合途径—敏感部件”三要素同时存在时，才会出现 EMI问题。
EMC设计就是针对三要素中的一个或几个，采用某些技术措施，限制或消除其影响，从而得到兼容性好、成本和重量可接受的设计。
从理论上讲，单板是所有EMI问题的源头，即“电磁干扰源”，是EMC设计的重中之重。应当花费90%的精力放在单板设计上面。
结构和电缆屏蔽设计是解决“耦合途径”的有效办法，也是解决RE（目前最棘手的问题）的有效手段，但是一般不要提出太高的规定。由于结构屏蔽的工艺稳定性差、加工安装影响十分大，其一致性差，设计时应当留较大的安全余量。结构的屏蔽是以成本为代价的，规定越高，成本会急剧增长。
结构屏蔽是实现产品电磁兼容的重要手段，完整的结构屏蔽体要达成 90dB 的屏蔽效能是毫不困难的。屏蔽体由于散热、部件安装、缝隙等问题减少了屏蔽效能。开孔时必须考虑到屏蔽辐射干扰的因素。
电缆设计重要是线缆布局以及是否采用屏蔽电缆。
单板的 EMC 设计、电缆设计这里不予讨论，重要论述结构的屏蔽问题。
3 、 结构对 EMC 的影响
结构设计与产品 EMC指标相关的重要有：
辐射发射（ RE），辐射敏感度（RS）—— 屏蔽、接地
工频磁场敏感度（ MS） —— 磁屏蔽
静电放电（ ESD）—— 接地
传导发射（ CE），传导敏感度（CS） ——滤波器的接地
结构设计影响最大的指标是辐射发射（ RE），静电放电（ESD），一般不考虑快速瞬态脉冲串（EFT）、浪涌（SURGE）、电压跌落与中断（DIPS）三个指标。
4 、结构屏蔽的基础理论
按欲屏蔽的电磁场性质分类，通常分为三大类：电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽。
电场屏蔽的基本原理是运用金属屏蔽体的电场屏蔽作用，其必须满足完善的屏蔽和良好接地两个条件才干完毕电场屏蔽。
磁场屏蔽的基本原理是运用高磁导率金属屏蔽体进行磁场屏蔽。
电磁场屏蔽的原理重要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸取的机理。
反射重要取决于波阻抗与金属的阻抗之比。比值越大，反射越大。因此：对于高阻场（电场）重要是反射，低阻场（磁场）几乎没有反射。这就是低频磁场屏蔽十分困难的因素。在高频段，为平面波，其波阻抗固定为 377欧姆。
电磁波在金属材料中传输会发身衰减，衰减限度取决于材料的导磁率、导电率。对于电场，导电率高的材料衰减大；对于磁场，导磁率高的材料衰减大。显然，材料越厚，衰减限度大，屏蔽效果好。
5 、缝隙与开孔对电磁屏蔽的影响
5. 1 缝隙对屏蔽的影响
当屏蔽体存在缝隙时，对反射和衰减的影响较大。
反射：当缝隙最大尺寸大于 λ/4时，几乎没有屏蔽效果；小于λ/20时有基本的屏蔽效果，小于λ/100时有抱负的屏蔽效果。当缝隙的深度较大时，由于多次反射的累计效果，可以大大提高缝隙的屏蔽效果，这就是波导通风板的原理。
衰减：缝隙对电磁波衰减的影响见下图所示，可见由于缝隙的存在减弱了衰减作用。

图1
如图 2所示，设在金属屏蔽体中有一无限长缝隙，其间隙为g，屏蔽体厚度为t，入射电磁波的磁场强度为H 0 ，泄漏到屏蔽体中的磁场强度为H p ，当趋肤深度§>0.3g，有 H p ＝H 0 -?t/g
公式表白： t越大，g越小，泄漏越小。当缝隙的直线尺寸接近波长时，屏蔽体自身也许成为辐射体

图2
单个缝隙的屏效近似计算（平面波）
SE = 20 lg (1+N)2/4N + 27.3t/g
式中： N = j 6.69 f g X 10-5 f : 频率(MHz)
g: 缝隙的长度(cm) t : 缝隙深度(cm)
实际应用中困难在于缝隙的长度 g如何取值，应当根据紧固点的距离、零件的刚性以及结合面的表面特性决定最终取值。从经济性和可操作性的角度考虑，紧固点距离取以下经验值：
对于型材、压铸件之间的配合，取150 - 200，甚至更大；
对于钣金件之间，特别是单层板直接连接，例如右图，取20-50。
具体取值还需考虑缝隙的深度以及基材的刚性和表面状态等因素。例如，当折弯次数多时，由于零件的刚性好，可以取大值；假如仅仅是单层钢板（或铝板）直接压紧，由于刚性差，应当取小值。
举例：两个1.5mm钢板，折弯10mm，螺钉间距25mm，屏效大约为1GHz：35dB。
从工程实际的角度看片面规定紧固点多是不实际的，再者一般规定缝隙的最大尺寸为mm级，单单规定紧固点多也是没故意义。为了提高缝隙的屏效，可采用的措施有：
提高零件的刚性、表面精度等
增长缝隙的深度
在缝隙中安装屏蔽材料
5. 2 开孔对屏蔽的影响
由于散热、安装按钮、开关等因素，需要在屏蔽体上开圆形、正方形或矩形的孔洞，如图 3所示，这时应注意孔的方向，以保证涡流能在材料中的均匀分布。显然（d）效果较好，（b）和（c）不能达成屏蔽规定，有也许成为狭缝天线。设孔面积为S，屏蔽体面积为A，当满足A>>S,圆孔的直径或方孔的边长比波长小的多时，有 H p ＝4（S/A） 3/2 H 0
若有 n个孔构成阵列孔，则： H p ＝4n（S/A） 3/2 H 0

图 3
在实际使用中，阵列孔的屏效工程计算公式如下：
SE = Aa + Ra + Ba + K1 + K2 + K3
Aa：孔的传输衰减
Ra：孔的单次反射损耗
Ba：多次放射修正
K1：孔个数有关的修正项
K2：趋肤深度不同引起的低频修正项
K3：相邻孔耦合的修正项
该计算公式通过美国军方某实验室反复测实验证过，是比较实用的计算公式。
举例：
钢板，孔径 3.2，间距4.5，板厚1.2，数量900个，屏效30MHz:50dB，1GHz: 35dB
5. 3 提高开孔的屏蔽效能的措施
对于阵列孔，影响因素最大的是孔的深度，另一方面是孔的最大尺寸。当散热与屏蔽存在矛盾时，比较抱负的方式是增长孔的深度，同时增长孔的最大尺寸，或者减小孔的最大尺寸，同时减小孔间距（增长孔的数量）。
工程实际中，阵列孔的屏蔽效能最高为30dB/1GHz。假如需要更高等级，或者屏蔽和散热矛盾十分突出，可以考虑采用波导通风板。波导通风板的屏蔽效能可以十分高（一般至少可以达成60dB/1GHz），孔隙率大（高于90%），是一种抱负的通风方式。但必须注意其昂贵的价格，尚有目前应用还不成熟，除非特殊情况，一般不建议使用。
通风孔的屏蔽效能稳定性、一致性十分好，设计时基本上不必考虑安全余量问题。
5. 4 屏蔽开孔部件的选用
为了减少辐射，一般情况下对开孔可以进行屏蔽。屏蔽材料大体分为 5 类：
1. 金属丝网
金属丝网是通过对金属薄板切缝，再整体拉伸而制成的。金属丝网通风量大，成本低，是目前通风孔屏蔽（民用）重要采用的一种方法。但这种材料的最大缺陷是高频性能较差，特别对高于 500MHz以上的电磁波几乎不起屏蔽作用，因此已不能满足现代电子设备的屏蔽规定。
2. 打孔金属板
打孔金属板是在金属板上采用数控钻床（冲床）打出通风孔阵而制成的，是目前各类设备，特别是民用设备应用最多的一种通风屏蔽形式，所具有的优点与金属丝网相同。这种材料的缺陷仍然是高频性能较差，其屏蔽效能随频率的增长而以 20dB/10倍频程下降。（例如Φ3孔阵的打孔金属板在1GHz时，屏蔽效能只有20dB左右），从而大大限制了打孔金属板的使用范围。
3.波导通风窗
铝制波导通风窗：铝制波导通风窗是采用普通铝箔经涂胶粘接、拉伸成型、固化、与外框连接、导电解决等工艺过程而制成的。具有通风量大、重量轻、高频性能好的突出优点，是目前各类电子设备，特别是军用电子设备应用最多的屏蔽通风部件。其局限性是通风窗由铝材制成，因而其低频磁屏蔽效能较差。
钢制波导通风窗：钢制通风波导窗是采用碳钢带经冲压成型、拼接、真空钎焊而制成的。与铝制通风波导窗相比，其最突出的优点是低频磁屏蔽效能较高，整体刚性好，特别合用于频带较宽、应用环境恶劣的设备。
4.铝带叠压网通风窗
铝带叠压网通风窗采用多层表面涂有聚乙烯粘接材料的铝制带状物（宽度约 2 ~ 3mm）叠压而制成的，除了有一定的屏蔽效能外，还具有滤尘的作用。由于铝制带状物具有较大的间隙，因此其低频和高频屏蔽效能都较低。
5.发泡金属通风窗
发泡金属通风窗是由经特殊工艺制成的带有大量层叠微孔的镍、铁等发泡金属通风窗组成。