隨著現(xiàn)代電子科學技術的發(fā)展,電子設備的數(shù)量及種類不斷增加,使得電磁環(huán)境(EME)日趨復雜,電子設備的電磁兼容性就顯得也越來越重要。
經(jīng)驗證明,如果在產(chǎn)品開發(fā)階段解決電磁兼容問題的費用為1個單位;那么等到產(chǎn)品設計定型后再解決其問題,費用將增加10倍;而到產(chǎn)品批量生產(chǎn)后再解決時,費用將增加100倍;到用戶發(fā)現(xiàn)問題后才解決時,費用可能高達1000倍。而在產(chǎn)品開發(fā)階段同時進行電磁兼容性設計,就可望把80%~90%的電磁兼容性問題解決在產(chǎn)品定型之前。所以說只按常規(guī)進行產(chǎn)品功能設計,不僅在技術上帶來一系列的難題,而且還會造成人力、財力的極大浪費。再例如現(xiàn)代的飛機上,普遍采用了電傳式飛機控制系統(tǒng)以及發(fā)動機的微計算機控制系統(tǒng),使得電磁兼容性問題不僅關系到一般的系統(tǒng)性能,而且影響到飛行安全。因此在復雜的電磁環(huán)境中,如
何減少相互間的電磁干擾,使各種設備安全正常運行,是一個急待解決的問題。電磁兼容正是解決這類問題的一門新興學科。
1 電磁兼容
國軍標(GJB72A一2002)中給出電磁兼容(Electromag-netic Compatibility即EMC)的定義是:設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài);包括以下兩個方面:
1)設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中運行時,可按規(guī)定的安全裕度實現(xiàn)正常的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級;
2)設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境(或其他設備)帶來不可接受的電磁干擾。
電磁兼容的研究內(nèi)容就是找出干擾源,削弱電磁干擾。
電磁兼容設計的目的:
1)電子設備內(nèi)部的電路相互不產(chǎn)生干擾,達到預期功能;
2)電子設備產(chǎn)生的電磁干擾強度低于特定的極限值;
3)電子設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力。
2 電磁干擾及其抑制方法
系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問題———電磁干擾,必須具備三個因素,即電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備。所以,在解決電磁干擾問題時,要從這三個因素人手,對癥下藥,消除其中某一個因素,就能解決電磁兼容問題。對新研制的電子產(chǎn)品,應該從設計開始階段就考慮電磁兼容問題,進行電磁兼容設計。常用的有效的方法有:接地技術、屏蔽技術、濾波技術。本文主要深入詳盡的探討屏蔽技術在電磁兼容設計中應用。
3 屏蔽技術的應用
3.1 原理
電磁屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、反射來達到減弱干擾能量的作用,也就是切斷電磁波的耦合途徑。它采用低電阻的導體材料,并利用電磁波在屏蔽導體表面產(chǎn)生反射以及在導體內(nèi)部產(chǎn)生吸收和多次反射而起到屏蔽作用,其目的是為了有效地阻止電磁波從一例空間向另一例空間傳揚。
質(zhì),于是在板的左表面產(chǎn)生反射,使一部分電磁波Hor(或Eor)向左傳播,即反射波。另一部分電磁波射入金屬內(nèi)部,其場強為Hmo(或Emo ),向右繼續(xù)傳播,經(jīng)過金屬板厚度t后,由于金屬對電磁波的吸收,場強減弱至Hmt(或Emt)。
到達金屬板右界面的電磁波,又有一部分被反射回金屬向左傳播,其反射場強為Hmr(或Emr);另一部分穿過右界面向右繼續(xù)傳播。其場強為Ht(或 Et)。因此,電磁波經(jīng)過金屬板時,通過反射、吸收,場強逐漸減弱。故金屬板的屏蔽作用是左界面的反射、金屬中的吸收和右界面的反射等三部分組成的。實際上,上述金屬板內(nèi)的電磁波反射吸收過程并不是只進行一次就完成的,而是在金屬板的兩個界面之間往復多次直到耗盡。電磁波在金屬內(nèi)的損耗表現(xiàn)為渦流損耗。渦流的密度隨著透入金屬內(nèi)部的深度的增加而按指數(shù)規(guī)律減小,且隨電磁波的頻率不同而變,頻率愈高,渦流在表面的損耗就愈大。
3.2 影響屏蔽效果的幾個因素及其解決措施
3.2.1 材料
當電磁波通過金屬板時,由于金屬板產(chǎn)生感應渦流形成歐姆損耗,并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗,與此同時,渦流反磁場抵消入射波干擾場產(chǎn)生吸收損耗。用于電場屏蔽的屏蔽效能可由下式表示:
由以上公式可以看出,金屬的導電、導磁能力越強,金屬吸收電磁波能力越強;電磁波的頻率越高,越易被金屬吸收。下面給出了常見金屬的相對磁導率、相對電導率(見表1)。
因此,在選擇屏蔽材料時,綜合其他因素應遵循以下原則:
1)當干擾電磁場的頻率較高時,利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流。形成對外來電磁波的抵消作用,從而達到屏蔽的效果。
2)當干擾電磁場的頻率較低時,要采用高導磁率的材
料,從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部,防止擴散到屏蔽的空間去。
3.2.2 縫隙、孔洞
屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于構成屏蔽體的材料,而且取決于屏蔽體的結構。上面討論的是完整連續(xù)屏蔽體。但現(xiàn)實中一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何價值的。機箱或殼體上常開有很多顯示窗、通風口、不同部分結合的縫隙等。
由于這些導致電不連續(xù)的因素存在,屏蔽體的屏蔽效能往往很低,甚至沒有屏蔽效能;因此對屏蔽體縫隙、孔洞的研究也是十分必要的。
從縫隙中泄漏的電磁場強度的計算公式為:
1)對于有孔縫的機箱,應將孔縫盡量布置于遠離激勵源的地方。
2)增加接縫處的重疊尺寸,由上述公式(2)可見。
3)縮短螺釘?shù)拈g距。在結合面上不加導電彈性襯墊時,應盡可能增加螺釘數(shù)量,減小螺釘間距,使縫隙長度響應減小,使屏蔽效能提高。
4)開孔設計
當開孔面積相同時,應盡量少開大孔以及細長孔。對于可集中、又可分開開孔的機箱,應分別開孔,以減少泄漏量。
5)加接金屬導管
一般來說,對大的孔洞,在實際設計中常采用金屬通風道,當頻率高于100MHz時,可采用波導管作為通風道。由于金屬管相當于一個高通濾波器,使低于金屬管截止效率的電磁場經(jīng)過管內(nèi)傳遞有很大的衰減,所以就減小了孔洞引起的泄漏。金屬管的最低截止頻率f只與管的橫向截面的內(nèi)徑尺寸有關,其關系可由下列公式表示:
圓波導管:fc=17.5/d
矩形波導管:fc=15/b
式中:fc———最低截止頻率,Hz;
d———圓波導管內(nèi)直徑,cm;
b———矩形波導管內(nèi)寬邊長,cm。
在設計金屬管時,首先,根據(jù)泄漏電磁場的最高頻率f來確定fc,使fc≥f;其次,按需要選圓管或方管,由上式計算管的橫截面的內(nèi)徑尺寸;第三,根據(jù)需求的衰減計算管應有的長度。
在屏蔽設計中,還要注意,不能有導體直接穿過屏蔽體,屏蔽效能再高的屏蔽體,一旦有導線直接穿過屏蔽機箱,其屏蔽效能就會損失99.9%(60dB)以上。
屏蔽只是減少電子設備電磁干擾的一種方法,它通常與濾波、接地、搭接等措施一起應用,從根本上解決電子設備的電磁兼容問題。
4 結束語
當前,電子設備已處于飛速發(fā)展的時期,并且這個發(fā)展過程仍以日益增長的速度持續(xù)著,隨著電子技術的迅速發(fā)展,現(xiàn)代的電子設備己廣泛地應用于人類生活的各個領域。
電子設備的快速發(fā)展和廣泛應用,必然導致電子設備在電磁環(huán)境中工作。因此必須解決電子設備的電磁兼容性問題。電磁兼容是一個復雜的問題,它需要設計人員具有較強的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗,為此,我們要不斷地學習和總結經(jīng)驗,為我國生產(chǎn)出更加穩(wěn)定可靠的現(xiàn)代化的電子設備而努力。
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