电子设备结构设计中的电磁兼容

【摘要】电磁兼容性在电子设备中占有重要的地位，电磁干扰直接影响到设备能否正常、可靠的工作。本文从结构设计方面介绍了电子设备的电磁兼容设计的方法以及几种常用的屏蔽材料。

【关键词】电磁兼容；电子设备；接地；屏蔽

1.前言

国军标（GJB72A-2002）中给出电磁兼容（Electromagnetic Compatibility即EMC）的定义是：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态：包括以下两个方面：

a）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现正常的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；

b）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。

对于从事军工产品的设计人员来说，应当尤为重视产品的电磁兼容性设计。在飞机上，狭小的空间中装备着大量的各种类型的电子设备，如通信系统、导航系统、发射系统、天线、雷达等等，导致电磁环境极为复杂，相互间的电磁干扰十分严重。因此，电子设备的电磁兼容设计对飞机性能有着重要的影响。

2.电磁兼容设计的目的

电磁兼容的主要课题就是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备与其它设备在一起工作时，不引起设备任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备应该既不辐射任何不希望的能量，也不受任何其他能量的影响。本文从结构设计方面介绍相应的电磁兼容设计方法。

在电子设备结构设计中，电磁兼容设计思想就是通过合理的接地、搭接和屏蔽等方法，将外系统对本设备干扰以及本设备对外部的干扰减弱。

3.电磁兼容设计方法

对于新研制的电子产品，应当从方案设计阶段就考虑电磁兼容问题，进行电磁兼容设计。在设计阶段考虑电磁兼容要远比研制样机采取措施来满足电磁兼容要求容易的多。况且在很多的时候，对已成型的产品，电磁兼容问题已经很难解决甚至无法解决，造成产品研制的反复。因此，电子设备必须在设计阶段就考虑电磁兼容问题。

3.1 接地

3.1.1 接地的目的

电子设备的接地是电子设备的一个很重要问题，正确的接地方法可以减少或避免电路间的相互干扰。接地目的有三个：1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。

因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位。尽管从功能的观点出发并不需要将一个等电位面端接至大地，但端接至大地对工频和射频信号都呈现出很低的阻抗。

3.1.2 电路接地的方式

不同的电路采用不同的接地方法。以下介绍几种电路的接地方法：

串联一点接地

将各电路串联后在一点接地。这种情况一般是将接地点放在低电平点。这种接法最简单，抑制干扰能力差，仅适用于低频电路。

并联一点接地

将各电路并联后在一点接地。这种接法各电路的电流自成回路，彼此独立，避免了各电路的相互串扰。但接地电阻较大，当工作频率较高时，底线容易产生辐射干扰。因此，并联一点接地也仅适用于1MHz以下的电路。

多点接地

多点接地时接地电阻较小，电路在高于10MHz时可用多点接地。但此时总地线应适当的宽些，长度也不宜过长，最好不超过0.15波长，同时地线与机壳应绝缘。

3.1.3 整机的接地

整机接地也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一。由于各功能不同，电路差别很大，接地状况也就大不相同。一般常用方式是：将模拟电路、数字电路、机壳分开，各自独立接地，避免相互间的干扰。最后再三地合一接入大地。这种方式较好的抑制了电磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。

3.1.4 搭接与接地的关系

电子设备的简单接地，是为了获得安全保护或者实现抑制噪声防止干扰所采取的措施之一。为了给交流供电电流和接地系统提供一条有效的低阻抗通道，必须把各种导体、电极、设备和其他金属物体连接或搭接在一起。这种搭接点的性能必须在很长的时间期限内保持不变，以免起始建立起来的搭接性能质量逐渐衰减。搭接是金属物体之间获得低阻抗的互连，因此还要防止由互连建立起的通路因腐蚀或机械松动逐渐变坏。

a）在搭接之前所有搭接表面必须予以清洁处理；

b）如果金属材料的防护涂层的导电性低于金属材料的导电性，在搭接前要清除搭接区域的该防护层；

c）搭接面的防护涂层被去除后，应立即进行搭接实施，以免氧化；

d）当不同金属材料之间彼此直接接触时，避免化学电位相差大的两种金属紧密接触，防止形成电化偶产生电化学腐蚀。

3.2 屏蔽

3.2.1 屏蔽的作用

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽技术是电磁兼容技术的重要组成部分，是解决电磁辐射的最有效手段之一。

3.2.2 屏蔽措施

3.2.2.1 采用屏蔽罩

对于已确定的干扰源或易扰器件（敏感器件），可将其封于金属材料的屏蔽罩内；屏蔽罩采用铝、铜等金属结构件，选用导电性较好的表面处理。屏蔽罩的设计要注意：

屏蔽罩上尽量减少孔洞，如果无法避免时，可使用多个小圆孔避免使用大圆孔，尤其是长度较大的长条孔；

通过屏蔽罩的引线加装穿心电容，引线通过穿心电容穿过屏蔽罩与元件连接。

3.2.2.2 紧固点的间距

紧固点的紧固方式指采用螺钉连接、铆接、点焊等方法使两个零件的结合面结合在一起的措施。实际设计中，由于其他因素往往会受到限制，紧固点的间距一般就直接决定了缝隙的最大尺寸（长度），是影响缝隙屏蔽效能的最主要因素。由于目前尚无实用的计算方法计算缝隙的屏蔽效能，紧固点的间距只能按以下经验数据取值：

无线电产品或工作频率超过100MHz的产品，紧固点的间距取值20～50mm；

工作频率不超过100MHz的产品，紧固点的间距一般为取值50～100mm。

3.2.2.3 电缆的屏蔽

电缆的屏蔽有以下几种形式：

a）一般情况下使用屏蔽电缆，将电缆的屏蔽层与连接器的外壳连接。这种形式下的屏蔽效能取决于插头的屏蔽效果；

b）通过EMI滤波器连接。即电源线通过电源滤波器连接，信号线采用滤波连接器转接。这种方式即可滤波，又可实现屏蔽。

3.2.2.4 屏蔽材料的选用

选择适当的屏蔽材料及正确地使用这些材料，是达到目标屏蔽效果的重要环节。以下是几种常用的屏蔽材料：

铍铜指形簧片

铍铜具有优良的弹性和导电性，是非常理想的电磁密封材料。指形簧片允许滑动接触的，压缩形变范围大。簧片背后带有不干胶，可直接粘接在接触面上。另外，这种簧片可以在其中填充磁场吸收材料，增加磁场的屏蔽效能。 （下转第165页）（上接第163页）

导电橡胶

导电橡胶是在硅橡胶中均匀分布微细导电颗粒制成的，能同时提供环境和电磁密封。常用的填充颗粒有银颗粒，镀银铝颗粒和镀银玻璃球颗粒。

导电橡胶材料主要有导电橡胶板和导电橡胶条，导电橡胶条又有各种形状截面的实心导电橡胶条和空心导电橡胶条。

金属丝网

利用金属丝编织而成的屏蔽材料。属于一种廉价的电磁屏蔽材料，可用于高频屏蔽效能要求不高的屏蔽场合。

屏蔽胶带

由铜或铝箔加上导电背胶构成的胶带。直接贴在屏蔽体上的缝隙处消除缝隙的泄漏。使用时要注意粘接的金属表面必须是导电的，并要反复碾压胶带，否则导电胶不能发挥其高导电性。

屏蔽玻璃

在玻璃中间夹一层丝网或者在玻璃上镀金属膜实现屏蔽的玻璃。丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能较高，但是屏蔽网会使光线损失15%～20%左右，从而造成观察困难。通过合理选择屏蔽网的目数达到在光线损失允许的范围内使得电磁兼容达到要求。镀膜屏蔽玻璃的屏蔽效能较丝网屏蔽玻璃略差，对光线的损失也较小，但要防止镀膜损伤对屏蔽效能造成影响。

近年来，电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上，于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板，对仪器的正常工作产生有害的干扰，而仪器所产生的电磁波，也非常容易辐射到周围空间，影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求，人们在实践中，研究出塑料金属化处理的工艺方法，如溅射镀锌、真空镀（AL）、电镀或化学镀铜、粘贴金属箔（Cu或AL）和涂覆导电涂料等。经过金属化处理之后，使完全绝缘的塑料表面或塑料本身（导电塑料）具有金属那样反射（如手机）。吸收、传导和衰减电磁波的特性，从而起到屏蔽电磁波干扰的作用。实际应用中，采用导电涂料作屏蔽涂层，性能优良而且价格适宜。在需要屏蔽的地方，做成一个封闭的导电壳体并接地，把内外两种不同的电磁波隔离开。实践表明，若屏蔽材料能达到30～40dB以上衰减量的屏蔽效果时，就是实用、可行的。

4.结束语

保证设备的电磁兼容是一项复杂的技术任务，对于这个问题不存在万能的解决方法。电磁兼容技术涉及面很广，电磁兼容领域也正在发展，重要的是掌握有关电磁兼容的基本原理，认真分析和试验，就能选择合适的解决问题方法。

参考文献

[1]王定华.电磁兼容原理与设计[M].电子科技大学出版社，1995.

[2]冯正进，刘利，李行国.机电一体化系统中的电磁兼容性问题[M].电子科技大学出版社，1995.

[3]莫世禹.通信设备中的电磁兼容设计方法[D].南京：中国电子学会机械电子工程（微波）分会，电子机械与微波结构工艺学术会，2006：58-62.

作者简介：

吕景峰（1977—），男，陕西人，工程师，长期从事机载电子设备结构设计工作。

陈玲香（1964—），女，陕西人，高级工程师，长期从事机载电子设备标准化工作。