盧 軒

(泰州市航宇電器有限公司，江蘇泰州，225399)

1 引言

在電器設(shè)備中，導(dǎo)線、電纜以及元器件等系統(tǒng)會(huì)受到外部的電磁干擾，這個(gè)時(shí)候就需要借助屏蔽來減弱這部分干擾，否則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文主要目的是介紹屏蔽原理，理論結(jié)合實(shí)際，淺談連接器常用的屏蔽結(jié)構(gòu)、屏蔽元件、屏蔽的性能分析以及連接器屏蔽的一些計(jì)算分析，為日后連接器的相關(guān)新品設(shè)計(jì)中提供一些參考。

2 屏蔽原理

2.1 屏蔽分類

在電子設(shè)備中，有時(shí)需要將電力線或磁力線的影響限定在某個(gè)范圍內(nèi)，需要在某個(gè)給定的空間內(nèi)防止外部的靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)力的影響。在這種情況下，利用銅或鋁等低電阻制成的容器，將需要隔離的部分全部包起來；或者用磁性材料制成的容器將它包起來。我們把防止靜電或電磁的相互感應(yīng)所采取的這些方法稱之為屏蔽。屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用，抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，具體實(shí)施方式是以導(dǎo)電或電磁材料制成屏蔽殼體(實(shí)體或非實(shí)體)，將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離。

按照屏蔽原理可以分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。

2.1.1 靜電屏蔽

靜電屏蔽主要是防止靜電場(chǎng)的影響。它的作用是消除兩個(gè)電路之間的由于電容的耦合而產(chǎn)生的干擾。另外，在兩個(gè)導(dǎo)體之間放一個(gè)接地導(dǎo)體時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)體之間的靜電耦合從而減弱，因此可以說接地的導(dǎo)體也具有屏蔽作用。

2.1.2 電磁屏蔽

電磁屏蔽的必要條件是屏蔽導(dǎo)體內(nèi)流過高頻電流，而且電流必須在抵消干擾磁通的方向上。(如果在垂直于電流方向上開縫，就沒有電磁屏蔽效應(yīng))。

2.1.3 磁屏蔽

磁屏蔽主要用于低頻，因低頻時(shí)不是非常有效，故采用高導(dǎo)磁系數(shù)的材料進(jìn)行屏蔽，以便將磁力線限制在磁阻小的磁屏導(dǎo)體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到外部去。

2.2 實(shí)心材料的屏蔽效能

按照屏蔽原理可以分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。在設(shè)計(jì)中要想達(dá)到所需的屏蔽性能，需要先明確輻射源、屏蔽范圍、再根據(jù)各個(gè)頻段的典型泄漏結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進(jìn)而選擇合適的屏蔽材料，設(shè)計(jì)屏蔽殼體[2]。

屏蔽體的屏蔽效能由兩個(gè)部分組成，吸收損耗和反射損耗。當(dāng)電磁波射入到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射。反射的電磁波稱為反射損耗，當(dāng)電磁波在屏蔽體中傳播時(shí)就構(gòu)成了吸收損耗。屏蔽效能=吸收損耗(A)+反射損耗(R)+多次反射損耗(B)，如圖1所示。

圖1 金屬板效能計(jì)算

2.2.1 吸收損耗A

吸收損耗是由電磁波的頻率、屏蔽體的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)電導(dǎo)率共同決定，單位是dB，表達(dá)式是：

(1)

式中，f為電磁波頻率(Hz)，μr、σr為屏蔽體相對(duì)于銅的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)電導(dǎo)率，t為屏蔽體壁厚(mm)。

由此可以得出：同一種屏蔽體，相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)電導(dǎo)率越大，吸收損耗越大，同時(shí)，屏蔽體的厚度越大，吸收損耗也越大。因此，當(dāng)頻率一定時(shí)，盡量選取相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)導(dǎo)電率越大的金屬材料，在條件允許的情況下盡可能增加屏蔽體厚度，以提高其吸收損耗。

2.2.2 反射損耗R

反射損耗是由屏蔽體表面處阻抗不連續(xù)性引起的，平面波以dB為單位的表達(dá)式為：

R=168.1-10lg(μrf/σr)(dB)

(2)

由公式可以得出，電磁波頻率越大，反射損耗越少。對(duì)于同一種材料而言，相對(duì)磁導(dǎo)率越小和相對(duì)電導(dǎo)率越大，反射損耗就越大。因此，頻率一定時(shí)，盡量選擇導(dǎo)磁率小、導(dǎo)電率大的材料以增加反射損耗。

2.2.3 多次反射損耗B

多次反射損耗是由電磁波在屏蔽體內(nèi)反復(fù)碰到壁面所產(chǎn)生的損耗。當(dāng)屏蔽體較厚或者頻率較高時(shí)，屏蔽體吸收損耗較大，這樣當(dāng)電磁波在屏蔽體經(jīng)一次傳播后到達(dá)另一個(gè)分界面的時(shí)候已經(jīng)衰減很多，經(jīng)過多次反射，電磁波能量將會(huì)越來越小，一般在吸收損耗大于15dB，多次損耗可以忽略。當(dāng)吸收損耗較小，此時(shí)多次損耗必須考慮。表達(dá)式為：

B=20lg(1-e-2t/δ)(dB)

(3)

式中，t為屏蔽體的厚度(mm)，δ為趨膚深度。

2.3 截止波導(dǎo)屏蔽效能

對(duì)于電磁波而言波導(dǎo)管是一種高通濾波器。波導(dǎo)管具有一定的頻率，當(dāng)電磁波的頻率低于該截止頻率時(shí)，電磁波不能穿過波導(dǎo)管，從而起到了屏蔽的效果。連接器中由于殼體需要設(shè)計(jì)定位用的鍵和鍵槽，鍵槽涉及到的波導(dǎo)形狀為矩形，故本文僅討論矩形波導(dǎo)的屏蔽效能。

式中，a為矩形波導(dǎo)寬邊尺寸(cm)，低于截止頻率的電磁波在波導(dǎo)中的衰減量為：

(4)

圖2 截止波導(dǎo)管

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，任何具有一定深度的孔縫隙都具有波導(dǎo)性質(zhì)，這為連接器的插頭插座的對(duì)接縫隙的屏蔽計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。

2.4 縫隙的電磁泄漏

縫隙會(huì)引起電磁泄漏，這對(duì)連接器的屏蔽會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，為了保證整機(jī)系統(tǒng)的屏蔽性能，必須要將縫隙控制在一定的范圍內(nèi)。

圖3 縫隙泄漏

設(shè)金屬屏蔽體上有一縫隙，間隙為g，板厚為t，入射波電場(chǎng)為E0，經(jīng)縫隙泄漏到屏蔽體中的場(chǎng)為Ep,當(dāng)g<10δ/3時(shí)，有：

Ep=E0e-πt/g

故SEp=20log(E0/Ep)=20π(t/g)loge=27.3t/g (dB)

(5)

圖3 縫隙泄漏

2.5 各泄漏因素的屏蔽效能

設(shè)泄漏因素的屏蔽效能為：SEi(i=1,2,3，…n)

(6)

3 屏蔽結(jié)構(gòu)

3.1 屏蔽簧片

屏蔽簧片多用于軍品圓形連接器中，如Y27、YMA等系列。下圖為連接器中常用的屏蔽簧片結(jié)構(gòu)。屏蔽簧片需要滿足以下條件：1)具有良好的回彈性，避免壓縮后的永久變形；2)有良好的屏蔽性能，滿足縫隙處對(duì)屏蔽性能的要求。因此軍品連接器中屏蔽簧片大多選用鈹青銅材質(zhì)，常見的屏蔽簧片的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 常見的屏蔽簧片結(jié)構(gòu)

3.2 導(dǎo)電橡膠墊

在較高的電磁屏蔽和需要水汽密封的場(chǎng)合往往需要用到導(dǎo)電橡膠墊，導(dǎo)電橡膠墊是在常規(guī)的橡膠件里面填充進(jìn)導(dǎo)電顆粒，不同的使用環(huán)境對(duì)導(dǎo)電橡膠墊的要求也不一樣，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，選擇的導(dǎo)電顆粒也不同，如表1所示。

表1 導(dǎo)電顆粒的選擇

不同導(dǎo)電顆粒的屏蔽效能也不一樣，表2羅列出了不同材料對(duì)應(yīng)的屏蔽效能。

表2 不同導(dǎo)電材料的屏蔽效能

3.3 連接器屏蔽結(jié)構(gòu)

3.3.1 圓形連接器屏蔽結(jié)構(gòu)

在圓形軍品連接器中，屏蔽簧片是實(shí)現(xiàn)其屏蔽功能最為關(guān)鍵的零件，例如YMA系列連接器，其屏蔽簧片組裝在插座殼體的內(nèi)腔，當(dāng)插頭與插座對(duì)接插拔之后，使原本分立的外殼通過屏蔽簧片實(shí)現(xiàn)電氣連接。屏蔽簧片殼體產(chǎn)生一定的壓力，與外殼緊密接觸，從而達(dá)到外殼之間的電連續(xù)性[3]。

圖5 YMA屏蔽簧片外形尺寸圖

圖6 插座裝配示意圖

3.3.2 導(dǎo)電襯墊的使用

導(dǎo)電襯墊又稱EMI襯墊，常用于電子設(shè)備的機(jī)箱縫隙處。軍品圓形連接器中應(yīng)用的也非常普遍，插座通過方形法蘭固定安裝在機(jī)箱面板上，此時(shí)方形法蘭與機(jī)箱面板之間會(huì)有一定的間隙，為了減小此縫隙的電磁泄漏，往往在法蘭和機(jī)箱之間安裝導(dǎo)電方墊。導(dǎo)電方墊根據(jù)與機(jī)箱面板的相對(duì)位置分為前裝和后裝，如圖7所示。

導(dǎo)電方墊前裝 導(dǎo)電方墊后裝

3.3.3 屏蔽性能分析

通過上述屏蔽元器件以及屏蔽結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，利用導(dǎo)電方墊實(shí)現(xiàn)的屏蔽結(jié)構(gòu)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)插頭與插座插合后的電磁屏蔽，當(dāng)導(dǎo)電方墊與殼體良好接觸時(shí)，縫隙泄漏可以忽略不計(jì)。因此，屏蔽效能是由導(dǎo)電膠墊本身的屏蔽性能決定的。而使用屏蔽簧片的連接器之間還是存在一定的間隙，下面對(duì)使用屏蔽簧片的YMA系列連接器作詳細(xì)分析。

連接器插頭、插座插合后，插座將插頭包裹，通過屏蔽簧片實(shí)現(xiàn)插頭和插座殼體的電氣導(dǎo)通，如圖8所示。

圖8 插頭插座對(duì)接示意圖

從圖9可以看出，干擾信號(hào)可以從圖示縫隙處向屏蔽體滲透，經(jīng)過屏蔽簧片后最終進(jìn)入到連接器內(nèi)部。因此，連接器的屏蔽效能必須考慮三個(gè)方面：1)屏蔽簧片所處位置的屏蔽效能；2)插頭殼體的屏蔽效能；3)插座殼體的屏蔽效能。由于插頭和插座是通過屏蔽簧片實(shí)現(xiàn)良好的電氣導(dǎo)通，故屏蔽效能所考慮的三個(gè)方面可以具體體現(xiàn)為：1)屏蔽簧片所處位置的屏蔽效能；2)屏蔽簧片最左側(cè)插座的最弱屏蔽效能；3)屏蔽簧片最右測(cè)插座的最弱的屏蔽效能。

圖9 插頭插座對(duì)接局部放大示意圖

通過對(duì)YMA系列的技術(shù)文件分析可知，屏蔽簧片所處的外殼最薄厚度為0.75mm；屏蔽簧片所在處插座外殼的最薄厚度為2.25mm。屏蔽簧片周圍縫隙可以近似為矩形波導(dǎo)，即外殼定位導(dǎo)向鍵槽，根據(jù)強(qiáng)度和加工要求按圖10給出初步計(jì)算。

圖10 對(duì)接縫隙示意圖

3.3.3.1 鍵槽屏蔽效能

從圖10可以看出，連接器鍵槽形成五個(gè)近似波導(dǎo)，其屏蔽效能計(jì)算如下。

根據(jù)產(chǎn)品對(duì)接長度要求，插頭外殼鍵槽深度9.5mm，近似波導(dǎo)長度9.5mm，波導(dǎo)寬邊尺寸a1=2.5mm，a2=1.5mm，由矩形波導(dǎo)條件l≥3a得：

a1矩形波導(dǎo)截止頻率：

a2矩形波導(dǎo)截止頻率：

由式(4)分別計(jì)算，當(dāng)干擾電磁波頻率低于46.8GHz時(shí)，SE1=108.2dB；SE2=218.4 dB。

3.3.3.2 殼體金屬屏蔽效能

下面就鋁合金材料分別計(jì)算插頭和插座在屏蔽簧片處最小壁厚下的屏蔽效能，并就鍍層的屏蔽效能進(jìn)行計(jì)算。

鋁合金材料的相對(duì)導(dǎo)電率σr=0.61,相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1；其在10HZ、1KHZ、10KHZ……、10GHz的吸收損耗A，反射損耗R和多次損耗B按公式(1)、(2)和(3)計(jì)算，屏蔽效能如表3所示(當(dāng)A>15dB時(shí)，B可以忽略)。

表3 鋁殼體外殼屏蔽效能計(jì)算

根據(jù)上述數(shù)值，在理想的連續(xù)金屬導(dǎo)體下，殼體屏蔽隨著頻率增加可以達(dá)到很高的數(shù)值。但是實(shí)際上由于孔縫隙的存在，以及殼體的不連續(xù)性，屏蔽效能是有偏差的。

3.3.3.3 縫隙干擾泄漏

屏蔽簧片展開如圖11所示，該結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電磁泄漏。

圖11 屏蔽簧片方案

根據(jù)公式(5)，SEp=27.3t/g，當(dāng)縫隙寬度增加時(shí)，屏蔽效能下降；減小縫隙寬度，屏蔽效能增加。當(dāng)縫隙按照0.4mm設(shè)計(jì)，厚度為0.3mm，SEp=20.5dB

3.3.3.4 系統(tǒng)的屏蔽效能

根據(jù)公式(6)，系統(tǒng)屏蔽效能在干擾頻率100MHZ～1GHZ，系統(tǒng)電磁屏蔽效能最小為：

SE=-20lg(10-109/20+10-20.5/20+10-182925/20)=55.65 dB

按照YM企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在100MHZ～1GHZ時(shí)，最小的電磁衰減為60dB，通過上述的理論計(jì)算，可以證明YMA的屏蔽簧片以及殼體的設(shè)計(jì)能夠滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了屏蔽的原理以及幾種損耗的形式，并結(jié)合軍品圓形YMA系列連接器為實(shí)例進(jìn)行電磁屏蔽的計(jì)算，旨在為新品設(shè)計(jì)的開發(fā)提供電磁屏蔽的參考。