高屏蔽效能计算机设计研究范文

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1设计方案

1．1缝隙处理由计算机结构设计（如图4所示）知，计算机机壳各部件由螺钉连接，该设计方案制成的机壳在各部件的接缝处存在导电不连续的问题，可导致电磁泄漏；需要选用合适的导电衬垫（又称EMI衬垫）填充于机箱接缝处，保持缝隙处的导电连续性；在进行密封的同时将接缝处的接触电阻降低至10mΩ以下，防止机壳地平面上形成天线效应，产生电磁泄漏形成干扰。EMI衬垫中通常可供选择的电磁屏蔽衬垫是金属丝网衬垫（带橡胶芯的和空心的）、导电橡胶（带不同导电填充物）、指形簧片、螺旋管衬垫（不同材质）、导电布。机壳使用的导电衬垫选用遵从如下规则：1）有足够的弹性和厚度，以补偿由于接缝的螺栓压紧时出现的不均匀性；2）材料防腐蚀，并与屏蔽机箱材料的电化学性能相容，即应选择电位接近的材料作接触面，以防止电化学腐蚀和“锈螺钉效应”；3）转移阻抗尽可能低，转移阻抗越低，屏蔽效能越高，电磁泄漏越小；4）压缩变形或寿命符合要求。机壳的EMI衬垫设计，选用直径2．5mm的导电橡胶绳（89－70024），安装在功能接口面板及盖板的凹槽（槽宽2．5mm，深1．8mm）内；在使用螺钉与机箱主体紧固后，可以保持机箱整体的导电连续。上述计算机EMI衬垫的选用符合屏蔽要求，其屏蔽效能在10GHz时可达120dB；回弹力、最小密封压力、最大形变量符合机壳密封要求；压缩形变合理，屏蔽绳中的导电颗粒与机壳材料在电化学性上相容，可以合理地处理机箱接缝。设计中的屏蔽绳安装方式，经过仿真计算并进行样品验证，屏蔽效果合理，可以满足机壳应具有导电连续性的要求。

1．2孔洞处理计算机开关按钮、工作状态指示灯、输入输出设备的安装，需要在机壳开孔，而相应设备并无屏蔽能力，故而存在多处电磁泄漏源，处理好这些泄漏源的处理亦是提高计算机屏蔽效能的关键。孔缝越大屏蔽效应越小，孔洞直径增加会使谐振频率发生偏移和加宽，而孔洞的屏蔽效能随入射角或极化角的增大而增加。根据上述计算方法，为提高屏蔽效能，机箱孔洞的尺寸应越小越好。一般来说，为了把电磁泄露控制在可接受的范围内，一般要求缝长或孔径小于λ／10～λ／100；仿真设计中假定可能的最高辐射频率为3GHz（CPU的工作主频），通过AnsoftHFSS仿真计算［5］后将孔洞的最大孔径设计为3mm；从工程应用上考虑，将需要在机箱上开孔的器件集中设计在机箱右侧，以纯铝板（1050A（O／H8））制作成隔离舱，在隔离舱与接口面板用导电橡胶板（40－20－1015－1350）填充，尽可能地保持机箱的导电连续性。

1．3穿过箱体线缆处理计算机包含需要穿过机壳的线缆，如交流电源导线及各种功能信号线，为满足屏蔽要求，对上述穿过箱体的线缆作如下处理：1）交流电源线。选用性能优良的电源滤波器，安装在靠近交流电源接口位置（如图4所示）的屏蔽罩上，将滤波器输入端隔离在机壳外，降低通过电源线的电磁发射；2）功能导线。机箱功能接口面板上分布了多个航空插座，航空插座为不锈钢外壳材料，其与机箱接触面使用导电橡胶板（40－20－1015－1350）进行填充，外部屏蔽电缆在连接器处进行360°搭接，计算机各接口使用的导线按照不同频率分布在各插座内部，并将高频与低频信号分离开进行布线，从而避免内部串扰。

2试验验证

为了验证设计计算机的电磁屏蔽能力，计算机在完成生产后进行了EMC试验，试验项目为RE102，通过设置各频率点限值，在实验过程中验证计算机在各频率的辐射情况。计算机初次进行RE102试验的测试结果如图5所示，可以看出在100～300MHz频率段之间有很多频点出现明显的尖峰，最高超过RE102试验限值20dB，不满足计算机屏蔽能力要求。对试验结果进行分析，确定造成空间辐射超标的原因，设计方案要求机壳材料整体为铝板及铝铸件，检查未在机壳材质上发现问题，机壳各部件最小厚度达到3mm，能有效对电磁波进行衰减，不会出现电磁泄漏。使用近场探头测量机箱辐射，发现功能接口面板上连接器、指示灯、按钮开孔处及部件接缝附近有较强的辐射泄漏。对部件接缝处的辐射泄露，经过拆卸检查发现，用于缝隙处理的导电橡胶绳严重变形，已出现磨损（如图6所示），不满足设计指标。通过改进的设计，将屏蔽绳的安装角度放大，可以有效防止加工误差（如图7所示），满足实用性要求。对功能接口面板上连接器的辐射泄露，查看相应泄漏处安装的器件，通过测量机箱连接器的搭接电阻，电阻值大于设计要求的10mΩ，不满足电连续性要求。通过更换导电效果更好的导电布进行安装后，其电阻值满足了设计要求。对于指示灯及按钮开孔处的电磁泄露，因其开孔大小造成在特定频率下出现泄露，为此设计生产了开孔合适的指示灯及按钮屏蔽罩，并为预留的航空插座配备专用的金属屏蔽盖。改进的计算机在进行RE102测试，得到的曲线如图8所示，计算机的辐射曲线基本与环境噪声一致，所有点都不超过环境噪声3dB。

3结束语

设计中通过试验筛选出具有较高的反射损耗R的铝合金材料机壳，可以满足设备环境在高屏蔽效能上的要求。在进行GJB规定的EMC试验RE102验证中，解决了计算机机壳在缝隙处理上不合理的问题，并针对机壳孔洞的处理进行了优化。与传统计算机机壳相比，该计算机通过“设计－优化－改进设计”的产品开发过程，提高了机壳的电连续性，计算机机壳的屏蔽效能与环境噪声相当。产品现已稳定应用于设备中，其设计方法对于解决嵌入式计算机电磁泄露具有较高的参考价值。

作者：袁伟 单位：江苏自动化研究所