富震

摘 要： 在电子设备的屏蔽箱上开有各种用途的小孔或缝隙，外界的电磁干扰通过孔、缝进入到电子设备的内部，对内部电路造成干扰。从电磁干扰的传播途径出发，对在不同情况下结构缺陷对屏蔽效果的影响进行了分析，并提出了相应的改进措施，对电子设备的工程设计具有一定的指导意义。

关键词： 电磁兼容； 屏蔽效能； 结构缺陷； 屏蔽箱

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0149?03

Analysis on influence of structural defects on electronic equipment shielding effect

FU Zhen

（Shenyang Artillery Academy， Shenyang 110867， China）

Abstract： There are some holes or gaps in the shielding box of electronic equipment. The outside electromagnetic inter?

ference will disturb the circuits inside the box through the holes or gaps. According to the transmission route of electromagnetic interference， the impact of structural defects on shielding effect under different conditions is analyzed. Some improvement measures are proposed. The analysis has a certain guiding significance for the engineering design of electronic equipments.

Keywords： electromagnetic compatibility； shielding effectiveness； structural defect； shielding box

0 引 言

屏蔽是将电磁场干扰源至器件或设备的传输路径“切断“，从而达到消除或减弱干扰源对其他器件或设备不良影响的效果。对一个”理想“的电子设备而言，不仅要求它受其他设备产生的电磁场的影响要尽可能小，而且要求它尽可能少地辐射出干扰电磁场去影响其他设备。为了取得更好的屏蔽效果，在电子设备的设计、生产过程中，尽可能的要求对电磁的屏蔽结构达到理想状态，即屏蔽结构尺寸、屏蔽厚度、屏蔽层材料等都达到规范化要求。但是，在一般的实际系统中，不可避免地存在着结构上的缺陷。比如，在电子设备机箱上经常存在着各种不连续结构的电磁泄漏，如缝隙、通风窗口、信号出、入口等，各种途径的电磁泄漏，不可避免地造成屏蔽效能的下降。一些结构上的缺陷甚至造成屏蔽效果的急速下降，最终对电子设备造成损害，失去了屏蔽的意义。为了掌握在工作中电磁屏蔽的实际效果，必须对结构缺陷对屏蔽效果的影响加以分析，进而找到解决的方法措施，提高屏蔽效能。

考虑到电子设备的结构，通常结构的缺陷主要体现在两个方面，即孔和缝隙。由于电磁波在孔和缝隙中穿过时，幅度衰减、传播路径材料、传播速度各不相同，为此，下面对这两种情况分别加以讨论。

1 孔对电磁屏蔽效能的影响

在估计一个屏蔽层上的孔对屏蔽效果的影响时，是计算一个等效于置入孔中、且又产生干扰场的电场短线偶极子或磁场小环天线源（即将孔的影响等效成一个理想的场源）。等效场源的性质和大小决定于激励场的性质和孔的形状及大小。在大多数情况下，孔的影响是以磁场为主。

1.1 单孔时的屏蔽效能

根据相关资料，当屏蔽层上的孔的直径大于一个波长时，则此孔可“穿透“相当多的电磁能量，因此可以将它看成一个发射天线。对于一个正方形或圆形孔而言，根据激励场的频谱分析和综合，可以很容易计算这种天线的增益等参数。如果激励场是均匀的，而孔的面积是A，那么可以得出下述结论：孔四周外的场是0（即孔周径上没有电流流动），因此在孔的轴箱上的远场增益为：

[G=4πAλ2] （1）

如果孔是一个圆形孔，则：

[G=4ππR2λ2] （2）

式中，R是圆孔的半径；[λ]是波长。

根据屏蔽效率SE的定义可得：

[SE=10lgP1P2=10lgG-1=20lgλ2πR] （3）

式中，[P1]是无屏蔽时“屏蔽区”接收到的功率；[P2]是有孔屏蔽层屏蔽区内接收到的功率。

如果考虑实际屏蔽层有限的厚度对波的有限导向性，屏蔽的效率还将提高，下面对此进行分析。

根据传输线理论，一个中空的导管可以看成是有限长度的传输线，只是中心的导体厚度为0，导管截面的形状和管壁材料的电气特性将影响波的传输速度等传输特性，其中最重要的是影响可传送波的频率。在导管中传输的电磁波可以看成是由两部分组成的，一是沿导管轴向的直接传送，另一部分是经管道内壁反射后的波。每次反射后的波将作线性叠加，从而产生新的初始条件，这样的周期在管道内不断重复。但是如果管道的口径很小，长度也较短，那么就不可能完成这样的一个周期。所以可以想象得出，一定存在这样的频率的信号不能通过此管道，称其中恰好不能通过的波的最高频率为此波导管的截止频率，记为[fc]。波导管的截止频率决定于管道截面的形状、大小及其中填充的材料特性。

如果实际信号频率[f

[α=ωμε?fcf2-1] （4）

如果屏蔽层上的孔是一个半径为R的圆孔，则它的截止频率[fc]和对低于截止频率[fc]的场的屏蔽效率为：

[fc=1.841c2πR] （5）

[SE=8.686×1.841?lR≈16lR] （6）

可以看出，此时的屏蔽效率与频率无关，仅与孔的形状和大小有关。但是必须指出的是，使用公式（6）计算孔由波导效应得到的屏蔽效率SE时，必须保证屏蔽层的壁厚（即公式中的[l]）大于或等于2R，因为只有这样，才能将孔看成是一个波导管。

将式（3）和式（6）综合起来，可得到屏蔽层上有一个圆孔时总的屏蔽效率为：

[SE=20lg λ2πR+322R?t] （7）

式中[t]（[t>>2R]）是壁厚。

式（7）中的第1项可看成是反射损耗R，第2项可看成是孔的吸收损耗A。

1.2 多孔屏蔽结构的屏蔽效率

由式（1）给出的远场在孔上的功率增益正比于孔的面积，因此如果一个屏蔽层上有几个孔，则功率增益为：

[G=4nππR2λ2] （8）

所以，这时的屏蔽效率为：

[SE=10lgG=20lgλn?2πR] （9）

如果屏蔽层的厚度[t>>2R]，在考虑了孔的波导效应后的总的屏蔽效率为：

[SE=10lgG=20lgλn?2πR+322R?t] （10）

2 缝隙对屏蔽效果的影响

缝隙是实际屏蔽结构中最常见的，如相邻屏蔽板的连接处，屏蔽盒盖或小门等。在面积相同的前提下，缝隙对屏蔽效率的影响比圆孔或方孔大得多，其中主要的问题是磁场的泄露。理论分析可得，为了有效地屏蔽进入屏蔽区的磁场，屏蔽层中的感应电流的分布必须与所要抵消的磁场相适应。但如果屏蔽结构上存在着缝隙，则必然影响电流分布状态。如果缝隙的长度比较长，它导致的电流分布的偏移可能比一排小孔造成的影响还大。如果缝隙长轴方向安排不合理，则引起的电流分布的偏移量更大。此外，在高频场中，缝隙的影响犹如一根有效的天线，因此它的危害更大。

缝隙对屏蔽效果影响的大小，主要体现在它的长度[l]上。经分析可得缝隙的屏蔽效能为：

[SE=20lg1+N24N] （11）

式中，N为缝隙波阻抗和自由空间波的比值，由远区平面波中可得：

[N=j6.69×10-5f?l] （12）

式中，[l]为缝隙长度；[f]为场源频率。

如果考虑屏蔽层有一定的厚度，因此，在截止频率[fc]下还有一定的波导效应的屏蔽效果，此时，可将缝隙看成是一个矩形孔，可得屏蔽效应公式为：

[SE=27.3tl， t?l] （13）

式中[t]是屏蔽层的厚度。

综合式（11）和式（13），可得到具有缝隙的有限厚度的屏蔽结构总的屏蔽效率为：

[SE=20lg1+N24N+27.3tl] （14）

式（14）中的第一项可以看成是薄壁上缝隙对波的反射损耗，第二项可看成是厚壁上的吸收损耗。将式（4）与式（10）（其中n=1）比较，可以发现，虽然缝隙的面积不大，但一个长度为[l]的缝隙与一个直径等于[l]的圆孔的影响是一个数量级的。在现实中，一个直径为[l]的圆孔会引起注意，但是一个长度为[l]甚至是[2l]的缝隙往往不被重视，从而导致屏蔽效果的不理想。需要着重指出的是，缝隙的存在往往是隐形的。图1标示了缝隙长度和屏蔽效率之间的关系。

图1 缝隙长度l与屏蔽效率SE之间的关系

3 对结构缺陷的改进措施

为了提高屏蔽效果，必须对电子设备屏蔽层上的缺陷进行改进，也就是要提高屏蔽效能SE。从公式分析中可以看出，无论是存在孔状缺陷，还是缝隙状缺陷，最有效的方式是提高屏蔽层的厚度，也就是增大t。而现实中，屏蔽层的厚度总是有限的，不可能做得特别厚。为了提高屏蔽效率，可以改变孔或缝隙的结构，增大孔或缝隙的有效厚度，具体结构如图2所示。

4 结 语

实际的电子设备屏蔽箱存在着各种不连续结构的电磁泄漏。对由于结构缺陷引起屏蔽效能的影响进行分析，是研究电子设备电磁屏蔽效果的基础。只有在充分考虑了各种缺陷造成的影响情况下，综合分析屏蔽箱的总体屏蔽效能，并对结构缺陷进行改进，才能有效发挥屏蔽的效果，起到保护电子设备不受损害、提高可靠性、延长生命周期的目的。

图2 增大有效厚度结构示意图

参考文献

[1] 杨永侠，程光伟，陈红，等.地面雷达机箱屏蔽效能的预测研究[J].弹箭与制导学报，2007（1）：390?392.

[2] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[3] 路宏敏.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2003.

[4] 陈穷.电磁兼容性工程设计手册[M].北京：国防工业出版社， 1993.

[5] 蔡仁钢.电磁兼容原理、设计和预测[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997.

[6] 钟贤林.LVDS的电磁兼容性分析[J].现代电子技术，2013，36（11）：127?130.