高屏蔽效能計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研究范文
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1設(shè)計(jì)方案
1．1縫隙處理由計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖4所示）知，計(jì)算機(jī)機(jī)殼各部件由螺釘連接，該設(shè)計(jì)方案制成的機(jī)殼在各部件的接縫處存在導(dǎo)電不連續(xù)的問(wèn)題，可導(dǎo)致電磁泄漏；需要選用合適的導(dǎo)電襯墊（又稱EMI襯墊）填充于機(jī)箱接縫處，保持縫隙處的導(dǎo)電連續(xù)性；在進(jìn)行密封的同時(shí)將接縫處的接觸電阻降低至10mΩ以下，防止機(jī)殼地平面上形成天線效應(yīng)，產(chǎn)生電磁泄漏形成干擾。EMI襯墊中通常可供選擇的電磁屏蔽襯墊是金屬絲網(wǎng)襯墊（帶橡膠芯的和空心的）、導(dǎo)電橡膠（帶不同導(dǎo)電填充物）、指形簧片、螺旋管襯墊（不同材質(zhì)）、導(dǎo)電布。機(jī)殼使用的導(dǎo)電襯墊選用遵從如下規(guī)則：1）有足夠的彈性和厚度，以補(bǔ)償由于接縫的螺栓壓緊時(shí)出現(xiàn)的不均勻性；2）材料防腐蝕，并與屏蔽機(jī)箱材料的電化學(xué)性能相容，即應(yīng)選擇電位接近的材料作接觸面，以防止電化學(xué)腐蝕和“銹螺釘效應(yīng)”；3）轉(zhuǎn)移阻抗盡可能低，轉(zhuǎn)移阻抗越低，屏蔽效能越高，電磁泄漏越小；4）壓縮變形或壽命符合要求。機(jī)殼的EMI襯墊設(shè)計(jì)，選用直徑2．5mm的導(dǎo)電橡膠繩（89－70024），安裝在功能接口面板及蓋板的凹槽（槽寬2．5mm，深1．8mm）內(nèi)；在使用螺釘與機(jī)箱主體緊固后，可以保持機(jī)箱整體的導(dǎo)電連續(xù)。上述計(jì)算機(jī)EMI襯墊的選用符合屏蔽要求，其屏蔽效能在10GHz時(shí)可達(dá)120dB；回彈力、最小密封壓力、最大形變量符合機(jī)殼密封要求；壓縮形變合理，屏蔽繩中的導(dǎo)電顆粒與機(jī)殼材料在電化學(xué)性上相容，可以合理地處理機(jī)箱接縫。設(shè)計(jì)中的屏蔽繩安裝方式，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算并進(jìn)行樣品驗(yàn)證，屏蔽效果合理，可以滿足機(jī)殼應(yīng)具有導(dǎo)電連續(xù)性的要求。
1．2孔洞處理計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)按鈕、工作狀態(tài)指示燈、輸入輸出設(shè)備的安裝，需要在機(jī)殼開(kāi)孔，而相應(yīng)設(shè)備并無(wú)屏蔽能力，故而存在多處電磁泄漏源，處理好這些泄漏源的處理亦是提高計(jì)算機(jī)屏蔽效能的關(guān)鍵。孔縫越大屏蔽效應(yīng)越小，孔洞直徑增加會(huì)使諧振頻率發(fā)生偏移和加寬，而孔洞的屏蔽效能隨入射角或極化角的增大而增加。根據(jù)上述計(jì)算方法，為提高屏蔽效能，機(jī)箱孔洞的尺寸應(yīng)越小越好。一般來(lái)說(shuō)，為了把電磁泄露控制在可接受的范圍內(nèi)，一般要求縫長(zhǎng)或孔徑小于λ／10～λ／100；仿真設(shè)計(jì)中假定可能的最高輻射頻率為3GHz（CPU的工作主頻），通過(guò)AnsoftHFSS仿真計(jì)算［5］后將孔洞的最大孔徑設(shè)計(jì)為3mm；從工程應(yīng)用上考慮，將需要在機(jī)箱上開(kāi)孔的器件集中設(shè)計(jì)在機(jī)箱右側(cè)，以純鋁板（1050A（O／H8））制作成隔離艙，在隔離艙與接口面板用導(dǎo)電橡膠板（40－20－1015－1350）填充，盡可能地保持機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性。
1．3穿過(guò)箱體線纜處理計(jì)算機(jī)包含需要穿過(guò)機(jī)殼的線纜，如交流電源導(dǎo)線及各種功能信號(hào)線，為滿足屏蔽要求，對(duì)上述穿過(guò)箱體的線纜作如下處理：1）交流電源線。選用性能優(yōu)良的電源濾波器，安裝在靠近交流電源接口位置（如圖4所示）的屏蔽罩上，將濾波器輸入端隔離在機(jī)殼外，降低通過(guò)電源線的電磁發(fā)射；2）功能導(dǎo)線。機(jī)箱功能接口面板上分布了多個(gè)航空插座，航空插座為不銹鋼外殼材料，其與機(jī)箱接觸面使用導(dǎo)電橡膠板（40－20－1015－1350）進(jìn)行填充，外部屏蔽電纜在連接器處進(jìn)行360°搭接，計(jì)算機(jī)各接口使用的導(dǎo)線按照不同頻率分布在各插座內(nèi)部，并將高頻與低頻信號(hào)分離開(kāi)進(jìn)行布線，從而避免內(nèi)部串?dāng)_。
2試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的電磁屏蔽能力，計(jì)算機(jī)在完成生產(chǎn)后進(jìn)行了EMC試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目為RE102，通過(guò)設(shè)置各頻率點(diǎn)限值，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中驗(yàn)證計(jì)算機(jī)在各頻率的輻射情況。計(jì)算機(jī)初次進(jìn)行RE102試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，可以看出在100～300MHz頻率段之間有很多頻點(diǎn)出現(xiàn)明顯的尖峰，最高超過(guò)RE102試驗(yàn)限值20dB，不滿足計(jì)算機(jī)屏蔽能力要求。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定造成空間輻射超標(biāo)的原因，設(shè)計(jì)方案要求機(jī)殼材料整體為鋁板及鋁鑄件，檢查未在機(jī)殼材質(zhì)上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，機(jī)殼各部件最小厚度達(dá)到3mm，能有效對(duì)電磁波進(jìn)行衰減，不會(huì)出現(xiàn)電磁泄漏。使用近場(chǎng)探頭測(cè)量機(jī)箱輻射，發(fā)現(xiàn)功能接口面板上連接器、指示燈、按鈕開(kāi)孔處及部件接縫附近有較強(qiáng)的輻射泄漏。對(duì)部件接縫處的輻射泄露，經(jīng)過(guò)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)，用于縫隙處理的導(dǎo)電橡膠繩嚴(yán)重變形，已出現(xiàn)磨損（如圖6所示），不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)改進(jìn)的設(shè)計(jì)，將屏蔽繩的安裝角度放大，可以有效防止加工誤差（如圖7所示），滿足實(shí)用性要求。對(duì)功能接口面板上連接器的輻射泄露，查看相應(yīng)泄漏處安裝的器件，通過(guò)測(cè)量機(jī)箱連接器的搭接電阻，電阻值大于設(shè)計(jì)要求的10mΩ，不滿足電連續(xù)性要求。通過(guò)更換導(dǎo)電效果更好的導(dǎo)電布進(jìn)行安裝后，其電阻值滿足了設(shè)計(jì)要求。對(duì)于指示燈及按鈕開(kāi)孔處的電磁泄露，因其開(kāi)孔大小造成在特定頻率下出現(xiàn)泄露，為此設(shè)計(jì)生產(chǎn)了開(kāi)孔合適的指示燈及按鈕屏蔽罩，并為預(yù)留的航空插座配備專用的金屬屏蔽蓋。改進(jìn)的計(jì)算機(jī)在進(jìn)行RE102測(cè)試，得到的曲線如圖8所示，計(jì)算機(jī)的輻射曲線基本與環(huán)境噪聲一致，所有點(diǎn)都不超過(guò)環(huán)境噪聲3dB。
3結(jié)束語(yǔ)
設(shè)計(jì)中通過(guò)試驗(yàn)篩選出具有較高的反射損耗R的鋁合金材料機(jī)殼，可以滿足設(shè)備環(huán)境在高屏蔽效能上的要求。在進(jìn)行GJB規(guī)定的EMC試驗(yàn)RE102驗(yàn)證中，解決了計(jì)算機(jī)機(jī)殼在縫隙處理上不合理的問(wèn)題，并針對(duì)機(jī)殼孔洞的處理進(jìn)行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)機(jī)殼相比，該計(jì)算機(jī)通過(guò)“設(shè)計(jì)－優(yōu)化－改進(jìn)設(shè)計(jì)”的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高了機(jī)殼的電連續(xù)性，計(jì)算機(jī)機(jī)殼的屏蔽效能與環(huán)境噪聲相當(dāng)。產(chǎn)品現(xiàn)已穩(wěn)定應(yīng)用于設(shè)備中，其設(shè)計(jì)方法對(duì)于解決嵌入式計(jì)算機(jī)電磁泄露具有較高的參考價(jià)值。
作者：袁偉 單位：江蘇自動(dòng)化研究所