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高屏蔽效能计算机设计研究

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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

高屏蔽效能计算机设计研究责任编辑:杨雪    阅读:人次
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