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1、DKBA 华为技术有限公司企业技术规范 DKBA0.400.0022 REV. 2.0 电磁兼容性结构设计规范 华 为 技 术 有 限 公 司 发布 前言 本规范根据国家标准GJB 1046、GJB 12190、MIL- HDBK-419、 IEC TS 61587-3 、IEEE299-1997 以及 ARP1705 等系列标准编制而 成。 本规范起草单位:华为技术有限公司结构造型设计部 本规范授予解释单位:华为技术有限公司结构造型设计部 本规范起草人: 本规范审核人: 标准化审核人: 本规范批准人: 本规范在编制和审核过程中,得到了EMC 特别工作组各位同仁 的协助,在此表示衷心的感谢!
2、目录 1 范围8 2 引用标准8 3 术语 9 4 电磁场的基本概念 10 4.1 基本概念 10 4.1.1 电场 10 4.1.2 磁场 10 4.1.3 电磁感应定律 11 4.2电磁场方程组 11 4.3 电磁波的传播特性 12 5 电磁兼容的基本概念 14 5.1 电磁兼容的定义 14 5.2 电磁兼容的三要 素 14 5.3 如何实现 电磁兼容 14 5.4 产品电磁兼容性 能具体 要求 15 5.5 解决电磁兼容 问题的手段 16 6 电磁屏蔽的基本理论 17 6.1 电磁屏蔽的概念 17 6.2 连续屏蔽体 的屏蔽 18 6.2.1 连续屏蔽体屏蔽模型18 6.2.2 吸收损耗
3、 19 6.2.3 反射损耗 19 6.2.4 多次反射修正因子 20 6.2.5 薄膜连续屏蔽体的屏蔽20 6.2.6 双层屏蔽 21 6.3 不连续屏蔽体 的屏蔽 21 6.3.1 缝隙屏蔽 22 6.3.2 开孔屏蔽 23 6.3.3 电缆穿透 26 6.3.4 屏蔽体的综合屏蔽效能 28 7 屏蔽设计 29 7.1 选择屏蔽效能指 标 29 7.1.1 结构件屏蔽效能等级 30 7.1.2 公司现有产品的 RE测试结果概况 30 7.1.3 公司现有结构件屏蔽效能测试结果 概况 32 7.1.4 如何选择结构件屏蔽效能指标 34 7.1.5 屏蔽效能指标的默认含义 35 7.1.6 关
4、于低频磁场屏蔽 35 7.1.7 关于1GHz以上的屏蔽36 7.2 选择屏蔽体 方案 36 7.3 屏蔽设计成本 分析 38 7.4 缝隙的屏蔽设计39 7.4.1 紧固点直接连接的屏蔽39 7.4.1.1 减小缝隙的最大尺寸39 7.4.1.2 增加缝隙深度 40 7.4.1.3 紧固点间距的选择42 7.4.1.4 凸包的屏蔽 44 7.4.2 安装屏蔽材 料44 7.4.2.1 安装屏蔽材 料的应用场合 44 7.4.2.2 缝隙中安装屏蔽材 料后的屏 蔽分析 45 7.4.2.3 缝隙的结构 形式 45 7.4.2.4 屏蔽材 料与零 件之间的相容 性 47 7.4.3 屏蔽材 料的
5、选用 47 7.4.3.1公司允许使用 的屏蔽材 料 47 7.4.3.2 各种材料的应用场合 51 7.4.3.3 屏蔽材料的压缩方向 51 7.4.3.4 各种材料的压缩量范围 52 7.4.3.5 屏蔽材料的安装 形式 53 7.4.3.6 各种材料的屏蔽 性能 55 7.4.3.7 新材料和新技术 的应用56 7.5 通风孔 的屏蔽设计 56 7.5.1 选择通风孔的屏蔽 方案 56 7.5.2 穿孔金属板 57 7.5.3 截至波导通风板59 7.6 局部开孔的屏蔽 60 7.7 塑胶件 的屏蔽设计 60 7.8 单板局部屏蔽62 7.8.1 盒体式结构62 7.8.2 围框式 结构
6、63 7.9 电缆对屏蔽 的影响 64 7.9.1 光纤出线 65 7.9.2 屏蔽电缆 夹线 65 7.9.3 屏蔽连接 器转接70 7.9.4 滤波连接器转接 72 7.9.5 电缆直接 出屏蔽体72 7.9.6 电源滤波器转 接73 7.10 内部隔离设计 73 7.11 屏蔽效能裕量 设计 74 8 接地的基本理论 76 8.1 接地的概念 76 8.2 接地的作用 76 8.3 搭接的概念 78 8.4 搭接的目的 78 9 搭接接地设计 79 9.1 搭接设计基本 原则 79 9.2 搭接设计要 求 79 9.2.1 搭接设计基本要求79 9.2.2 结构件 之间的电连接 81 9
7、.3 搭接电阻 81 9.3.1 搭接电阻的应用 81 9.3.2 搭接电阻值的规定82 9.4 搭接与屏蔽 83 9.5 搭接设计的 具体实现 方案 83 9.5.1 机柜的搭接设计84 9.5.2 插箱、 模块的搭接85 9.5.3 并柜时机柜 的搭接85 9.5.4 外部接地线与机柜 的搭接 85 9.5.5 滤波器 的接地设计86 9.5.6 接地线 87 9.6 典型错误搭接 方法88 10 屏蔽性能测试 89 10.1 机柜/子架的屏蔽效能测试 89 10.1.1 测试原理89 10.1.2 测试布局 89 10.1.3 被试件条件 90 10.1.4 测试报告 90 10.1.5
8、 排除谐振 点 91 10.1.6 测试结 论 91 10.2 开孔和缝隙的屏蔽效能测试 92 10.2.1 MIL-G-83528的测试 方法 92 10.2.1.1 测试原理 92 10.2.1.2 测试布局 93 10.2.1.3 测试频 段 94 10.2.1.4 天线的位置94 10.2.2 华为公司测试 方法 94 10.2.2.1 测试原理 94 10.2.2.2 测试布局 96 10.2.2.3 测试频 段97 10.2.2.4 测试过程 97 10.3 屏蔽材料 的屏蔽性能测试 97 10.3.1 屏蔽材 料的导电性能测试97 10.3.2 屏蔽材 料的转移阻抗 测试97 1
9、0.3.2.1 测试原理97 10.3.2.2 屏蔽质量的概念 99 10.3.2.3 测试布局 99 10.3.2.4 关于测试 压力 100 10.3.2.5 测试频 段100 10.3.2.6 测试步骤 100 10.3.2.7 测试结果 101 10.3.3 屏蔽材 料的屏蔽效能测试101 10.3.4 各种测试方法的比较和应用 101 11 屏蔽效能预测与仿真 103 11.1 经验数 据库的积累 103 11.2 局部细节的屏蔽效能分析 104 11.3 电磁场 模拟仿真 104 10 华为技术有限公司企业技术规范 DKBA0.400.0022 REV. 2.0 电磁兼容性结构设计
10、规范 1范围 本规范规定了电磁兼容性结构设计(屏蔽 和 搭接 等)的主要原理 、设 计原则 和详细 设计方 法。 本规范 适应于确 定 产品 结构方 案和进行详细 结构设计, 是确 定产品 电 磁兼容方 案中结构 屏蔽 方案的依据。华为公司所有需要屏蔽 的产品 结构方 案必须符合 本规范的 相关 规定。 2引用标准 下列标准 包含 的条文 ,通过在本规范中引用而构成本规范的条文 。在 标准 出版时 ,所示版本均为有 效。所有标准 都会被修订 , 使用本规范 时应 探讨 、使用下列标准 最新版 本的 可能性。 GJB 1046 舰船 搭接 、接地 、屏蔽 、滤波及电 缆的电 磁兼容性要 求和方
11、法 GJB 12190 接地、搭接 和屏蔽 设计的 实施 MIL-HDBK-419 电子设备和设 施的接地搭接 和屏蔽 IEC TS 61587-3 Electromagnetic Shielding Performance Tests for Cabinets, Racks and Subrack of IEC 60917 and IEC 60297 IEEE299-1997 IEEE Standard Method of Measuring Effectiveness of Electromagentic Shielding Enclosures ARP1705 Coaxial Test
12、Procedure to Measure the RF Shielding Characteristics of EMI Gasket 11 Materials DKBA0.400.0038V2.0 屏蔽材料 的代码 规范 DKBA0.460.0030V1.0 屏蔽材料 导电性 能测试 规范 DKBA0.460.0031V1.0 屏蔽材料屏蔽 性能测试 规范 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 12 页, 共 133 页 I.术语 本规范中的术语符合 IEC50-161 电磁兼容性术 语 的规定。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可
13、不得扩散第 13 页, 共 133 页 II.电磁场的基本概念 如果要 深入 理解电磁兼容的理论,找到解 决实 际问题 的方 法,需要了 解一点 电磁场的基本概念。这样才 能对 许多 产品 设计中的 现象进行 合理的 解释, 并运 用电磁场的 理论解决问题 ,总结经验 ,来指导产品 设计。 A. 基本概念 1.电场 根据 库 仑定律,空间 中两个点 电荷之间存 在着相互 作用力,该作用力 大小 如下式 所示,方 向满足 同性 相斥 ,异性相吸 的原则 。 F = 1 4oe q1q2 r2 式中:F 电荷之间 的作 用力 q1,q2 两个 电荷的电 量 r 电荷之间 的距离 e 媒质 的介电常
14、数 根据 库仑定律总 结出来 ,如果空间 中存在一个 电荷q1,则空间 中的 另一 个电荷q2将受到电 荷q1的作 用力,因此电 荷q1引入空间 以后,就在空间 中 产生了一种特殊的物 质 电场。电 荷q2在电场中 产生的作 用力表征了电 场的 存在。 为了 消除 电荷q2对电场作 用力的影响 ,定义电场 强度E的概念: 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 14 页, 共 133 页 E =Dqt 0 lim DF Dq 式中:DF为电荷Dq在电场中 产生的作 用力 我们 可 以发 现电场 强度 表征了电场的特性,与引进的实验 电荷无关。 电场 强度 是表述
15、电场的 重要概念, 其单位为 V?m,工程 实际中用的 更多的 是dBl V? m。 除了电 荷能够产生 电场 之外,根据电磁感应定律,交变 磁场 也能够产 生电场, 具体分析 见4.1.3节。 1.磁场 运动的电 荷形成电 流,电 流的周围 存在另外一种特殊的场, 这种场对 静止 电荷并 没有作 用力,而 是对 运动的电 荷有作 用力,这个 作用力称 为洛 仑兹力,而这种场称之 为磁场。 与电场 强度 相对应 ,磁场 用磁感 应强度B来 表征。 根据 毕奥沙伐尔定律,磁感 应强度 为: B = l 4o c Idl r 2 式中:l表示 媒质 的磁 导率, Idl 电流元 r 离电流元 的距
16、离 根据 毕奥沙伐尔定律,再运用叠加 定理就可以求得闭合载流回路 中 电流I在空间 产生的磁感 应强度 。 磁场 对 处于场中的 移动 电荷有力的作 用,这个 作用力叫做洛 仑兹力。 同样,除了空间运 动电荷,交变 的电场 也能产 生磁场。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 15 页, 共 133 页 1.电磁感应定律 在磁场中, 当一个 闭合的导电回路界 定的 曲面 中磁 通量 发生变 化时, 回路 中将产生感应电动势 : dF dt = - d dt sB $ds 感生电 动势 的方 向 由楞次 定律确定。 导电回路 中出现感应电动势意味 着在导体中存
17、在电场, 导体中自由 电子受此电场的作 用 而作定 向运 动形 成 电流,这个 电场 称为感 应电场。 电磁感 应定律得出磁场和电场 是可以转换 的。 B. 电磁场方程组 根据 上述 电磁场的基本概念和定律,总结和 推广 出来 麦克斯韦 方程组, 分别为: 麦克斯韦 第一 方程, 即全 电流定律。该方程 揭示不仅电流可以产生磁 场, 交变 电场也能够产生磁场。 ?cH $dl = s(Jc+ Jv+ 1D 1? t) $ds 麦克斯韦 第二方程, 即电磁感 应定律的推广 。该方程 揭示了 交变 电场 将在周围 空间产生磁场。 ? cE $dl = - s 1B 1t $ds 麦克斯韦 第三方程
18、, 即库仑定律的推广 。该 定律揭示了电场 与电荷源 之间 的关系。 ?sD $ds = vqdV 麦克斯韦 第四方程, 即高斯 定律的推广 ,揭示了磁 通连续 性原理 。 ?sB $ds = 0 麦克斯韦 电磁场方程组以数学形 式概括了宏观 电磁场的基本性质,是 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 16 页, 共 133 页 电磁场的基本方程。如果再加上 媒质 的状态 方程 将构成 完整的电磁场方程。 麦克斯韦 方程 揭示了 时变的电场要在 周围 空间 产生磁场, 时变的磁场 也要在 空间 产生电场。电场和磁场构成统一的电磁 现象不可分的两个 方面, 它们
19、 互相 依存、相互 制约,又相互 转换 ,形成统一的一种物 质形式就是时 变电磁场。 这种时变电磁场 用麦克斯韦 方程组 可以完整 地描述出来 。 C. 电磁波的传播特性 根据 麦克斯韦 方程组 可以看出,时变电磁场以电磁波的形式在空间 传 播, 从麦克斯韦 方程组中 导出 电场和磁场的齐次(非齐 次)波动方程, 并 在一定的 边界条件和初始 条件下有解。 由此表示电磁场在所给条件下的空 间分布和 随时间 的变化规 律,表 征了电磁波的 存在。 分析 电磁波在 空间 传输时,有 一个 十分重要的概念 就是波阻抗Z。波阻 抗是电磁波中电场 分量与 磁场 分量 的比,即: Z = E H 波阻抗
20、是表征电磁波传 输特性的 主要参数。波 阻抗随 电磁波的传 输特 性而 变化。 在分析 波阻抗时,一般定义 离源的距离r k 2o 的区域 为远场区。在 近场区,波 阻抗与源的特性有 关,如果源的特性为电 场分量 为主,则波阻抗Z值十 分大,称之 为高阻抗场;如果源的特性为磁场 分量 为主,则波阻抗Z值十 分小,称之 为低阻抗场。在 远场区,电场 分量 和 磁场 分量 相当,而且方向垂直,波阻抗Z l 0 e0 = 120o l 377(W)。也就 是说 在远场波 阻抗恒 定, 可以认为是均匀的平面波, 如图4-1所示。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第
21、17 页, 共 133 页 图 4-1 波阻抗与距发射源距离的关系 一般认 为交变 电压 源近场为 高阻抗场, 主要 分量 为电场 ;而交变 电流 源近场为 低阻抗场, 主要分量 为磁场。 分析 电磁场 近场特性 对屏蔽 设计 十 分重要, 对于 高阻抗场, 由于波阻抗大,主要是依 靠反射损耗增加屏蔽效 能;而对于 低阻抗场, 由于波阻抗十 分小,反射损耗已 经可以忽略 ,主要 是依 靠吸收损耗增 加屏蔽效能 。具体 的屏蔽机理 见6.2节分析 。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 18 页, 共 133 页 II. 电磁兼容的基本概念 A. 电磁兼容的定
22、义 电磁兼容 (Electromagnetic Compatibility )指 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 其他设备或分系统构成 不能 承受的电磁 骚扰 的能力,简称EMC 。 电磁兼容 是一个 系 统级的概念, 其含义在 于兼容的性 能,包含 不能 过 分干扰 其他设备正常工作的 能力,和具有一定的 抗干扰 能力两方面的含义。 站在不 同角度,电磁兼容可以指产品 之间 的兼容性, 也可以是产品内 部的兼容。 一般我们更 多关 注的是产品 之间 的兼容性, 包括产品 的干扰 和 抗干扰 等级。几乎 所有关于产品 的电磁兼容标准均是指 这方面的要 求,例 如
23、:GB9254-88信息 技术设 备的无线电干扰极 限值和测量 方法就是规定 了信息 设备对外的干扰极 限值。但是,产品内 部的兼容性 也是不能 忽视 的, 我司不少产品 出现过某一块单板工作, 就干扰 其余单板导致无法正常开工 的案例。 B. 电磁兼容的三要素 电磁兼容的三要素为:干扰 源、耦合通道、敏感源。研究 电磁兼容 问 题必须 从这三要 素着手,缺一不可。当我们 在研究 交换 机的干扰 问题 时, 交换 机是 干扰 源,耦合通道为空气以及各 种电缆,与交换 机在同 一个 环境 中的 其他电子设备就是敏感源。反过来当我们 研究 交换 机的敏感度(即抗 干扰 能力)时,交换 机变成了 敏
24、感源,与交换 机在同 一个 环境 的其他电子 设备变成了 潜在的 干扰 源,同时还可能存在各 类自然干扰 源,例如雷电等。 可以看出,理解电磁兼容的含义必须 站在系 统的角度,全面地 看待 问 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 19 页, 共 133 页 题,而 不能 孤立 地看待某 一个 方面。例如,结构 件本身并不存在电磁兼容 的问题 ,但是结构 件的屏蔽 功能是 抑制电磁波在 空间 传输的主要途径 ,从 而有助 于提高产品 的电磁兼容性能;反 过来看,未良好 接地 的结构 件又可 能成为有 效的天线 ,从而降低 产品 的电磁兼容性 能。 C. 如何实
25、现电磁兼容 电磁兼容 包括了对外干扰 和抗干扰 能力两 方面的含义。为了 保证 产品 的电磁兼容性能,一般规定了 干扰极 限值和抗干扰 能力的限制 值,从而保 证各种产品 在一起能够实现 兼容。 如图5-1所示, 如果产品 的干扰值低 于干 扰限制 值,抗干扰 能力高于抗干扰 限制 值,则可以认为这个 产品 符合 电磁 兼容性要 求。如果所有产品 均满足 电磁兼容性要求,则在同 一个 环境 中一 般能够实现 兼容。 图5-1: 产品的电磁兼容性要求 D. 产品电磁兼容性能具体要求 一般产品 的电磁兼容性能包括两部分:电磁发 射(EMI )和电磁 敏感 度(EMS )。电磁发 射包括辐射发射(R
26、E)和传 导发射(CE),电磁 敏感 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 20 页, 共 133 页 度 (EMS) 主要包括辐射敏 感度 (RS) 、 传导敏感度 (CS) 、 静电放电 (ESD) 、 快速瞬 态脉冲串 (EFT)、浪涌 (SURGE)、电 压跌落 与中断(DIPS)、 工频磁场 敏感度(MS)。一般产品对 电磁兼容性要求主 要是以上9项,少 数特殊的产品 可能还会有其他的要 求,例如无线基站可能还会有天线 端口 杂散发射的要求。 辐射发射(RE)是 考察 产品通 过壳体端口辐 射出去的干扰信 号。 传导发射(CE)是 考察 产品通 过线
27、缆端口 传导出 去的干扰信 号。 辐射敏 感度(RS)是考察 产品对通 过壳体端口 耦合的外部干扰 的承受 能力。 传导敏感度(CS)是考察 产品对通 过线缆端口 耦合的外部干扰 的承受 能力。 静电放电(ESD)是 考察 设备对静 电干扰 的承受能力,有 接触放 电和 空气放电两种情况 。 快速瞬 态脉冲串 (EFT) 考察 感性 负载切换产生的高频小能量 脉冲 对 设备干扰 的影响 。 浪涌 (SURGE)是考察 容性负载切换、雷电等 产生的大能量 瞬态脉冲 对设备干扰 的影响 。 电压跌落 与中断(DIPS)是考察 电网故障 、短路等造成电 压瞬时跌落 和中 断对设备干扰 的影响 。 工
28、频磁场 敏感度(MS)是 考察 产品 抗工频磁场干扰 的能力。 E. 解决电磁兼容问题的手段 为了 保证 产品实现 电磁兼容, 主要采取 的方 法有: 控制干扰 源的发 射、 抑制干扰信 号的传播以及 增强产品 的抗干扰 能力。具体 在产品 设计中 体现 为: 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 21 页, 共 133 页 ? 完善硬 件电路设计和 PCB布局设计 硬件电路是电磁 干扰 的源头,也是电磁兼容设计最关 键的环节。一般 在产品 设计中 应该充分考虑 到电磁兼容的需求 ,在电 路设计和 PCB设计中 采取 有效措施,抑制干扰 源的发 射水平。 ?
29、屏蔽 将产品 或者其局部用金属 体包起来,可以抑制电磁波 从空间 辐射出去 或者辐 射进来,起到了 降低 产品对 外辐射,提高产品 抗外部辐射干扰 的能 力。屏蔽是产品实现电磁兼容的有效手段 之一 。 ? 滤波 滤波可以把有用信号频谱 以外的干扰信 号能量加以抑制, 它既可以抑 制对外的干扰,也能够抑制外部干扰信 号对产品 的影响 。滤波是电路设计 中实现 电磁兼容的 主要手段 。 ? 接地 接地主 要的 目的是在产品内 部形成一个 低阻抗回路 以及等电位的连 接。良好 的接地 可以有 效的抑制噪声 和防止干扰 ,从而提高产品 的电磁兼 容性。 为了 保证 产品 的电磁兼容性,具体 采取 的措
30、施有许多 。在 实际产品 设 计中 应该采取哪些 手段需 要考虑 这些手段对 信号质量、散热、工 艺、成本 等其他方面的影响 ,综合各方 面的利弊,按照 系统设计的 思想 确定最终的 方案。电磁兼容 是一门实践性十分强的科学,除了理论分析指 导,还应该 更加 关注实际运 用中的 效果,在 实践中不断总结, 积累 设计 经验 。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 22 页, 共 133 页 III.电磁屏蔽的基本理论 A. 电磁屏蔽的概念 电磁场 通过金属 材料隔离 时,电磁场的 强度 将明显 降低 ,这种现象就 是金属 材料 的屏蔽 作用。我们 可以用同一
31、位置无屏蔽体 时电磁场的 强度 与 加屏蔽体 之后电磁场的 强度 之比来表征金属 材料 的屏蔽 作用,定义 屏蔽效 能( Shielding Effectiveness ,简称SE): SE = 20 lg E1 E2 ,电场的 屏蔽效能 SE= 20 lg H1 H2 ,磁场的 屏蔽效能 式中:E1,H1分别为 无屏蔽体 时的电场 强度 和磁场 强度 , E2, H2分别为有 屏蔽体 时的电场 强度 和磁场 强 度。 电磁 屏蔽 的机理分析目 前有三 种方法: 一是借 助电 路理论 中的电磁感 应原理 。交变 电磁场 通过金属 材料 表面 时,金属 材料 会由于感应电动势 而形成涡流。这个
32、涡流所产 生的磁场, 正 好与原 来的磁场方 向相 反,从而抵消了部 分原 来的磁场,起到屏蔽 作用。 另外,由于金属 材料具 有一定的电 阻,涡流在金属 材料内 部产生热消耗了 部分入射电磁波的 能力,同 样也起到了 屏蔽 的作 用。用电路理论分析 电磁 屏蔽 的机理 比较简单形象,但是它没 有反映出来 电磁场本 身的特性 对屏蔽 的影响 ,而 实际上这一点 十分重要。 一般我们 主要用电路理论来 分析 和解 释结构设计中 对屏蔽 要求的原理 ,不用于 精确计算屏蔽效能 。 二是根据电磁场 理 论。电磁波在 不同传播 媒质 的界面 ,由于波阻抗的 突变,电磁波 会发生反射 。另外,在传 输媒
33、质 中, 例如金属 材料内 部,电 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 23 页, 共 133 页 磁波 会发生衰减 。这种反射 和衰减 作用正好 就说明金属 材料 的屏蔽机理 。 三是根据传 输线 理 论,电磁波在有损耗 的非均匀传输线 中, 由于传输 线的阻抗与电磁波的 阻抗不匹配 ,电磁波 会发生反射 现象,加上 传输线 是 有损耗 的,电磁波在传输过程中 会发生衰减 。这与电磁波 理论分析 中的 反 射和衰减 十分类似,但是这种方法会比电磁波的 分析 方法更加 简便得多, 也是目 前电磁屏蔽分析 中应用 最多 的方法。 B. 连续屏蔽体的屏蔽 分析
34、金属 材料 的屏蔽 性能,一般先从连续屏蔽体 着手,再考虑 屏蔽体 上面 的缝隙 、孔洞等电 气不连续 情况。连续屏蔽体指结构 上是完整 封闭的, 电气上是连续 的均匀金属 板构成的 理想封 闭屏蔽体 。 1.连续屏蔽体屏蔽模型 假设一块连续 金属 板,厚度为 t ,金属 两侧的传 输媒质 为空气。入射 波Pi1在金属板的第一个 分界面a 上面 ,由于空气和金属板的波 阻抗突变, 电磁波的 一部分能量Pr 1被反射 ,剩余部分Pt1穿过界面 进入金属 板内 部。电 磁波在 金属 板内 部传 输时,金属 板会损耗 电磁波的 能量 使其衰减至 Pt2。透 射波Pt2到达第二个界面b 又发生反射Pr
35、2, 最后只剩下一小 部分能量Pout进 入屏蔽体内 部空间 。具体如 图6-1所示: 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 24 页, 共 133 页 图6-1:金属 材料屏蔽模 型 在上述 屏蔽模 型中,电磁波入射到金属 板上时发生反射 ,从屏蔽 的角 度看称之 为反射损耗 。透射波在 金属 板内 部传 输时衰减 的被损耗 的那部分 称之 为吸收损耗 。第二个界面上面 被反射 的电磁波在 第一个 界面 又发生反 射和透射,反复下去直到全部消耗完。这种多次反射 现象称之 为多次反射 修正因子。总之 ,金属 板的屏蔽 作用为: SE = A + R + B 式
36、中:A 吸收损耗 R 反射损耗 B 多次反射 修正因子 2.吸收损耗 根据传 输线 计算理论,可以得到 吸收损耗 的计算公式为: A = 0.131%t% f %lr%rr 式中:A 吸收损耗 ,单位 dB Pi1 Pr1 Pt1 Pt2 Pr2 Pout 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 25 页, 共 133 页 t 金属 板厚度,单位 mm f 电磁波的 频率,单位 Hz lr 金属 板的相对磁导率 rr 金属 板的相对电导率 由此可 知,金属 板 的吸收损耗正比于板 厚, 并随着入 射波的 频率、磁 导率和电 导率增高而增加。 举例:0.5mm厚的
37、铝板,计算得到30MHz时吸收损耗 为280dB。由此可见, 连续屏蔽体的吸收损耗 是十分高的,已经远远超 过了工程实际的需要,一 般工程设计中板 厚已经足够满足 要求,专门 为屏蔽考虑加厚材料并没有太 大意义。 3.反射损耗 由于一 般空气的波 阻抗远 大于金属 板的波 阻抗,金属 板的反射损耗 可 简化为: R = ZW 4ZS 式中:R 反射损耗 ,单位 dB ZW 空气的波阻抗,单位 ? ZS 金属 板的波 阻抗,单位 ? 金属 的波 阻抗为: ZS= 3.68%10- 7f %lr/rr 空气的波 阻抗ZW表征了电磁波的传播特性, 与源的特性, 离源的距离 等因素有关,具体分析 见4
38、.3节介绍。根据 不同场 合下空 气波阻抗的不同, 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 26 页, 共 133 页 可以得到: i. 位于远场区时: R = 168 - 10lg flr rr 可见随着频率的增高,反射损耗降低,金属 板的导电率越低,反 射损耗 越大,而 导磁率越低,反射损耗反 而变小。 ii. 近场主要为电场 时: R = 322 - 10lg f3r 2l r rr 式中:r金属 板到源的距离,单位 m。 可见近场为电场 时,反射损耗 除了与频率、导电率、导磁率相关 之外,还与金属 板到源的距离有关,而 且离源越近,反射损耗 越大。这就
39、是屏蔽 电场 时屏蔽体离 源越近越好的原因。 iii. 近场主要为磁场 时: R = 14.6 + 10lg fr 2r r lr 可见近场为磁场 时,反射损耗随 着频率、导磁率的增加而增加, 随着导 电率的增加反而减小。同时请注意反射损耗随 着距 离的增加而增加, 这就是屏蔽 磁场 时屏蔽体离 源越远越好的原因。 4.多次反射修正因子 多次反射 修正因子 的计 算方法十分复杂,不 但与波阻抗的幅值有关, 还与电磁波的 相位有 关。如果吸 收损耗 A m10dB,就可以忽略 多次反射 因 子的影响 。由于我司结构 件考虑 强度 的需求 ,板厚一般均已经足够保证 吸 收损耗A m10dB,除薄膜
40、 屏蔽 之外,一般均可 以忽略 多次反射因子的影响 。 所以本 文不再详细分析 多次反射 修正因子的计 算,详细内 容可以查阅 相关 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 27 页, 共 133 页 资料。 5.薄膜连续屏蔽体的屏蔽 薄膜 屏蔽 的屏蔽体 的厚度t足够小,满足: t 10dB时,多次反射 修正项可以忽略 ,否则: B j 20lg 1- (xNx- 1) 2 (xNx+1) 2%10 - A/10 (dB) K1项,如果干扰 源非常靠近 屏蔽体 ,则K1值可以忽略 。当干扰 源到屏 蔽体 的距离比孔眼间距大 得多时 ,孔数修正项可表示为 K1=
41、 - 10 lg an (dB) 式中:an 空隙率。 K2项: K2= 20 lg(1 + 35p - 2.3) (dB) 式中: p 孔间导 体深度集肤 深度 K3项,当穿孔金属 板上孔间距小 ,并且孔深比孔径小得多时 ,相邻孔 之间 有耦合作用,耦合修 正项表示为: K3= 20 lgcoth( A 8.686 ) (dB) 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 33 页, 共 133 页 举例:1mm厚电解板,开孔4mm,孔间距6mm,孔数量为50確50,则50MHz 时计算出屏蔽效能为60dB。这个数据 与实际测试基本相符。 通过上面 的分析 公 式
42、可 以看出,穿孔金属 板开孔 的最大 尺寸 对屏蔽效 能影响 最大 ,其次 是孔 深,影响 最小 的是孔 间距 。因此在 可能的情况 下尽 可能开 很密的通风孔 ,有 利于散热。 当穿孔 金属 板的空 隙率不够高 或者屏蔽效能不 够高 时,可以使用截止 波导通风板 。 截止波导通风板 的结构 形式如图6-4所示。它是用 许多 截止波导组成的, 截止波导的深度大大 增加了电磁波的 衰减 。 图6-4:截止波导通风板 的结构 形式 图6-5:截止波导的结构 形式 截止波导的截面形 式主要有三 种:圆形、矩形、六角形,如图6-5所示。 这三种波导管的截至频 率fc分别为: fc= 15 a%109
43、(Hz) 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 34 页, 共 133 页 fc= 17.6 D %109 (Hz) fc= 15 w%109 (Hz) 式中: a 矩形波导管最大 边尺寸(cm) D 圆形波导管的内直径(cm) w 六角形波导管内壁的外接园直径(cm) 当电磁波的 频率远低 于波导管的截至频 率时,单 个截止波导的屏蔽效 能为: SE= 1.823 %fc%l %10- 91 - f fc 2 (dB) 式中:SE 屏蔽效能(dB) f 电磁波的 频率 (Hz) l 截至波导的长度 (cm) 设计 截至波导管时,应根据 欲屏蔽 的电磁波的 最
44、高频率f来确认截至频 率fc, 为使波导管有足够的屏蔽效能 , 应满足 fc f, 一般取fc= 5 i 10 %f , , 由f c的计 算公式得到 截面尺寸,并综合考虑 安装 、加工、造型方 面的要 求, 最 后 按 所 需 要 的 屏 蔽 效 能 计 算 截 至 波 导 管 的 长 度 , 一 般 要 求 l 3a,l 3D,l 3w。 3.电缆穿透 上面 所 有的 分析 中 均仅仅 是分析 了屏蔽体 本身的屏蔽效能 ,如果有一 个导 体从屏蔽体 中穿出去,将对屏蔽体 的屏蔽效能产 生显著的劣化作 用。 这种穿透比较典型的 是电缆从屏蔽体 中穿出。 文档名称文档密级 2006-02-06
45、 华为机密,未经许可 不得扩散第 35 页, 共 133 页 图6-6:电缆穿透原理 图 电缆穿 透的数学模 型十分复杂,为了 直观地分析 这种穿透对屏蔽 的破 坏作用,我们 可以简单地将电缆简化成 一个导 体,忽略 电缆芯线的影响 , 如图6-6所示。电 缆在屏蔽体内 部为 AB段,在 屏蔽体 外部为 BC段。屏蔽体 内部的 干扰耦 合到电 缆AB 段上面 ,产生干扰 电流Is 。干扰 电流流 过B点时 , 由于B点与屏蔽体 之间未 连接 ,ZB足够大,因此干扰 电流直接穿透屏蔽体 到 BC段。在 BC段干扰 电流通过空间向 外辐射。等 效电路图如图6-7所示。 图6-7:电 缆穿透等效电路
46、图 如果在B点保证 与屏蔽体 之间 的可靠接触, 可以认为ZBj 0, 因此Iej 0, 电磁波在 屏蔽体 外部基本 无辐射。等 效电路图如图6-8所示: A B C 屏蔽体 ZsZe IsIeAB C 机壳地 ZB 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 36 页, 共 133 页 图6-8:电 缆接地 时等效电路图 如果B点与屏蔽体 之间 接触不可靠,将增大ZB值,结 果导 致Ie增加,对 外辐射上升。这就是要求屏蔽 电缆出屏蔽体 时必须 接地 ,而 且接地 十分良 好的原因。当然,如果在出线位置加穿心电容 之类的滤波器,同 样也是降 低了ZB,达到减小对外
47、辐射的目的。 上面 将 电缆简化成 一个导 体,忽略 了芯线的影响 ,从而清楚 地阐述了 屏蔽 电缆需 要可靠接地 的原理 。实际上,由于芯线的存在, 芯线的干扰 电 流将更加 直接,而 且芯线可能与屏蔽 层之间 直接形成干扰 电流的回路 ,因 此对屏蔽 性能的破坏 实际上还要大得多。 4.屏蔽体的综合屏蔽效能 上面 讨论 了各 种缺 陷的屏蔽效能 ,往往 实际 屏蔽体 中包括各种缺陷, 实际屏蔽体 的屏蔽效能是 综合反映各种缺陷以及 屏蔽体 本身性能的结 果。 按照 传输线 的理论,如果近似认为各 种缺陷电磁波传 输的相位相同, 则综 合屏蔽效能 SES为: SES= - 20lg n i=
48、1 S10- SEi 20 式中:SEi 各种缺陷的屏蔽效能 。 上述 分析 方法是 按照 最不利的情况 得出的结 论,实验数 据表 明,实际 ZsZe IsIeAB C 机壳地 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 37 页, 共 133 页 结果会 有2dB以内的误差,对于屏蔽分析而言,这种误差是可以忽略 的。 按照 上面 的分析 方 法,我们 可以根据 屏蔽体 上面 各种缺陷的屏蔽效能 综合成实际屏蔽体 的屏蔽效能 。实际屏蔽效能 一般取决于屏蔽体 中屏蔽效 能最差的哪一个 缺陷。因此屏蔽 设计中 需要注意考虑 屏蔽体 的完整 性, 不 能有比较明显 的
49、缺陷,将局部缺陷设计比其他的好很多也没 有意义。 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 38 页, 共 133 页 IV.屏蔽设计 A. 选择屏蔽效能指标 结构 件的屏蔽效能指 标与产品 EMC息息 相关 ,具体与 RE、RS、ESD关 系最密 切。根据公司 产品 的实际情况 ,结构 件的屏蔽效能指 标对RE影响 最 大,其余的影响 比较小,因此我们 可以先忽略其他指标的 影响 。理论上讲, 在整个测试 频段将RE测试 值减去限制 线规定 值,再加上 安全裕量 就是结构 件所需 的屏蔽效能 。如图7-1所示,产品 的RE测试 结果超过了限制 线CLASS B规定 值15dB左右 ,因此我们 可以初步估 计机柜 的屏蔽效能 要求为30-1000 MHz为20dB,其中5dB为裕量 。 图7-1:某产品 RE测试 结果(未屏蔽) 但是这种估算方法是不 严谨 的。 RE测试 值与许多 因素有关,特别系 统 是带电缆测试 时,线缆辐射很可能是 引起RE超标的主要原因,仅仅 改善结 文档名称文档密级 2006-02-06 华为机密,未经许可 不得扩散第 39 页, 共 133 页 构件并没有太大的作 用。再者,结构 件屏蔽效能 的测试 方法和最终产品 的 RE测试 之间 还是有一定差异的,
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