電子設備機箱防護設計初探

作者 劉育民(中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331)

　　摘要：本文對海洋環(huán)境下電子設備防護材料進(jìn)行了初步探討，從機箱、機柜材料、電連接器、外接電纜、導電密封材料、表面防護、EMC設計等方面進(jìn)行了分析和探討，在工程上有一定參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：防護材料;海洋環(huán)境;電子設備;EMC

　　0 引言

　　我國具有廣闊的海洋國土，海洋資源十分豐富。隨著(zhù)國家海洋戰略的加速發(fā)展，大量海洋裝備與海洋設施正在布置與實(shí)施，這些海洋裝備與設施中，電子設備是其重要的組成部分。由于以前的電子設備主要在陸地和空中使用，耐海洋環(huán)境考慮較少。目前在海南三沙等地使用的電子設備就暴露出了某些不足，問(wèn)題主要集中在海洋環(huán)境下的高溫、高濕、高鹽霧狀況下的設備腐蝕問(wèn)題，防潮、防鹽、防霉以及電磁兼容等因素是設計這類(lèi)電子設備必須優(yōu)先考慮的關(guān)鍵因素。

　　1 材料選擇

　　電子設備機箱、機柜原材料通常選擇輕質(zhì)、高強、容易加工的有色金屬材料，鋁合金材料是一種比較理想的材料，同時(shí)鋁合金材料的導電性能良好，完全可以滿(mǎn)足EMC設計對材料材質(zhì)的要求，考慮到海洋環(huán)境的高溫、高濕和高鹽霧情況，鋁合金材料本身的金屬成分比例的不同，其腐蝕性能也會(huì )不同。表1列出了幾種常用的鋁合金材料性能比較。

　　結合本所某電子通信設備總體要求，我們對表1內材料按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及相關(guān)整機技術(shù)條件，進(jìn)行了鹽霧及霉菌試驗，結果表明5A06鋁合金材料的防腐及防霉菌性能最佳。

　　2 連接器選擇

　　連接器通常安裝在設備的前后面板上，與周?chē)h(huán)境直接接觸，受環(huán)境影響直接、明顯，如果選用不當會(huì )直接影響整機的使用壽命。設計人員在選用時(shí)，除考慮連接器電性能外，還必須考慮其防腐性能及EMC性能。連接器大小選擇，面板開(kāi)孔大小等應與整機工作頻率一起考慮，防止電磁泄漏。表2列出了幾種常用連接器材料性能。

　　由表2知，00Cr17Ni14Mo2(316L)不銹鋼防腐性能好。主要是00Cr17Ni14Mo2(316L)添加了鉬(Mo)，在奧氏體不銹鋼中，鉬(Mo)提高耐三蝕性能顯著(zhù)，特別是和鉻交互作用效果更明顯。鉬能夠阻止奧氏體化的晶粒粗大，由于鉬的存在，進(jìn)一步提高抗酸腐蝕性，特別是由于鉬的加入，防止了氯離子存在所產(chǎn)生的點(diǎn)腐蝕傾向，使得奧氏體不銹鋼在耐蝕性能方面可以和鎳基合金媲美。故其耐腐蝕性，尤其耐大氣腐蝕性、耐高溫性良好，可在苛酷的條件下使用。加工硬化性?xún)?yōu)(無(wú)磁性)，又由于低碳，它對抗晶界腐蝕性更優(yōu)越。我們按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及整機技術(shù)條件，對表2所列進(jìn)行了鹽霧及霉菌試驗，結果表明00Cr17Ni14Mo2(316L)合金材料的防腐及防霉菌性能最佳。在連接器的電磁泄漏性能方面，民品級的電連接器泄漏通常為60 dB，軍品級的為90 dB，如果選用軍品級電連接器，一般情況下均能滿(mǎn)足整機指標要求。

　　3 密封材料選擇

　　由于電子設備整機暴露在海洋高溫、高濕、高鹽霧惡劣環(huán)境下，為了防止內部電路的腐蝕，機箱、機柜的密封與屏蔽顯得十分重要，所有的對外接口必須進(jìn)行導電密封。導電的目的是為了EMC抗干擾考慮，密封的目的是隔離有害環(huán)境。表3給出幾種常用導電橡膠密封材料性能對比。

　　我們按GJB150.08A-2009、GJB150.11A-2009及整機技術(shù)條件，選用了1285鋁鍍銀導電橡膠和1350玻璃鍍銀導電橡膠進(jìn)行了密封與防腐試驗，結果表明1285鋁鍍銀導電橡膠材料性能最佳。

　　4 外接電纜選擇

　　電子設備的外接電纜主要有射頻電纜、電源電纜、信號電纜等，這些電纜除電性能要求外，還要考慮其抗拉性、耐彎曲性以及防腐性能以及電磁泄漏性能等，其防腐性能主要取決于各種電纜的外防護套材料。表4列出了幾種常用電纜護套材料性能。

　　從表4可以看出，在抗拉性能上，聚氨酯(TPU)、熱塑性橡膠(TPR)較好。在耐磨性能上，聚氨酯、熱塑性橡膠最好。在抗腐蝕性能上，熱塑性橡膠 最好。耐高溫性能是熱塑性橡膠最好。

　　我們按GJB150.03A-2009、GJB150.11A-2009及 整機技術(shù)條件進(jìn)行了相關(guān)試驗，結果表明熱塑性橡膠(TPR)綜合性能最佳。在電磁泄漏方面，剛性電纜與半剛性電纜泄漏最小，柔性電纜中，外導體雙層編織泄漏較小，單層的較大。具體選用哪種要綜合考慮技術(shù)指標要求。電纜的泄漏通常在40 dB～100 dB之間

　　5 表面涂覆材料選擇

　　采用鋁合金機箱的電子設備，在完成機箱外層導電氧化或陽(yáng)極化處理后，為進(jìn)一步加強其防腐能力，通常還需進(jìn)行表面涂覆處理，具體方法為噴油漆或噴塑處理。表5列出了幾種常用表面涂覆材料性能。

　　從表5能初步看出，氟碳涂料綜合性能優(yōu)于其他涂料，我們按GJB150.11AA-2009、GJB150.16A-200及整機技術(shù)條件進(jìn)行了試驗，結果表明氟碳涂料具有比其他涂料更為優(yōu)異的防護性能。

　　6 電磁兼容性能考慮

　　對一個(gè)完整密封的金屬機殼而言，很容易獲得120 dB以上的屏蔽效能，但是任何實(shí)際機殼都開(kāi)有孔、洞等與外部連接窗口，于是造成屏蔽性能完整性的損失，從而達不到上述理論值。一個(gè)沒(méi)有采取EMC設計的普通機箱或機柜通常僅有約50 dB左右的屏蔽效能，屏蔽性能的大幅下降主要是由機殼上的孔、洞泄漏造成。一個(gè)常規的機箱，上面總會(huì )有蓋板、儀表窗口、開(kāi)關(guān)、調節按鈕、電源及信號接線(xiàn)、通風(fēng)口等，這些在前后面板上開(kāi)的孔、洞必須嚴格按照EMC設計來(lái)考慮。

　　當機箱構件是由螺釘、鉚釘、點(diǎn)焊等直接連接時(shí)，連接界面是不連續的，而且在連接構件之間會(huì )產(chǎn)生彎曲或波紋效應，從而產(chǎn)生縫隙或間隙，當這些縫隙或間隙的尺寸逼近0.01λ時(shí)，將會(huì )導致信號的輻射或穿透，當工作頻率遠小于波導截止頻率時(shí)，計算這些衰減的經(jīng)驗公式如下：

　　其中，L的單位dB, A為搭接構件的間隙深度，G為間隙最大橫向尺寸。

　　在工程實(shí)踐中有很多辦法可以減小上述泄漏，若機箱構件是由螺釘或鉚釘連接的，可以采取增加螺釘或鉚釘密度的辦法來(lái)減小機箱泄漏，因為密度的增加會(huì )導致G值的減小，從而減小泄漏。如果有條件蓋板連接處最好用扼流槽，并用導電密封材料密封連接，或直接采取連續焊接方式連接。大部分機殼需要對流冷卻或強迫風(fēng)冷，由于機殼開(kāi)孔將損壞機箱的屏蔽完整性，因此必須安裝適當的電磁防護罩，它能提供相當大的射頻衰減而不顯著(zhù)妨礙空氣的流動(dòng)。絲網(wǎng)罩和蜂窩罩是常用的二種通風(fēng)罩，絲網(wǎng)罩比較廉價(jià)，但屏蔽效果有限，且破壞平滑空氣流，從而降低冷卻系統效率。蜂窩罩除價(jià)格較貴外，基本能解決上述缺點(diǎn)，所以目前使用較多。除機箱連接外，面板開(kāi)孔的尺寸應滿(mǎn)足截至波導的原理，如通風(fēng)口的設計應滿(mǎn)足如下經(jīng)驗公式：

　　其中，K=27，對于方孔;K=32，對于圓孔;A為蓋板厚度，G為方孔寬度或圓孔直徑，C為孔的中心距離，D為方孔邊長(cháng)或圓孔直徑。當通風(fēng)蓋板用于對流冷卻時(shí)，一般做法是在蓋板上打許多孔，如果用(3)式計算出的泄漏不能滿(mǎn)足總體要求時(shí)，可以采用蜂窩做通風(fēng)口，其衰減滿(mǎn)足下式。

　　N 為蜂窩數。

　　觀(guān)察窗材料應選用夾層迭絲網(wǎng)窗或導電光學(xué)屏蔽玻璃等方法來(lái)防止射頻泄露，其屏蔽效能主要通過(guò)反射電磁波來(lái)獲得而不是通過(guò)吸收來(lái)獲得。通風(fēng)口采用蜂窩屏蔽通風(fēng)罩，安裝時(shí)均采用導電密封結構措施。電源及信號輸入輸出應加專(zhuān)用濾波器。

　　圖1是一個(gè)具體產(chǎn)品的機箱示意圖,如圖所示,前面板上開(kāi)有2個(gè)方孔, 用于安裝射頻接頭和信號控制街頭,兩側和頂蓋上開(kāi)有散熱通風(fēng)槽,后面板和底板無(wú)開(kāi)口。前面板示意圖如圖2所示,當安裝完射頻接頭和信號控制接頭后,前面板基本無(wú)泄漏,接頭與面板連接處用導電橡膠緊密連接。

　　通風(fēng)槽示意圖如圖3所示,本機箱的主要泄露由此產(chǎn)生,開(kāi)始設計時(shí)主要考慮熱設計,強調通風(fēng)效果,槽的尺寸為8 mm×40 mm,由于本設備工作在X波段,因此該槽基本上是一個(gè)傳輸波導,泄露很大,整機無(wú)法通過(guò)電磁兼容要求。

　　面對上述問(wèn)題,我們通過(guò)理論估算和實(shí)際試驗,由于經(jīng)驗公式只有簡(jiǎn)單的方、圓孔計算,沒(méi)有長(cháng)槽經(jīng)驗計算公式,我們采用經(jīng)驗公式(4)進(jìn)行估算,計算結果與實(shí)測結果基本吻合。性能參數如表6所示。

　　考慮到實(shí)際使用情況的多樣性及工程余量要求,另外整機設計效率比較高,發(fā)熱并不大,因此我們又在通風(fēng)槽里面安裝了一層銅絲網(wǎng)來(lái)加強其屏蔽效果,銅絲網(wǎng)孔徑為3 mm×3 mm。加網(wǎng)以后的屏蔽實(shí)測結果達到80 dB。

　　通過(guò)上述綜合考慮與設計，研制的某產(chǎn)品整機及機箱不但通過(guò)了有關(guān)國軍標的防護考核，同時(shí)也滿(mǎn)足了GJB151A-97，GJB152A-97中電源線(xiàn)傳導敏感度，電纜束注入傳導敏感度，磁場(chǎng)輻射發(fā)射，電場(chǎng)輻射發(fā)射，電場(chǎng)輻射敏感度等相關(guān)電磁兼容性能的要求。產(chǎn)品交付用戶(hù)使用多年，性能良好。

　　7 結論

　　本文所述的點(diǎn)滴經(jīng)驗源自長(cháng)期從事的軍工電子設備物資計劃采購與管理工作，先后支撐了多型陸基、島基、艦載電子設備的物資保障工作，僅以此供從事相關(guān)研究和設計工作的同行參考。

　　參考文獻

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第74頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處