2022年电子设备结构设计中的电磁兼容 .pdf

-163-学术交流电子设备结构设计中的电磁兼容陕西凌云电器集团有限公司 吕景峰 陈玲香【摘要】电磁兼容性在电子设备中占有重要的地位，电磁干扰直接影响到设备能否正常、可靠的工作。本文从结构设计方面介绍了电子设备的电磁兼容设计的方法以及几种常用的屏蔽材料。【关键词】电磁兼容；电子设备；接地；屏蔽Abstract：Electromagnetic compatibility is very important in the electronic device，the equipment can work，reliable working electromagnetic interference directly influences.In this paper，the structure design of the electromagnetic compatibility design of electronic equipment and method of commonly used shielding materials of several.Key words：Electromagnetic compatibility；Electronic equipment；grounding；shield1.前言国军标（GJB72A-2002）中给出电磁兼容（Electromagnetic Compatibility即EMC）的定义是：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态：包括以下两个方面：a)设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现正常的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；b)设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。对于从事军工产品的设计人员来说，应当尤为重视产品的电磁兼容性设计。在飞机上，狭小的空间中装备着大量的各种类型的电子设备，如通信系统、导航系统、发射系统、天线、雷达等等，导致电磁环境极为复杂，相互间的电磁干扰十分严重。因此，电子设备的电磁兼容设计对飞机性能有着重要的影响。2.电磁兼容设计的目的电磁兼容的主要课题就是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备与其它设备在一起工作时，不引起设备任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备应该既不辐射任何不希望的能量，也不受任何其他能量的影响。本文从结构设计方面介绍相应的电磁兼容设计方法。在电子设备结构设计中，电磁兼容设计思想就是通过合理的接地、搭接和屏蔽等方法，将外系统对本设备干扰以及本设备对外部的干扰减弱。3.电磁兼容设计方法对于新研制的电子产品，应当从方案设计阶段就考虑电磁兼容问题，进行电磁兼容设计。在设计阶段考虑电磁兼容要远比研制样机采取措施来满足电磁兼容要求容易的多。况且在很多的时候，对已成型的产品，电磁兼容问题已经很难解决甚至无法解决，造成产品研制的反复。因此，电子设备必须在设计阶段就考虑电磁兼容问题。3.1 接地3.1.1 接地的目的电子设备的接地是电子设备的一个很重要问题，正确的接地方法可以减少或避免电路间的相互干扰。接地目的有三个：1)接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。2)防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。3)保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位。尽管从功能的观点出发并不需要将一个等电位面端接至大地，但端接至大地对工频和射频信号都呈现出很低的阻抗。3.1.2 电路接地的方式不同的电路采用不同的接地方法。以下介绍几种电路的接地方法：串联一点接地将各电路串联后在一点接地。这种情况一般是将接地点放在低电平点。这种接法最简单，抑制干扰能力差，仅适用于低频电路。并联一点接地将各电路并联后在一点接地。这种接法各电路的电流自成回路，彼此独立，避免了各电路的相互串扰。但接地电阻较大，当工作频率较高时，底线容易产生辐射干扰。因此，并联一点接地也仅适用于 1MHz 以下的电路。多点接地多点接地时接地电阻较小，电路在高于10MHz 时可用多点接地。但此时总地线应适当的宽些，长度也不宜过长，最好不超过0.15波长，同时地线与机壳应绝缘。3.1.3 整机的接地整机接地也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一。由于各功能不同，电路差别很大，接地状况也就大不相同。一般常用方式是：将模拟电路、数字电路、机壳分开，各自独立接地，避免相互间的干扰。最后再三地合一接入大地。这种方式较好的抑制了电磁噪声，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。3.1.4 搭接与接地的关系电子设备的简单接地，是为了获得安全保护或者实现抑制噪声防止干扰所采取的措施之一。为了给交流供电电流和接地系统提供一条有效的低阻抗通道，必须把各种导体、电极、设备和其他金属物体连接或搭接在一起。这种搭接点的性能必须在很长的时间期限内保持不变，以免起始建立起来的搭接性能质量逐渐衰减。搭接是金属物体之间获得低阻抗的互连，因此还要防止由互连建立起的通路因腐蚀或机械松动逐渐变坏。a)在搭接之前所有搭接表面必须予以清洁处理；b)如果金属材料的防护涂层的导电性低于金属材料的导电性，在搭接前要清除搭接区域的该防护层；c)搭接面的防护涂层被去除后，应立即进行搭接实施，以免氧化；d)当不同金属材料之间彼此直接接触时，避免化学电位相差大的两种金属紧密接触，防止形成电化偶产生电化学腐蚀。3.2 屏蔽3.2.1 屏蔽的作用屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽技术是电磁兼容技术的重要组成部分，是解决电磁辐射的最有效手段之一。3.2.2 屏蔽措施3.2.2.1 采用屏蔽罩对于已确定的干扰源或易被干扰器件（敏感器件），可将其封于金属材料的屏蔽罩内；屏蔽罩采用铝、铜等金属结构件，选用导电性较好的表面处理。屏蔽罩的设计要注意：屏蔽罩上尽量减少孔洞，如果无法避免时，可使用多个小圆孔避免使用大圆孔，尤其是长度较大的长条孔；通过屏蔽罩的引线加装穿心电容，引线通过穿心电容穿过屏蔽罩与元件连接。3.2.2.2 紧固点的间距紧固点的紧固方式指采用螺钉连接、铆接、点焊等方法使两个零件的结合面结合在一起的措施。实际设计中，由于其他因素往往会受到限制，紧固点的间距一般就直接决定了缝隙的最大尺寸（长度），是影响缝隙屏蔽效能的最主要因素。由于目前尚无实用的计算方法计算缝隙的屏蔽效能，紧固点的间距只能按以下经验数据取值：无线电产品或工作频率超过100MHz 的产品，紧固点的间距取值 2050mm；工作频率不超过 100MHz 的产品，紧固点的间距一般为取值 50100mm。3.2.2.3 电缆的屏蔽电缆的屏蔽有以下几种形式：a)一般情况下使用屏蔽电缆，将电缆的屏蔽层与连接器的外壳连接。这种形式下的屏蔽效能取决于插头的屏蔽效果；b)通过EMI滤波器连接。即电源线通过电源滤波器连接，信号线采用滤波连接器转接。这种方式即可滤波，又可实现屏蔽。3.2.2.4 屏蔽材料的选用选择适当的屏蔽材料及正确地使用这些材料，是达到目标屏蔽效果的重要环节。以下是几种常用的屏蔽材料：铍铜指形簧片铍铜具有优良的弹性和导电性，是非常理想的电磁密封材料。指形簧片允许滑动接触的，压缩形变范围大。簧片背后带有不干胶，可直接粘接在接触面上。另外，这种簧片可以在其中填充磁场吸收材料，增加磁场的屏蔽效能。(下转第165页)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -165-学术交流机可读的输入，语音合成是利用电子计算机和一些专门装置模拟人，制造语音的技术。用语音技术建立用户界面可采用两种途径：一是利用基于语音识别和理解技术的新操作系统代替以WIMP 节目技术为基础的操作系统；另一种就是利用语音技术操作 WIMP 界面。目前大多数语音界面本质上都是试图把语音识别作为一种精确交互技术。将语音交互技术应用到武器装备系统，有两个直接的优点：一是语言比键盘输入快且有效；二是在多任务的情境中，提供了另一附加的反应通道，可以解放用户的双手。但目前在这方面还有许多关键性问题有待于突破。语音识别输入技术日前还仅限于大词汇量特定人这一最高程度。虽然其识别率较高、但在恶劣的作战环境下，其实用性还存在着严重挑战。目前技术条件下，可以运用语音识别技术辅助文本的录入和数据的装订，在精确度要求不高的情况下，用于接收指挥命令；同时，可以运用语音合成技术，实时通过语音方式为指挥人员提供指示、错误警告等信息，在指挥员双耳戴耳机的情况下，可以用声音合成方法产生的三维声音信息，在提供语音内容信息的同时，用声音来源方向，指示故障源或目标方向等信息。未来随着语音识别技术和语音合成技术的发展，语音交互技术必将越来越多的应用到武器装备系统中。3.4 多通道人机交互技术多通道人机交互界技术引入语音、手势、视线等新的交互通道，使用户利用多个通道以自然、并行的方式进行人机对话，充分利用非精确性输入捕捉用户的交互意图，大大提高了人机交互的自然性和高效性。多通道人机交互的基础是视线跟踪、语音识别、手势输入、感觉反馈等新的交互技术。在传统的交互模式下，用户主要利用手和眼睛与鼠标、键盘、显示器等设备进行精确方式下的二维交互；而多通道人机交互则寻求新的交互手段，以充分利用人的眼、耳、嘴、手，视觉、听觉以及触觉通道，它允许用户利用多个通道以并行、非精确方式与计算机系统进行交互，其交互通道之间由串行/并行，互补/独立等多种关系，因此这种人机交互的方式更加类似于人与人之间的日常交流，其交互自然醒和效率得到了极大的提高。典型的多通道人机交互界面的概念模型如图 2所示。图2?多通道人机界面概念模型多通道人机交互技术具有以下优势：多通道交互可以利用各种设备、通道和交互方式的互补性；多通道界面对语音/听觉的强调，有利于弥补现有界面在这方面的不足；多通道交互可以提高交互的灵活性，提高输入/输出带宽。目前欧洲和美国都在对多通道交互开展研究，美国集中于交互手段及其整合，欧洲重视需求多个通道间信息的共同表示。国内主要探索以视线跟踪为核心的多通道人机交互的理论和技术。国防科技大学正在开展指挥控制中的多人多通道人机交互研究，提出了应用于C2 的多人多通道人机交互模型，实现了多人多通道的交互原型系统，使用基于多点触摸的双手手势和语音两个通道实现态势和情报分析任务。未来随着多通道人机交互技术的成熟，可以逐步将其应用到武器装备系统中。例如可以用于语音命令响应，指挥人员发出语音命令，并结合触摸屏对语音识别结果进行修改和确认；可以用于战场态势的综合显示，三维声音提示目标方位，图形显示信息，震动和声音结合用于紧急提示，头盔装配双显示器，双目分别观察左右显示屏，以得到三维广角的全景，结合指挥人员头部的移动和姿势以及眼球视线变化，得到一个模拟的或远程控制的360视阈，这可以为潜艇指挥人员提供极大方便。4.结论现代武器装备系统正在向智能化方向发展，人机交互的效率将直接影响武器装备系统的作战性能。目前我军武器装备系统中的人机交互技术相对落后，必须不断发展和应用新型人机交互技术。本文总结了人机交互技术的发展情况，对单点触控技术、多点触控技术、语音交互技术和多通道人机交互技术等人机交互的新技术进行了研究，分析了各项技术的基本原理、技术特点、发展现状及其在武器装备系统中的应用前景。分析表明，新型人机交互技术的应用，能够显著提高武器装备系统的人机交互效率，进而提高其作战能力和效率。未来的武器装备系统中，新型人机交互技术必将发挥至关重要的作用。参考文献1凌云翔,张国华,李锐,等.基于多点触摸的自然手势识别方法研究J.国防科技大学学报,2010,32(1):127-132.2老松杨,黄广连,张国华,等.双手触摸交互触控平台J.中国科技成果,2009,10(11):58-60.3陈大炜.基于光学感应的大尺寸多点触摸控制技术J.电子产品世界,2009,5(1):22-26.4黄菁.基于单目视觉的触摸屏技术研究D.杭州:浙江工商大学,2009:1-63.5董士海.人机交互的进展及面临的挑战J.计算机辅助设计与图形学学报,2004:1-8.6吴振峰,赵克俭.未来指挥所发展展望J.火力与指挥控制,2005.3(4):4-7.7赵秋均,王毅刚,黄岸仲,等.基于 FTIR 的多触摸实时互动桌面系统J.计算机工程,2011(14):291-292.作者简介：俞烈彬（1976），男，工学硕士，高级工程师，现供职于江苏自动化研究所，主要研究方向：电子信息系统，计算机软件技术。(上接第163页)导电橡胶导电橡胶是在硅橡胶中均匀分布微细导电颗粒制成的，能同时提供环境和电磁密封。常用的填充颗粒有银颗粒，镀银铝颗粒和镀银玻璃球颗粒。导电橡胶材料主要有导电橡胶板和导电橡胶条，导电橡胶条又有各种形状截面的实心导电橡胶条和空心导电橡胶条。金属丝网利用金属丝编织而成的屏蔽材料。属于一种廉价的电磁屏蔽材料，可用于高频屏蔽效能要求不高的屏蔽场合。屏蔽胶带由铜或铝箔加上导电背胶构成的胶带。直接贴在屏蔽体上的缝隙处消除缝隙的泄漏。使用时要注意粘接的金属表面必须是导电的，并要反复碾压胶带，否则导电胶不能发挥其高导电性。屏蔽玻璃在玻璃中间夹一层丝网或者在玻璃上镀金属膜实现屏蔽的玻璃。丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能较高，但是屏蔽网会使光线损失15%20%左右，从而造成观察困难。通过合理选择屏蔽网的目数达到在光线损失允许的范围内使得电磁兼容达到要求。镀膜屏蔽玻璃的屏蔽效能较丝网屏蔽玻璃略差，对光线的损失也较小，但要防止镀膜损伤对屏蔽效能造成影响。近年来，电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上，于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板，对仪器的正常工作产生有害的干扰，而仪器所产生的电磁波，也非常容易辐射到周围空间，影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求，人们在实践中，研究出塑料金属化处理的工艺方法，如溅射镀锌、真空镀（AL）、电镀或化学镀铜、粘贴金属箔（Cu 或AL）和涂覆导电涂料等。经过金属化处理之后，使完全绝缘的塑料表面或塑料本身（导电塑料）具有金属那样反射（如手机）。吸收、传导和衰减电磁波的特性，从而起到屏蔽电磁波干扰的作用。实际应用中，采用导电涂料作屏蔽涂层，性能优良而且价格适宜。在需要屏蔽的地方，做成一个封闭的导电壳体并接地，把内外两种不同的电磁波隔离开。实践表明，若屏蔽材料能达到3040dB 以上衰减量的屏蔽效果时，就是实用、可行的。4.结束语保证设备的电磁兼容是一项复杂的技术任务，对于这个问题不存在万能的解决方法。电磁兼容技术涉及面很广，电磁兼容领域也正在发展，重要的是掌握有关电磁兼容的基本原理，认真分析和试验，就能选择合适的解决问题方法。参考文献1王定华.电磁兼容原理与设计M.电子科技大学出版社,1995.2冯正进,刘利,李行国.机电一体化系统中的电磁兼容性问题M.电子科技大学出版社,1995.3莫世禹.通信设备中的电磁兼容设计方法D.南京:中国电子学会机械电子工程(微波)分会,电子机械与微波结构工艺学术会,2006:58-62.作者简介：吕景峰（1977），男，陕西人，工程师，长期从事机载电子设备结构设计工作。陈玲香（1964），女，陕西人，高级工程师，长期从事机载电子设备标准化工作。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -电子设备结构设计中的电磁兼容作者：吕景峰，陈玲香作者单位：陕西凌云电器集团有限公司刊名：电子世界英文刊名：Electronics World年，卷(期)：2013(12)本文链接：http:/ 3 页，共 3 页 -