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原创 7th原创赛

EMC/EMI关于屏蔽机箱和屏蔽体设计的讨论

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a422877308
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  • 2017-8-2 22:42:43
相信各位对屏蔽机箱和屏蔽并不陌生,搜了一下论坛中关于该类问题还没有个比较明确的帖子,所以本人拿出来跟各位讨论

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a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2017-8-2 23:04:18
 
如一楼所示,常见的屏蔽体大都为金属结构,如机箱机柜。除去金属外壳,还有显示窗,通风口,线缆接口,按键面板等等。全封闭的金属机箱是不存在辐射超标问题的,铝合金不锈钢等材质会提供非常高的屏蔽效能。引起辐射问题的常常是显示窗、通风口、线缆、机箱缝隙等部位。
a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2017-8-3 22:27:26
 
屏蔽机箱的设计首先需要了解和熟悉的理论,当属谐振腔理论了。该理论解释了封闭腔体内电磁场的谐振,导致机箱内部噪声幅值被抬高的现象。LC谐振电路大家都很熟悉,与LC电路不同的是,腔体谐振属于电磁场谐振。

根据谐振腔理论,求矩形箱体的谐振频率fmnl(MHz):
     
式中:m,n,l分别为谐振模次;a,b,c分别为矩形箱体的长、宽和高,单位:m

所有的屏蔽机箱,都无法做到完全的屏蔽,所以,机箱上不可避免出现如散热孔、线缆接口、按键、显示窗口、机箱各部件搭接的缝隙等等。
机箱内的谐振会严重降低屏蔽效能,这些电磁泄露位置都将会是内部噪声向外辐射的路径。
产品在初始设计时,都会确定结构尺寸等参数。从上面式子可以看出,机壳的尺寸决定了需要对付的谐振频率是高频还是低频。对于有较大机箱的产品,

因为其内部谐振的频率更低,所以各缝隙、通风口等更需要重视。
gxg1122
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  • 2017-8-4 10:43:27
 
期待楼主的讲课。这个有点类似于无源腔体滤波器的设计,原理差不多。都是处理某频段的信号。
gxg1122
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LV8
副总工程师
  • 2017-8-4 10:44:06
 
公式中m   n   l谐振模次怎么取值了?
a422877308
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  • 2017-8-7 09:52:18
 
当矩形波导横截面用导体板短路时,传输的电磁波(矩形波导内的电磁场模式主要是TE模和TM模)将被反射回去,在波导传输方向上形成驻波,当驻波的另一端同样放置一个导体板,就构成矩形谐振腔。上面的参数取整数,最小的频率模式称为主模。其余为高次模。
fanren1
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高级工程师
  • 2017-8-3 09:01:48
 
恩恩 ,稀缺的,也是最需要交流讨论的,也将最为关注。期待和预祝楼主了
YTDFWANGWEI
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  • 2017-8-3 09:35:48
 
讲一下与结构设计有关的,相信大家做电的,对结构设计这块可能多少欠缺一点。
gxg1122
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  • 2017-8-3 13:24:58
 
机箱的屏蔽是很重要,尤其高频应用机箱,有时候莫名干扰及问题。
XIAOTU80
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  • 2017-8-3 18:36:38
 
机箱确实很重要,EMC测试能不能顺利通过,机箱也起重要作用
a422877308
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  • 2017-8-7 20:28:15
 
电磁屏蔽的类型
电磁屏蔽按其屏蔽原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和点磁场屏蔽。其中,电场屏蔽包括静电场和交变电场屏蔽,磁场屏蔽包括恒定磁场和交变磁场屏蔽,而对于静电屏蔽,又可以分为外电场屏蔽和内电场屏蔽两种情况。无论何种屏蔽从其实质来说都是研究电磁场在各种具体的局部空间如何分布的问题。实际应用中要根据场源的不同选用不同的屏蔽方法。


a422877308
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  • 2017-8-7 20:49:42
 
横电场和恒磁场屏蔽方式较为简单,且在实际的机箱中不存在,这里就不多讨论了。交变电场的屏蔽原理可以利用下图所示的电路模型和电路理论说明。图中干扰场源为A,接收器为B,屏蔽体为S,三者之间及其与大地间的电场感应效应用耦合电容来描述。

图(a)为不加屏蔽体的情况,可以知道B的电场电压为A点电压乘C1/(C1+C2)
图(b)为加入屏蔽体的情况,B点的电场电压为


由于S与A的距离小于B与A的距离,S的面积通常大于B的面积,因此C3、C5均大于C1。比较式(1)和式(2)可以看到,屏蔽体若不接地,A与B的电场感应仍然很强,甚至会比无屏蔽体时更强。
图(c)为加入屏蔽体且屏蔽体接地的情况,B点的电场电压为

由于C''1≪C1,因此V''B≪VB,表明场源A对接收器B的电厂感应作用大大减弱,屏蔽体S起到了屏蔽的作用。如果屏蔽体S为无穷大,或者将整个场源A包围起来时,C''1将趋于零,B的感应电压将减小为零,达到了完全屏蔽的作用。所以,对于交变电场的屏蔽,屏蔽体必须良好接地。

a422877308
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  • 2017-8-7 20:57:07
 
磁场的屏蔽主要以低频磁场的屏蔽为主,高频磁场可以利用良导体中感应电流产生与源磁场相抵消的磁场来实现屏蔽。低频磁场在良导体中的穿透能力较强,必须依靠高磁导率材料,使磁场通过磁阻较小的屏蔽体而不扩散到周围空间。因此,磁屏蔽通常选用铁磁材料,如铁、硅钢片、坡莫合金等。
a422877308
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  • 2017-8-7 21:16:57
 
目前,常用的计算均匀屏蔽材料屏蔽效能的方法是谢坤诺夫(Schelkunoff)公式。该公式利用了传输线模型,适用于导体平板型屏蔽材料,具体形式为

式中 f——电磁波频率,Hz;
t——屏蔽材料的厚度,m;
r——场源至屏蔽材料的距离,m;
μ_r——屏蔽材料的相对磁导率;
σ_r——屏蔽材料相对于铜的电导率,常用金属的σ_r列于表1中。


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a422877308
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  • 2017-8-7 21:38:41
 
对于军工类,医疗类的产品,显示窗口的电磁屏蔽十分必要。视窗类屏蔽主要用到的材料有镀膜屏蔽玻璃和夹丝网屏蔽玻璃等。
镀膜玻璃目前用到最多的是ITO镀膜,具有透光率高、无光学畸变、膜层坚固抗氧化等特点,其表面膜阻值在几欧姆到十几欧姆不等。
也有少量高端产品采用LOW-E镀膜技术,ITO镀膜为氧化铟锡膜层,其表面电导率较低,LOW-E镀膜采用多层纳米银层和锡、镍、钛等
导电层。因为LOW-E中采用纯度为99.999%以上的银层,所以其导电性优异,并且膜层对红外线、紫外线有很好的吸收效果。

下图为ITO镀膜玻璃的参数,(数据来自某著名厂家)

夹丝网屏蔽玻璃为将经过导电防腐蚀处理的低阻抗高密度金属丝网通过特殊工艺夹入两层光学玻璃或聚丙烯树脂之间,具有结构坚固、
透光性好、显示失真性小、屏效高等优点,还可在设计时选用彩色滤光片和用来增强对比的偏振片,可以灵活方便地满足特殊场合下
的光学和屏蔽要求
下图为夹丝网屏蔽玻璃的参数

a422877308
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  • 2017-8-7 22:05:47
 
设备的线缆一般为电源线和信号线,某些标准(如GJB151B)不允许电源线有屏蔽层。所以着重讨论信号线。
信号线上的屏蔽层一定程度上可以理解为屏蔽机箱的延伸,在允许的情况下,信号线的两端都能与屏蔽体形成
良好的电气搭接最好,在条件不允许的情况下,如网线一端可为航插,另一端为RJ45的情况。这时保证噪声信号
源在航插一端最好。下图对一段线缆在不同的接地方式下远场的辐射情况进行仿真。可以看到两端接地和靠近噪声
源一端接地的远场辐射最小。

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liguanghui2588
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  • 2018-2-11 23:22:37
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这个是计算公式?
dxsmail
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LV8
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  • 2017-8-8 14:27:14
 
坐下听课。。。最近在研究军工的电源。。。
a422877308
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  • 2017-8-8 21:43:30
 
    线缆的屏蔽一般用铜丝编织屏蔽线,有纯铜的也有镀锡的,其屏蔽效果受屏蔽层的密度影响,在加装屏蔽层时,确保屏蔽层紧贴线缆,必要时可以在外部套热缩管,确保最佳屏蔽效果。条件允许下,可以用铠装导线。
    标准不允许电源线缆的双绞,机器内部可以采用。双绞结构中,磁场发射可以得到有效抑制。

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a422877308
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  • 2017-8-9 20:08:35
 
以金属板缝隙电磁泄露为例,分析缝隙对电磁波的泄露,如图所示。当屏蔽壳体有缝隙时,通常磁场泄露的影响要比电场泄露的影响大。在大多数情况下,采用减少磁场泄露的方法也更适用于减少电场的泄露。因此要重点研究减少磁场的泄露。通过金属板缝隙泄露的磁场为:



a422877308
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  • 2017-8-9 20:10:32
 
由上式分析可知,缝隙深而窄(即t大而g小),电磁泄露就小。在缝隙尺寸一定的情况下,频率越高,缝隙泄露的影响就越大。因此,被屏蔽的场频率越高,就越需要注意减小屏蔽体的缝隙。
通过缝隙的衰减量S_g为:
由上式可知,当g=t时,Sg=27dB,即当屏蔽壳体上的缝隙间距等于屏蔽壳体的厚度时,通过缝隙的衰减量约为27dB。

a422877308
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  • 2017-8-20 14:44:54
 
借助CST对其进行仿真计算,仿真调节设置为长宽200mm,5mm厚的铝板,孔隙率25%。均匀分布在板上,分别为圆孔,方孔,长条孔。
圆孔和方孔均为20*20排列,长条孔为竖列20排。

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a422877308
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  • 2017-8-20 14:51:27
 
圆孔和方孔为对称排列,所以入射电磁场的极化对其屏蔽效能SE的影响不大,而长条形为非完全对称结构,所以电场沿x轴与沿Y轴的结果不同。先将电场设置为沿x轴入射。入射波为TEM波,最终结果如下图,可以看到在电场沿X轴极化的条件下,其屏蔽效果要优于圆孔和方孔(数值越低屏蔽越好)

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a422877308
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  • 2017-8-20 15:00:26
 
当改变极化方式为电场沿Y轴时,可以看到,长条形孔几乎丧失了屏蔽效果,高频下在电磁场的激励中二次发射的情况,导致其比入射电磁场的值还高,也就是说该结果不仅没有屏蔽效果,反而加剧了电磁场发射,这是屏蔽体设计最不愿意看到的结果。

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沿Y轴极化空间电场

沿Y轴极化空间电场

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沿Y轴极化空间电场

沿Y轴极化空间电场
a422877308
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  • 2017-8-21 21:52:35
 
带显示窗口的屏蔽,必须用到前面提到的夹丝网屏蔽玻璃,或者ITO镀膜屏蔽玻璃,但是这两种材料对低频2MHz左右的屏蔽效果都比较差。如采用150目左右的不锈钢丝网对风扇出风口进行屏蔽,采用进场探头对比屏蔽效果,可以看到10MHz以下几乎没有屏蔽效果。所以机箱的设计要极力避免低频噪声源暴露在孔缝附近。

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屏蔽前

屏蔽前

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屏蔽后

屏蔽后
a422877308
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  • 2017-8-21 22:21:21
 
对于含有触摸屏,尤其是电容触摸屏的处理就比较难了,因为电容式触摸屏外部是不允许有导电材料出现的,否则触摸屏将无法工作。这也就意味着触摸屏外无法加屏蔽。但是触摸屏中的ITO(氧化铟锡)透明布线连接着触摸屏芯片,一般分两层布线,一层为RX(信号发射端),一层为TX(触摸信号捕捉端),通讯接口以IIC居多,其频率为几十KHz到300KHz左右,十倍左右谐波会影响到RE2MHz的低频。对于这种特殊情况,硬件设计前期就应该早做考虑,因为触摸屏一旦定型,改版成本略高。建议在RX发射端加排阻,因为触摸屏芯片源阻抗很高,串电阻的方式可以利用分压降低发射幅值。一般几K的电阻都可以正常工作。

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a422877308
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  • 2017-8-21 22:32:35
 
上图中的触摸屏设计并不合理,第一,其将RX和TX线同一布触摸屏底部,这会导致走线过长,拐角处阻抗不连续,增加对外辐射。第二,芯片为单一封装,TX和RX信号在内部耦合严重,限制了在RX上串电阻的阻值。而且这种触摸屏没有给EMC整改预留任何空间,操作上难度很大。像下图中的设计就比较好。当然最好TX和RX信号分别沿宽边和长边出线,将软排线放在机器内部加以屏蔽的做法更好一些。

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a422877308
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  • 2017-8-22 22:30:37
 
从杨继深老师的书上可以看到,金属铝材料对电场的屏蔽在低频和高频均有较高的屏蔽效能,但是低频磁场的屏蔽效果很差。





a422877308
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  • 2017-8-22 22:31:45
 
电磁场屏蔽效能SE=反射损耗+吸收损耗+多次反射损耗+修正系数,即谢坤诺夫公式,适用于导体平板型屏蔽材料。
研究表明当吸收损耗大于15dB时,多次反射损耗可以忽略不计。
a422877308
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  • 2017-8-22 22:32:54
 
对于电场波而言:第一个界面的反射损耗较大,第二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言,第一个界面的反射损耗较小,第二个界面的反射损耗较大。反射损耗的计算公式如下:

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a422877308
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  • 2017-8-22 22:42:08
 
从上式可以看出,屏蔽材料特征阻抗一定的前提下,电磁波的波阻抗越高,则反射损耗越大。而较低阻抗的辐射源产生的电磁波以磁场为主,具有较低的波阻抗,因此这种电磁波的反射损耗较小。而较高阻抗的辐射源产生的电磁波以电场为主,具有较高的波阻抗,这种电磁波的反射损耗较大。当距离辐射源较远时(>波长/2π),电磁波的波阻抗与辐射源没有关系,仅与传播电磁波的介质有关,在空气中传播的电磁波的波阻抗为120π(377Ω)。
对于远场区域的电磁波,反射损耗为:

a422877308
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LV8
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  • 2017-8-22 22:49:04
 
从楼上可以明显看出,电场的屏蔽很容易,磁场的屏蔽较难,而低频下主要以磁场为主,屏蔽体又处于近场范围。所以利用铜、铝等金属材料很难屏蔽掉。对于低频屏蔽的金属材料,主要以铁磁性材料为主,因为自然界存在自由电子,尚没有发现与电子对应的磁子,所以只能利用铁磁材料中的磁畴等效磁子作用。
因为磁畴存在磁滞效应,所以当频率升高,磁畴将会来不及相应,磁导率会下降。坡莫合金在1KHz以下可以提供一万多磁导率,到了高频会降低到接近空气。



liuxiaofei126
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  • 2017-9-3 15:42:35
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屏蔽机箱做的不错,学习一下
liguanghui2588
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  • 2018-2-21 20:50:35
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你好,楼主,您对电容触摸屏挺熟悉的,有个设备触摸屏坏了,配件不好找,能帮忙吗
liguanghui2588
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最新回复
  • 2018-2-21 20:52:31
  • 倒数1
 
这种电容屏好维修吗
XIAOTU80
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用什么软件画的这个机箱
a422877308
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  • 2018-2-8 10:22:34
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用PRO-E画的
XIAOTU80
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  • 2018-2-9 20:30:55
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PRO-E是三维软件吧,也能像AUTOCAD软件画出来整个机箱的尺寸结构图?
a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2018-2-13 18:32:19
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跟cad比,proe本来就是更专业的三维绘图工具,也可以做二维加工图纸
XIAOTU80
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版主
  • 2018-2-19 00:20:55
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提前画好结构图,让大家可以直观的判断是否完美了
现在有的品牌很注重外观
XIAOTU80
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  • 2018-2-19 00:19:12
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这个机箱看着很有立体感
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