理论上除了低频磁场外,大部分金属材料可以提供 100dB 以上的屏蔽效能。但在实际中,金属做成的屏蔽体并没有这么高的屏蔽效能,甚至几乎没有屏蔽效能,这是怎么回事呢?
在静电屏蔽中,只要将屏蔽体接地,就能够有效地屏蔽静电场。很多工程师将静电屏蔽的原理应用到了电磁屏蔽上。致使当我们发现屏蔽体的屏蔽效能不够时,往往去检查屏蔽体是否良好接地;或者在设计一个屏蔽体时,为没有良好的接地条件而犯愁。其实,接地在电磁屏蔽中的作用并不大。对于电磁屏蔽而言,如果制造屏蔽体的材料的屏蔽效能足够高,影响屏蔽体屏蔽效能的因素有两个。
(1)屏蔽体的导电连续性。理想的电磁屏蔽体应该是一个完整的、连续的导电体。可是,一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值的。因此这一点在实现起来十分困难。一个实用的机箱上会有很多孔洞(通风口、显示口、安装各种调节杆的开口)和缝隙(屏蔽体不同部分结合的缝隙),这些孔洞和缝隙在屏蔽体上影响了导电的连续性,会产生电磁泄漏,如图4-6所示。
图4-6 机箱导电结构连续性的破坏
(2)穿过屏蔽机箱的导体。比孔洞和缝隙的危害更大的就是穿过屏蔽体的导体。但是在实际的机箱上这是不可避免的。机箱上总是会有电缆穿出(入),至少会有一条电源线。这些电缆会极大地危害屏蔽体,使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝(dB)。屏蔽设计中的重要内容之一就是妥善地处理这些电缆。
在实际的机箱上会有各种孔洞,并且这些孔洞是不可避免的;如果没有电缆穿过机箱,这些孔洞最终决定了屏蔽体效能。一般可以认为,低频时屏蔽机箱的屏蔽效能主要取决于制造屏蔽体的材料,在高频时孔洞和缝隙成为了影响屏蔽效能的主要因素。当电磁波入射到一个孔洞时,孔洞的作用相当于一个偶极天线,当缝隙的长度达到 1/2 波长时,其辐射效率最高(与缝隙的宽度无关),也就是说,它可以将入射到缝隙的全部能量辐射出去,如图4-7所示。
图4-7 孔洞的电磁泄漏
在远场区,如果孔洞的最大尺寸 L 小于 λ /2,一个厚度为0的材料上的缝隙的屏蔽效能为
式中 SE—屏蔽效能(dB);
L—孔洞的长度(mm);
H—孔洞的宽度(mm);
f—入射电磁波的频率(MHz)。
如要L≥ λ /2,则SE=0(dB)。
这个公式计算的是最严酷的情况下(造成最大泄漏的极化方向)的屏蔽效能,实际情况下屏蔽效能可能会更高一些。
有一个问题需要注意,如果辐射源为磁场,很小的孔洞也可能导致较大的泄漏,因为孔洞在近场区的屏蔽效能与电磁波的频率是没有关系的。这时影响屏蔽效能的主要参数是孔洞到辐射源的距离。孔洞距离辐射源越近,泄漏越大。这个特点经常会导致屏蔽体发生意外的泄漏。因为在屏蔽体上开孔的目的主要是通风散热,所以孔洞一般都会设计在靠近发热源附近,而发热源往往是大电流的载体,在其周围有较强的磁场。结果,导致了无意识地将孔洞开在了强磁场辐射源的附近。因此,在设计中,要注意孔洞和缝隙应远离电流载体,如大功率的电路板、功率管、变压器等。
当 N 个尺寸相同,间距较小(距离小于 λ /2)的孔洞排列在一起时,孔洞阵列的屏蔽效能也会下降,下降数值为10lgN。
因为孔洞的辐射是有方向性的,因此在不同面上的孔洞不会明显增加泄漏,利用这一特点可以在设计时将孔洞放在屏蔽机箱的不同面,避免某一个面的辐射过强。
缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。屏蔽机箱上通常会有一些活动面板构成的结合处,在这些结合处金属构件不可能完全接触,只能在某些点上接触,这就形成了一个孔洞阵列,称为缝隙。对于缝隙的屏蔽效能若要用孔洞的屏蔽效能公式来计算,但是需要注意下面两点:第一,假设孔洞的深度为0,而缝隙中的孔洞深度不为 0,则实际的屏蔽效能会稍高一些;第二,在实际中经常会发现有些缝隙对于频率越高的电磁波,反而呈现出更高的屏蔽效能。对于这个现象,可以用图4-8来解释。
图4-8 缝隙的导电模型
在图4-8中,用电阻和电容并联来等效缝隙的阻抗。这个等效是比较恰当的,因为缝隙是由接触的点和未接触的点构成的,接触的点具有一定的接触电阻,未接触的点相当于一个以空气为介质的电容。在低频时,电容的容抗很大,缝隙的阻抗取决于电阻分量;在高频时,电容的容抗很小,缝隙的阻抗取决于电容分量。之所以缝隙会呈现出屏蔽效能随着频率的升高而增加的现象,其根本原因在于等效电容的容抗会随着频率的升高而降低。在实际工程中,如果某个机箱在低频时屏蔽效能较低,而在高频时屏蔽效能增加,应重点检查是否存在缝隙的泄漏。
尽量降低缝隙的阻抗(包括减小接触电阻、增加电容),是减小缝隙泄漏的最佳策略。影响接触电阻的因素主要有接触面积(接触点数)、接触面的材料(一般较软的材料接触电阻较小)、接触面上的压力(压力要足以使接触点穿透金属表层氧化层)、接触面的清洁程度、氧化腐蚀等。影响电容的因素有两个表面之间的距离和相对面积,距离越近,相对的面积越大,电容越大;反之亦然。
在实际工程中,可以通过下面的做法来减小缝隙阻抗。
(1)使用机械加工的手段(如用铣床加工接触表面)增加接触面的平整度,以保证接触良好。但这个方法加工成本较高,仅用在工件较小的场合。
(2)增加两部分之间的紧固件(螺钉、铆钉)的密度,但这个方法仅适合永久性或半永久性结合的场合。在活动面板或盖板上使用过多的螺钉会使设备的可维修性降低。另外,随着暴露在空气中的时间延长,金属表面会因氧化产生绝缘层,导致最终只有紧固件的局部连接两部分,有一些干扰频率较高或对屏蔽要求很严格的场合,相邻紧固件之间的缝隙仍会影响机箱的屏蔽效能。
(3)使用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料,它的作用是将缝隙中的非接触点填平,消除缝隙,如图4-9所示。在缝隙处安装连续的电磁密封衬垫,这样可以使接触部分有良好的导电连续性,不会发生电磁波的泄漏。这就像在液体容器的盖子使用橡胶密封衬垫一样,增加橡胶密封垫的液体容器不会发生液体泄漏,电磁密封衬垫也是这个道理。
图4-9 电磁密封衬垫的作用
电磁密封衬垫的阻抗和衬垫与屏蔽体基体之间的接触阻抗,决定了使用了电磁密封衬垫的缝隙的阻抗。金属之间的接触电阻并不是一个定数,在空气中,由于氧化和电化学腐蚀,会随着时间的增加而增大。表4-2给出了一些金属接触面的阻抗变化情况。从表4-2可以看出,表面涂覆层为锡的接触面接触电阻很低,也最稳定。当需要屏蔽效能很高并很稳定时,可以考虑在金属构件的表面进行镀锡处理。
表4-2 不同金属的接触电阻
电磁密封衬垫的屏蔽性能一般用转移阻抗(Z T )来衡量。转移阻抗的定义如图4-10所示。
Z T =U/I
当电磁波入射到含有电磁密封衬垫的屏蔽体上时,就会在屏蔽体的电磁波入射的一个面上感应出电流。电磁密封衬垫的转移阻抗,实际上就是在屏蔽体的一个表面施加的电流转移到另一个表面的比例。这个感应电流流过电磁密封衬垫时,会在另一个面上产生电压。这个电压是一个新的辐射源,会产生电磁辐射。这就是屏蔽体的泄漏。一种好的电磁密封衬垫在第二个表面上产生的电压很低,因此电磁泄漏很小。在另一个面上产生的电压越低,说明电磁密封衬垫的转移阻抗越低,因此屏蔽效能也就越高。
图 4-11 所示为电磁密封衬垫的转移阻抗的测量方法。测量装置由两个相互隔离的箱体构成,一个称为驱动箱,另一个称为隔离箱。两箱之间用金属板和被测密封衬垫进行隔离。驱动电流I流入到隔离金属板一个表面,经被测密封衬垫,从驱动箱的外壳回到信号源。在隔离金属板的另一面产生电压U,这个电压与驱动电流的比值就是转移阻抗(Z T =U/I)。
图4-10 电磁密封衬垫的转移阻抗
图4-11 电磁密封衬垫的转移阻抗的测量方法
利用这种测量方法可以很方便地对安装电磁密封衬垫的缝隙进行评价。影响缝隙转移阻抗的因素包括以下几种。
(1)电磁密封衬垫的材料种类。
(2)隔离板的材料和表面涂覆层。
(3)施加在衬垫上的压力。
(4)电磁密封衬垫的形变量。
电磁密封衬垫的长度不同,转移阻抗也不同。电磁密封衬垫越长,相当于流过电流的截面积越大,转移阻抗越低。因此,为了对电磁密封衬垫进行评价,通常将电流定义为流过1m长的电磁密封衬垫的电流值,这时电流的单位为A/m,转移阻抗的单位为Ω·m。
电磁密封衬垫是解决缝隙电磁泄漏的有效而方便的方法,为了能够达到预期的效果,在使用中需要注意一些问题。
首先需要明确的一点是,电磁密封衬垫并不是能够改善所有的缝隙泄漏,因为缝隙的屏蔽效能是由其阻抗决定的,如果加入衬垫材料后并没有降低缝隙的阻抗,就不能改善缝隙的泄漏。例如,紧固件的间隔小于 30mm,并且接触表面已经经过铣加工,这时,一般的衬垫材料很难提供超出这个接触面的屏蔽效果。
1.电磁密封衬垫的主要参数
(1)导电性。电磁密封衬垫材料的导电性越好,其屏蔽效果越好。导电性不仅指直流电阻,而且还包括射频阻抗。
(2)回弹力。回弹力是指电磁密封衬垫产生一定的形变量时,每单位长度(或面积)电磁密封衬垫上需要施加的压力。如果电磁密封衬垫的回弹力较大,就要求面板的刚性较好,否则会在电磁密封衬垫的回弹力作用下发生形变,产生更大的缝隙。设计屏蔽机箱时,紧固螺钉的间距要根据电磁密封衬垫的回弹力和面板的刚度进行合理设计。
(3)压缩永久形变。电磁密封衬垫在外力消除后,并不能完全恢复到原来的形状,这个现象被称为压缩永久形变。如果缝隙是永久性封闭的,也就是说,装好电磁密封衬垫后不再打开了,那么,压缩永久形变指标是无关紧要的;但如果缝隙是频繁打开/关闭的,则压缩永久形变的指标非常关键。压缩永久形变量大的材料会很快失去弹性,导致厚度达不到要求,不能再起到良好的密封作用。
(4)最小密封压力。电磁密封衬垫必须具有足够的形变量才能提供预期的屏蔽效能。使电磁密封衬垫达到这个形变量所需要的最小压力就是最小密封压力。这个压力过小,不仅屏蔽效能低,而且屏蔽效能对压力很敏感,造成机箱的屏蔽效能不稳定。压力过大会造成电磁密封衬垫的损坏。有关数据可参考生产厂商的产品说明书。对于实际使用中的电磁密封衬垫,在最大缝隙处施加给电磁密封衬垫的压力要大于最小密封压力。
(5)电磁密封衬垫的厚度。电磁密封衬垫的厚度必须保证大于最大缝隙,这样电磁密封衬垫表面才能受到最小密封压力。
(6)电化学相容性。不同金属的接触面上由于金属电位的差别,如果环境中有电解液存在,就会发生电化学反应,产生的盐化物是半导体,这会降低结合处的导电性,同时由于半导体材料的非线性,会对不同频率的信号进行混频,从而产生额外的干扰。因此,电磁密封衬垫的材料与屏蔽基体的材料在电化学上要有一定的相容性,避免很快发生腐蚀。有的工程师把蒙乃尔合金丝的密封衬垫与铝合金机箱配合,这是一个典型的错误设计,这样会导致严重的腐蚀问题。
2.常用的电磁密封衬垫
任何表面导电的弹性材料都可以作为电磁密封衬垫使用。表 4-3 所示是常用的电磁密封衬垫材料。不同构造的电磁密封衬垫具有不同的特性。
表4-3 常用的电磁密封衬垫
续表
1)导电橡胶
在普通橡胶中填充导电颗粒就形成了导电橡胶,这种材料的导电机理为:在低频时,依靠颗粒间的接触导通,由于不是纯金属之间的接触,因此电阻较大,屏蔽效能较低;在高频时,依靠颗粒间的电容导通,随着频率的升高,容抗减小,屏蔽效能提高。这种材料的弹性很差,反弹力很大,这是因为在普通橡胶中填入了大量的金属颗粒,橡胶的性质已经发生了变化的缘故。在使用时需要注意金属基体的厚度,否则会由于基体在反弹力的作用下发生形变而导致更严重的泄漏。
为了解决导电橡胶弹性差的问题,一些厂家开发了新型的导电橡胶衬垫,如图 4-12 所示。这种材料的表面是导电橡胶,形成导电的表层,内芯为普通橡胶,可提供良好的弹性。有些产品为了进一步便于压缩,还将中心做成空心的,如图4-12(b)所示。
图4-12 改进的导电橡胶衬垫
2)金属丝网条
用金属丝编织而成的套管(形状类似屏蔽电缆的屏蔽层)可以是空的,也有的在内部插入橡胶芯增加反弹力,减小永久性变形。由于金属丝具有较大的电感,在高频时感抗较大,因此金属丝网衬垫的直流电阻很小,但其射频阻抗却较大。综上所述,金属丝网密封垫的低频屏蔽效能高,而高频屏蔽效能比较低。
3)铍铜簧片
铍铜是一种理想的电磁屏蔽材料,它具有非常好的弹性和导电性。这种材料的电阻很小,具有很好的低频屏蔽性能。另外,由于铜片的电感很小,因此对于高频电流的阻抗也很小,具有良好的高屏蔽性能。这种材料最大的好处是允许表面滑动接触。
4)螺旋管
螺旋管是一种性能很好的电磁密封衬垫,这种衬垫是用铍铜或不锈钢带绕制而成的,如图 4-13(a)所示。用镀铜材料制成的螺旋管具有很高的屏蔽效能。有试验数据表明,这种衬垫是目前屏蔽效能最高的一种,当使用其他衬垫不能满足要求时,可以试一下这种材料。螺旋管与硅橡胶组合起来构成了具有环境密封的电磁密封衬垫,如图 4-13(b)所示。但是,由于螺旋管是美国斯派尔公司专利产品,因此不像其他种类的衬垫那样常见。
图4-13 螺旋管的电磁密封衬垫
5)导电布衬垫
导电布衬垫用导电布裹发泡橡胶构成,从而满足表面导电并具有弹性的要求。这种衬垫材料的最大好处是十分柔软,使用时不需要很大的压力。导电布的导电特性决定了这种材料的屏蔽效能。
要想使电磁密封衬垫达到预期效果的关键是产生一定的形变量,也就是要对电磁密封衬垫施加一定的压力。使电磁密封衬垫产生压缩形变的方法有两种:一种是垂直于衬垫的方向正面压缩电磁密封衬垫;另一种是以切向方向利用斜面的原理压缩电磁密封衬垫,如图4-14所示。目前只有指形簧片才允许切向运动压缩。
图4-14 衬垫压缩的方法
3.安装电磁密封衬垫时的注意事项
(1)尽量采用开槽安装方式。槽可以起到固定电磁密封衬垫和限制过量压缩的作用。使用开槽安装方式时,屏蔽体的两部分之间的接触不仅通过电磁密封衬垫实现完全接触,而且还有金属之间的直接接触,这样可以使屏蔽效能达到最高。
(2)槽的形状和尺寸。安装槽的形状有直槽和燕尾槽两种。直槽加工简单,但衬垫容易掉出,而燕尾槽就没有这个问题。槽的高度一般为衬垫高度的 3/4 左右(具体尺寸参考衬垫生产厂商要求的压缩量),开槽宽度要保证有足够的空间允许衬垫受到压缩时伸展,如图 4-15 所示。由于在使用直槽安装衬垫时,衬垫容易滑落出槽,有的工程师使用导电胶进行黏结。这样设计并不是很好,首先导电胶的价格较高,会造成产品成本增加,而且有些导电胶的导电性能不是很稳定,会导致机箱屏蔽效能发生变化。另外,在振动环境下,导电胶的碎片可能脱落,掉到电路上,造成电路故障。防止衬垫滑落的最好方法是用普通胶在盖板的紧固位置逐点黏结。虽然这样黏结的局部不导电,但是盖板与屏蔽体之间可以通过金属紧固件来实现导电连接,也可以保证屏蔽效能。
图4-15 用安装槽固定衬垫的方法
(3)法兰安装方式。将电磁密封衬垫直接安装在法兰面之间是一种非常简单的安装方法。但是,为了使安装时不会发生过量压缩而导致衬垫永久性损坏,还需要设置压缩限位机构。
(4)防止电化学腐蚀。在比较恶劣的环境中使用时(如海上使用的设备),由于电磁密封衬垫的材料与屏蔽体的材料经常不同,电化学腐蚀就成了一个严重的问题。应尽量使屏蔽体材料的电化学电位与电磁密封衬垫材料的相同,实际使用时可以采用图 4-16 所示的方法处理。在接触外部环境的一侧用绝缘物质密封,这样可以防止电解液(如海水)进入到导电衬垫与屏蔽体接触的结合面上。
图4-16 防止电化学腐蚀的方法
(5)滑动接触。只有指形簧片才允许滑动接触。簧片安装时,要注意簧片的方向,使其受到压缩力时,能够自由伸展。通常簧片可以靠背胶黏结,但要注意固化时间(参考簧片供应商说明)。在恶劣的环境中(机械力过大、温度过高或过低等时),可采用卡装结构。
(6)螺钉的位置。当设备较新时,螺钉的螺纹与屏蔽体在电气上连接十分紧密,螺钉不会发生电磁泄漏。随着暴露在空气中时间的延长,螺钉的螺纹与屏蔽体之间的接触面上形成腐蚀,电气连接就会变差。这时螺钉本身就会相当于一根穿过屏蔽箱的天线,会导致电磁泄漏。另外,这种腐蚀产生的氧化物是半导体,它会对不同频率的电磁波进行混频,导致更严重的干扰问题,这就是常说的“锈螺钉效应”。设计时应该将螺钉安装在电磁密封衬垫的外侧,防止螺钉穿透屏蔽箱,如图4-17所示。这样可以有效地避免上述情况的发生。
图4-17 螺钉的位置设计
(7)紧固螺钉的间距。螺钉的间距要适当,以防止盖板在电磁密封衬垫的弹力作用下发生变形,产生更大的缝隙。盖板应尽量厚些,以防止变形,具体设计方法参照衬垫供应商的产品手册。
很小的发光器件,如发光二极管,只需要在面板上开很小的孔,一般不会造成严重的电磁泄漏问题,但是,如果需要满足十分严格的标准,有时会有些问题。如果显示器件是一个辐射源,由于辐射源太靠近孔洞,就会导致孔洞的泄漏。这是因为孔洞的泄漏与辐射源到孔洞的距离有关。这时可以将显示器件移开孔洞处,用有机玻璃等透明体作为导光体,使光传出孔洞。
需要屏蔽效能更高时,可以将孔洞的深度增加,使其形成截止波导管。也可使用两个穿心电容,将发光器件直接安装在屏蔽箱外,通过穿心电容将显示器件连线上的高频成分滤除,只保留显示信号必需的低频成分。这些低频电流通过较短的导线时辐射效率很低。
如果显示器件的面积较大,如液晶显示屏,根据实际情况可以采用以下两种方法。
(1)在显示窗前使用透明屏蔽材料,如图 4-18 所示。透明屏蔽材料有两种:一种是由在玻璃或透明塑料膜上镀上一层很薄的导电层构成的;另一种结构是在两层玻璃之间夹一层金属网。前一种材料的优点是视觉效果较好,缺点是屏蔽效能较低。后一种材料则正好相反,屏蔽效能较高,但是由于莫尔条纹的存在会造成视觉不适。这种方法的优点是简单,缺点是视觉效果差。特别是对于没有背光源的液晶显示器件,往往由于过暗而无法观察显示屏。
另外,由于这些透明屏蔽材料对磁场的屏蔽效能很低甚至没有,当设备内部有低频磁场辐射源或对磁场敏感的电路时,会导致屏蔽机箱的磁场屏蔽效能很低。使用这种方法时,要注意屏蔽窗的安装方法,要使屏蔽窗中的导电体与屏蔽机箱之间低阻抗连接。这种方法适合于显示器件本身产生辐射或对外界电磁干扰敏感的场合。
(2)如果显示器件本身不产生干扰或对外界电磁干扰不敏感,可以用屏蔽体将内部电路(辐射源与敏感源)与显示器件隔离开,将显示器件暴露在屏蔽体的外面,如图 4-19 所示。这个方法的最大优点是显示器件的视觉效果几乎不受影响,机箱对磁场有较高的屏蔽效能。但是如果显示器件本身产生电磁辐射或对外界电磁干扰敏感,则显示器件本身的电磁辐射会导致辐射发射的问题,或者受到外界电磁干扰的影响。
图4-18 显示窗的屏蔽
图4-19 用隔离舱处理显示器件
如果显示器件本身会产生电磁辐射对外界电磁干扰敏感,并且机箱内有磁场辐射源,需要机箱提供良好的磁场屏蔽时,可以将两个方法结合起来。
如果设备的发热量较大就必须进行通风处理,一般的机械设计就是在要求通风的部位开孔或百叶窗,以便在机箱内部实现自然对流或被动风冷。但是,对于有 EMC 要求的设备来说,这样的设计破坏了屏蔽的完整性。这个问题可以通过安装适当的电磁防护罩的方法来解决,这样既可对电磁波进行衰减,又不影响通风的需求。
对于要求电磁防护的场合,可采用防尘屏蔽通风板;对于 EMC 要求比较高的场合,可采用截止波导通风板。
1.防尘屏蔽通风板
防尘屏蔽通风板的作用是在提供最小风阻的同时,还可以阻挡空气中的微小尘粒。防尘屏蔽通风板一般是由多层金属丝网(通常为铝合金丝网)组成的,必要时再用过滤媒质夹在网层之间,其整体被装配在一个框架内,并附带特殊的电磁密封衬垫,可以防止电磁干扰从设备中进出,如图4-20所示。
图4-20 防尘屏蔽通风板
防尘屏蔽通风板有价格低廉、使用方便和使用寿命长等特点。尤其是防尘屏蔽通风板清洁起来十分简便,可随时用肥皂水洗净、漂清、烘干,而且对其性能没有影响。因此防尘屏蔽通风板被广泛地应用在普通机箱、大型机壳、高风速及空间有限的设备上。
2.截止波导通风板
截止波导通风板一般用在电磁屏蔽要求很高的场合,特别是对电磁脉冲防护有特定要求和恶劣天气条件下使用的军用设备。在有烟雾和盐雾的环境中需使用黄铜蜂窝通风板。截止波导通风板的最大缺点是价格高,在民用产品中很少使用。
如图 4-21 所示,截止波导通风板能提供较高的屏蔽效能,又可以提供线形空气流。高性能的截止波导通风板一般为钢制或铜制的,由带框架的蜂窝状介质构成,这种构造可以保证最好的屏蔽性和通风效果。
截止波导通风板蜂窝网眼的典型尺寸中的宽度有1.57mm和12.7mm两种。其中,厚度为12.7mm 的通风板实际上是在一个框架里有两个布局稍有错开的6.35mm蜂窝单元,这种设计虽然稍微增加了一点空气阻力,但提高了对电磁干扰信号的衰减效果。还有一种蜂窝结构,是两层蜂窝板形成30°的夹角,如图4-22所示。这种结构可以增加屏蔽效能和定向损耗,并且具有防水防雨的特点。表4-4所示为截止波导通风板的典型屏蔽性能。
图4-21 截止波导通风板
图4-22 成30°夹角的蜂窝板
表4-4 25cm×25cm规格的截止波导通风板的典型屏蔽性能
穿过机壳的电位器和控制元件的轴,也会对设备机壳导电连续性构成损害。在高频的电磁干扰下,这些轴就会起到天线的作用,而电磁干扰就可以通过这些轴进行发送和接收,从而导致电磁兼容问题。为了达到屏蔽的完整性,可以使用非金属轴代替金属轴,如果不能改变现有控制轴,也可以在金属轴与外壳之间使用圆柱形截止波导管。具体方法如图 4-23所示。
塑料机箱对电磁波是没有任何屏蔽效能的,但是为了降低成本和外形美观,大部分商业设备的机箱是塑料的。高速数字电路安装在塑料机箱内往往会引起辐射发射超标。解决这个问题的方法有两个:一个是在塑料机箱内部对线路板和内部互连电缆进行屏蔽处理;另一个是对塑料机箱进行表面导电化处理。各种塑料表面金属化的工艺方法如表4-5所示。
图4-23 控制轴的处理
表4-5 各种塑料表面金属化的工艺方法
因为导电涂覆层一般都很薄,屏蔽效能主要依靠反射损耗。所以,涂覆层的导电性越好,屏蔽效能越高。对于一般的电路板,如果使用表面电阻低于 1Ω的涂覆层,通常可以获得30~40dB的屏蔽效能。
如果想通过辐射发射限制标准(防止内部干扰辐射出机箱),就需要对涂覆层有更高的要求。因为这时屏蔽体处于近场区,在近场区电磁波的波阻抗取决于辐射源。而大部分安装在电路板上的电路,其阻抗较低,辐射的电磁波以磁场为主,磁场波的反射损耗比平面波要小很多。假设屏蔽体距离电路板 10cm,则频率在 500MHz 以上的电磁波才算远场(属于平面波)。
由于导电涂覆层的屏蔽效能以反射为主,因此还要注意电磁波反射导致的干扰问题,电磁波在机箱内反射后,如果反射波和入射波相位正好相同,它们的叠加会造成屏蔽效能进一步下降。因此,对于屏蔽辐射发射问题,导电性很好的涂覆层未必是个好的方案。处理辐射发射的问题时,可以考虑用导电性较差,但较厚的导电涂覆层。
虽然大部分导电涂覆处理可以提供几十 dB 的屏蔽效能,但是根据前面所讲,实际屏蔽体的屏蔽效能取决于机箱上的孔洞、缝隙和电缆的处理等因素,普通的塑料机箱也往往达不到理想的屏蔽效能。
本节介绍在机箱屏蔽设计中其他经常用到的辅料。
1.导电胶
导电胶是常温固化的填银导电胶,有单组分和双组分之分(指胶体是由一组或两组材料组成的。双组分要按比例搅匀后才能使用)。导电胶在室温下暴露在空气中时就可以固化,从而形成导电黏结或密封,导电胶一般在24h内可固化,经3~7天可达到完全固化。
导电胶常被用来安装或黏结安装各种导电硅橡胶衬垫、固定插件及开关,或将带框的屏蔽视窗或蜂窝金属通风板黏结到金属壳体上,也可作为缝隙的导电密封胶。
2.导电泥子
导电泥子有很多不同的种类,可方便地与泥子枪、抹刀等传统工具配合使用,具有触摸安全、使用方便、不受腐蚀性胶黏剂腐蚀的特点。导电泥子之所以具有导电性,是其所含的玻璃镀银或铜镀银微粒的作用。在射频范围内,固化后的导电泥子可提供不小于 100dB的屏蔽效能,可有效地提高电子设备的机壳孔缝或搭接的完整性。
3.导电脂
导电脂是一种不含石墨或碳的、高导电性填银润滑硅脂,可以在各种环境(包括高温、低温及潮湿)下保持良好的导电和润滑,并且很少与化学物质和臭氧及射线发生反应。
导电脂通常被用到各种开关及其他具有活动触点的部件上,用来减少开关滑动触点的接触电弧和局部腐蚀,并可将已腐蚀的区域用银/硅修补,而且可防止开关由于腐蚀或结冰而被卡死。导电脂可使开关触点保持低阻抗的电接触,使设备能够在恶劣环境下使用。
4.导电金属箔带
导电金属箔带是单面背敷压敏胶(导电聚丙烯胶)的铝带或铜带,其厚度为 0.08~0.1mm,宽度一般有 1.27cm、2.54cm、5.08cm 和 10.16cm 等几种规格,适用于电磁屏蔽室、设备壳体的接缝连接、电缆屏蔽缠绕和提供静电放电的回路。
5.屏蔽缠带
屏蔽缠带是一种镀锡铜包铁丝的双层金属丝网编织带,常用于对电缆或电缆束的屏蔽、机箱的接地和提供静电放电的路径。由于它的柔性较好,因此屏蔽缠带特别适用于不规则的表面。屏蔽缠带可以用导电环氧树脂胶来端接,也可用焊接或捆扎的方法来端接。表4-6所示为屏蔽缠带的屏蔽效能。
表4-6 屏蔽缠带的屏蔽效能
此外,还有一种屏蔽密封缠带,它能够在扭曲和弯曲的情况下也确保密封。这种缠带是由双层金属丝网和硅橡胶组成的,应用场合和普通屏蔽缠带相同,但硅橡胶在接触时经室温24h后可自动粘合。其屏蔽效能与镀锡铜包铁丝屏蔽缠带相仿。