电缆穿过屏蔽机箱的屏蔽技术

2018-05-07王宇虹

中国设备工程 2018年8期

关键词：密封垫机箱电子设备

王宇虹

（中电15所，北京 100083）

1 概述

在电子设备的机箱中，有一类机箱很特殊，那就是屏蔽机箱。屏蔽机箱是利用金属导电性抑制机箱内电子部件和机箱外电子设备相互电磁耦合干扰的机箱。

在预期的电子设备工作的电磁环境会严重干扰机箱内部电子部件正常工作的时候，或者设备工作的环境需要保护其不受设备内部电子部件发射的电磁干扰的时候，就需要屏蔽机箱了。

随着技术的进步和社会的发展，电子设备越来越多，相邻工作的电子设备之间通过电磁耦合产生相互干扰而不能发挥正常效能的现象日益增多。而采用金属屏蔽机箱是解决电磁干扰的重要手段，在产品设计和工程安装中被广泛采用。

2 机箱上孔隙对屏蔽效能的影响

屏蔽机箱一般是金属机箱，或者是表面覆盖了金属薄层或导体填充物的塑料机箱。如果想要取得成功的屏蔽效果，非常小心地进行细节设计和组装作业是必要的。屏蔽机箱上的“孔隙”就像是一个“狭缝天线”，损害屏蔽机箱的屏蔽效能，单一孔隙对屏蔽效果失效的经验值随频率变化如图1所示。

图1 屏蔽效能衰减值随频率和孔隙尺寸的变化

一个屏蔽完好的金属机箱的屏蔽性能完全可能被下列情形破坏掉：开安装门需要的孔、钻孔、安装拙劣的滤波器、不佳的电缆屏蔽或者屏蔽层搭接，或者任由门处于非闭合状态。当屏蔽机箱的壁不得不开孔时，可以采用图2所示的污染区和洁净区隔离的方法。

图2 机箱内部用金属盒分隔示意图

显示屏最好放置在屏蔽玻璃后面，尤其是需要高屏蔽效能的场合，或者需要控制高频干扰的场合。对于需要添加人机交互界面的屏蔽机箱来说，采用电磁屏蔽触摸屏是一个比较好的电磁兼容解决方案，只要其屏蔽连接面与机箱开孔的周边有良好的搭接，导电良好即可。

3 屏蔽电缆穿过屏蔽机箱

为获得良好的电磁屏蔽效能，每一根进入屏蔽机箱的屏蔽电缆在进入机箱的入口处应使其屏蔽层与金属机箱壁保持良好的电连接，此处，要采用360度密封套或者带金属壳连接器，如图3所示。

此时非环形封闭的屏蔽层搭接屏蔽效果不佳，最好不要采用，除非电缆没有高频信号传输。

图3 屏蔽电缆进入屏蔽机箱电缆屏蔽层与机箱壁环形连接

4 非屏蔽电缆穿入屏蔽机箱

进入屏蔽机箱的非屏蔽电缆应当串入能提供和机箱有同样衰减频段的滤波器。这些滤波器应当安装在电缆进入金属机箱的入口处的机箱壁上。只要舱壁安装型滤波器（屏蔽连接器等）与金属机箱开孔四周有良好的电连接，滤波器就能提供一定的屏蔽效能。当然，和无开孔的金属机箱比较，屏蔽效能还是不可避免的会有所衰弱。

当需要中等强度的屏蔽效能时，仅仅依靠滤波器与金属机箱开孔四周的良好固定和连接就可以实现。但是当需要很优良的屏蔽效能时，尤其是在有高频信号时，滤波器的金属外壳和金属屏蔽机箱开孔四周的连接需要加入导电垫圈才能实现。

滤波高能导体的最好方法是采用高能馈入滤波器，此时保护外壳是需要的。另一个解决办法是采用“屏蔽腔滤波器”，一种封闭在盒子中滤波器，这种专门设计的滤波器在穿过屏蔽金属机箱时，对屏蔽效能几乎没有损害。这类滤波器通常有自己的屏蔽隔离空间，滤波器输出穿过镀锌导管进入到屏蔽金属机箱内。

还有一个方法是采用电磁污染区和洁净区隔离，使用低成本的螺纹端子连接型滤波器，如图4所示。

图4 用隔离盒隔离螺纹端子的滤波器

采用这种方法时，要想达到较高的屏蔽效能，需要注意细节，尤其是隔离腔的四周要与金属屏蔽机箱的缝隙尽可能小，通过缩短输入和输出电缆在接入端子处的长度，尽量把输入和输出电缆分离的远点，减少输入和输出电缆在隔离腔内的高频耦合。虽然如此，高频舱壁滤波器（铁氧体磁环）仍然需要安装在其中一根电缆上或两根都需要安装屏蔽磁环。

5 机箱分区

可以把金属屏蔽机箱用螺钉连接或者焊接的方法隔离成两个空间，一个是电磁污染区，一个是电磁洁净区。对于非屏蔽电缆，在电磁污染区内经过滤波器后，再进入机箱的洁净区。如图5所示。

图5 机箱分隔空间实例

6 门、活动面板、显示屏和通风

为获得可接受的屏蔽效能，金属屏蔽机箱上的孔在数量上应尽量少，孔的尺寸应尽可能小，因此，机箱上的门或者活动面板的四周应与金属屏蔽机箱有良好的搭接，并且导电性良好。把门和活动面板用电线或者导电编织带连接到机箱上，对数兆赫兹以上的高频电磁干扰的屏蔽效果非常不好。把门和活动面板与机箱之间用导电的屏蔽密封垫填充（掺杂了镀银玻璃微珠的导电硅橡胶密封圈等）是一个解决办法，如图6所示。

图6 门和活动面板用导电衬垫搭接屏蔽

屏蔽密封垫可提供屏蔽密封环境，屏蔽密封垫和其接触的金属表面不能有非导电的涂覆层（油漆、喷塑等），金属表面做适当的表面处理以提高耐腐蚀能力。

弹簧叉指片可替代屏蔽密封垫安装在门和活动面板的周边，但在某些应用场合比较容易损坏。屏蔽密封垫和屏蔽弹簧叉指片有多种型式和规格。屏蔽密封垫的选择需要考虑一些物理因素，诸如兼容性、压缩形变、电化学电位序列位置，和电气特性接触电阻。一个可以打开的门要求使用软密封垫（为了较容易用手关闭），软密封垫总是弹回初始形状，但较难同时获得低的接触电阻。

显示器最好是通过屏蔽透明窗显示。这种透明窗可以是有表面金属薄膜的玻璃（常是铟锡氧化物ITO）或者有金属细丝网夹层的玻璃（屏蔽玻璃）。金属丝网屏蔽玻璃有良好的性能，但如果没有根据显示像素大小认真选择丝网的话，会产生“莫尔条纹”，影响显示效果。屏蔽玻璃四周与金属屏蔽机箱有良好的搭接是非常重要的。

通风孔的屏蔽可以通过加装在周边与金属机箱接触良好（导电性好）的金属网来实现。有大量小孔的金属机箱和用金属格栅覆盖的大孔有同样的屏蔽效果。市场上有成品通风格栅板出售，这种成品格栅板在四周带有屏蔽密封垫，安装作业简单易行，只需用螺钉固定在平整的金属机箱上即可。这些屏蔽通风窗的屏蔽板有些是金属丝网，有些采用了诸如金属丝绒或者蜂窝波导板等独特的技术来增加屏蔽效能。

7 屏蔽机箱电子设备之间的互联

做屏蔽机箱电子设备之间的电缆连接时，屏蔽电缆在穿过机箱时应该通过屏蔽连接器，或者在入口处安装屏蔽密封压件等辅助品，此时连接这两个机箱的电缆两端的屏蔽层都应该与屏蔽机箱外壳有良好的导电连接。

非屏蔽电缆在入口处应通过机箱壁安装的滤波器进入机箱内。机箱之间的连接电缆应根据承载的信号进行分类，彼此间隔开应有的距离。并与接地导体相伴布设。接地导体可以是金属电缆管道，也可以是电缆线槽。如图7所示。

图7 屏蔽机箱设备之间的电缆互联屏蔽

图7显示了两个屏蔽机箱设备之间的电缆连接的安装细节。即使非专门设计的普通金属机箱采用如图所示的连接方法时，依然可获得较好的屏蔽效果，实现电磁兼容性。

请注意互相连接的两个电子设备的屏蔽电缆并没有使用电缆的屏蔽层做为电流的回路，而是专门使用了电缆的一根电线。同轴电缆的外层导体承载回路电流的同时，兼做电缆的屏蔽层，这种结构会由于电缆的屏蔽层与外导管之间不恰当绝缘产生一些麻烦。屏蔽双绞线，或双轴线，或者三轴线，或类似的电缆（具有内部导体用于信号和回路电流以及专门的屏蔽层用于承载耦合干扰电流的电缆），最好用同轴电缆替代，除非设备供应商为保证电磁兼容性特别说明了安装要求。