55
2020年第6期 安全与电磁兼容
引言
电磁兼容指设备既不产生过大的电磁干扰，影响其它设备的正常运行，又有一定的承受其它设备干扰的能力，能在一定的电磁环境中正常工作。产品的电磁兼容性包括电磁发射、电磁敏感度两方面。设备的电磁兼容设计与功能设计同样重要，要满足设备的电磁兼容性要求，如军用设备的GJB 151B-2013，信息技术设备的GB 4943-2001和GJB/Z 25-91等[1-2]。
研究电磁兼容问题，必须从电磁兼容的三要素，干扰源、耦合通道、敏感源着手[3]。又必须站在系统的角度，全面分析电磁兼容问题。系统中的设备既是干扰源又是敏感源，设备的结构件本身并不存在电磁兼容问题，但是结构件的屏蔽功能可以防止电磁波传入其内部空间[4]，有助于提高产品的电磁兼容性能；未良好接地的结构件可能成为发射天线，从而降低产品的电磁兼容性能。 机箱结构的电磁兼容设计，就是从切断干扰信号的传播路径出发，采用屏蔽、接地技术，提高产品的电磁防护性能。 1 机箱结构
VPX 机箱（以下简称机箱）是基于高速串行总线的新一代总线标准的机箱，主要应用于服务器、加固计算机等。具有高速数据采集、实时信号处理及宽频带大容量存储功能，并具有体积坚固、抗干扰、耐震动的特点。采用19英寸标准VPX（VITA46）机箱，其结构示意图如图1。机箱总高度为4U，内部前部含有16个3U 标准模块插槽，后部含有14个3U 后插标准模块插槽，3U 标准模块插槽间距为5HP，即25.4 mm。
机箱采用风机风冷散热，进风口位于面板下方及左、右侧板的前部下方。出风口位于后面板上方。前面
摘要
介绍了VPX 机箱的结构型式，详细阐述了机箱外壳拼接、可视窗及活动门、散热进出风口、接地与搭接的设计思想、实现方法。给出了波导通风窗截止频率、屏蔽效能的计算公式，指出采用或导电橡胶条、屏蔽玻璃、波导窗等措施，可有效提高VPX 机箱的屏蔽效能及电磁防护水平。通过改进可视窗屏蔽玻璃的安装方式和机箱多点接地，解决了VPX 机箱样机RE102项目测试超标、CS112项目测试中的短暂黑屏问题，样机完全满足GJB 151B-2013电磁兼容的相关要求。关键词 VPX 机箱；电磁兼容；结构；屏蔽效能；接地Abstract
The structure of VPX chassis is introduced. The design idea and implementation method of chassis splicing, visual window and movable door, cooling inlet and outlet, grounding and lapping are described in detail. The formulas for calculating the cut-off frequency and shielding effectiveness of the duct ventilation window are given. It is pointed out that the shielding effectiveness and electromagnetic protection level of the VPX chassis can be effectively improved by using reed or conductive rubber strip, shielding glass and waveguide window. By improving the installation method of the shielding glass of the visual window and the multi-point grounding of the chassis, the problems of exceeding the standard in the RE102 test of the VPX chassis prototype and the short-term black screen in the CS112 project test were solved. The prototype fully meets the relevant requirements of GJB 151B-2013 electromagnetic compatibility.
Keywords
VPX chassis; EMC; structure; shielding effectiveness; grounding
水貂肉基金项目：国产自主超融合大数据一体机研发及产业化（BA2018114）
VPX 机箱的电磁防护设计及测试整改
Electromagnetic Protection Design and Test Rectification of VPX Chassis
扬州万方电子技术有限责任公司 尤贵 魏露露 周思远
56SAFETY & EMC No.6 2020
板开槽安装可视窗活动门，方便插拔、更换3U 标准模块，前面板安装有电源开关及功能控制端口。后面板安装有电源插座、保险丝座、机壳地地桩，可安装紧固3U 后插模块，信号线缆均由3U 后插模块引出。
2 机箱电磁屏蔽设计
屏蔽是一种直接而有效地控制辐射发射的方法，用良导体将干扰源或敏感器包围起来，以隔离被包围部分与外界相互间电的、磁的或电磁干扰。
理想屏蔽体的屏蔽效能远高于电磁兼容对于屏蔽效能的实际需求，但实际机箱不是理想屏蔽体，机箱的壳体一般是拼接的，且设备要完成特定的功能，必然存在一些输入、输出接口或线缆等。因此，实际机箱上存在许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙、通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等。
实际屏蔽体的屏蔽效能主要取决于屏蔽体上各种电气不连续缺陷的屏蔽效能。实际屏蔽体设计的关键，一是屏蔽体的导电连续性；二是不能有直接穿过屏蔽体的导线（穿过屏蔽体的导线必须进行妥善
处理，如屏蔽和滤波）。
2.1 机箱外壳的拼接
机箱的外壳由左、右侧板，前、后面板，上、下盖板拼接而成，不可避免地存在很多缝隙。缝隙的屏蔽效能主要与缝隙的深度和长度有关。增大缝隙的深度、减小缝隙的长度，将增加缝隙的屏蔽效能。缝隙的深度可以是板厚或缝隙的搭接深度，缝隙的长度与基材的表面状态、基材的刚性、紧固点的间距有关。
机箱结构设计时，① 尽可能选择合理的缝隙方案，选择合适的紧固点间距，结构方案允许的情况下，尽可能增加缝隙的搭接深度。② 缝隙中加屏蔽材料，用屏蔽材料的变形来弥补缝隙中的各种缺陷。常用的屏蔽材料有：金属丝网衬垫（带橡胶芯的和空心的）、导电橡胶（不同导电填充物的）、齿形（不同表面涂覆层的）、定向金属丝填充硅实芯橡胶、螺旋管衬垫（不锈钢的和镀锡铍铜的）等。同时，要考虑电磁密封衬垫的主要屏蔽效能参数，它关系到机箱的总体屏蔽效能，也要考虑屏蔽材料与结构件之间的电化学相容性，它关系到屏蔽
效能的稳定性。
机箱外壳的拼接过程中，由左、右侧板，前、后面板拼成围框，拼接处填充镀镍齿形，如图2（a）
。围框与上、下盖板拼接处设计为L 形搭接，加大搭接深度，上、下盖板四周留有○形导电橡胶沟槽，槽内安装导电橡胶，如图2（b），上、下盖板厚3 mm，紧固螺钉的间距根据经验一般在60 mm 左右。
2.2 可视窗及活动门
为方便3U 功能模块的重组及维修，机箱前面板装有活动门，方便插拔模块。活动门上装有可视窗，以实时观察3U 功能模块的工作状态（指示灯）。
为保证机箱的电连续性，可视窗采用屏蔽视窗。屏蔽视窗可用导电聚酯膜、镀膜玻璃、夹丝网屏蔽玻璃等制作。导电聚酯膜、镀膜玻璃的屏蔽效能标称值30 dB，夹丝网屏蔽玻璃根据丝网目数100目、165目、250目等，分别有50 dB、60 dB、70 dB 的标称屏蔽效能。
机箱采用250目夹丝网屏蔽玻璃，屏蔽玻璃四周的丝网边用铝合金框压紧后固定在活动门上。活动门用不锈钢铰链固定在面板上，活动门内侧四周安装导电橡胶，关闭活动门，锁紧松不脱螺钉后，前面板与活动门及屏蔽视窗形成电连续体。2.3 进风口及出风口
由于通风散热的要求，在屏蔽体上必然要开通风孔。通风孔的屏蔽效能与开孔的最大尺寸及开孔面积有关。常用的通风孔为金属丝网和穿孔金属板，但屏蔽效能一般不高，且通风量低。如果对于屏蔽效
能及通风量的要求都较高，一般使用截止波导通风窗。常用的波导管有圆形、矩形、六角形等，波导管的截止频率f c (Hz) [5]分别为：
图1
机箱结构示意图
混合辅助肢体
（a）侧板与面板拼接处填充镀镍齿形
（b） L 形搭接及导电橡胶
图2
机箱外壳拼接处理方式
圆形：f c=17.6×109/d（1）矩形：f c=15×109/I（2）六角形：f c=15×109/W（3）式（1）~式（3）中，d是圆形截止波导管内径（cm），I是矩形截止波导管最大边尺寸（cm），W是六角形截止波导管内壁外接圆直径（cm）。
截止波导通风窗通过高于截止频率的电磁波，衰减低于截止频率的电磁波，其衰减量（屏蔽效能）正比于波导的长度，这种衰减称为截止波导管的吸收损耗[5]。当干扰信号频率远低于波导管的截止频率时，截止波导管的吸收损耗A（dB）分别为：
圆形：A=32t/d（4）矩形：A=27.3t/I（5）六角形：A=27.3t/W（6）式（4）~式（6）中，t为截止波导通风窗的厚度（即波导管的长度）。可以看出，截止波导通风窗的厚度增加一倍，则吸收损耗增加30 dB左右。一般要求：t＞3d，t＞3I，t＞3W。
从截止波导通风窗的加工特性看，正六角形蜂窝状波导窗的制造工艺最成熟，工程应用最广泛。屏蔽效能SE（dB）为：
SE=20lg（f
c
/f）+27.3t/W-20lg（n）（7）式（7）中，f为关注的干扰信号频率，n为截止波导通风窗上总的波导个数（孔数）。可以看出，波导管截止频率越高于干扰信号频率，截止波导通风窗的厚度越厚，屏蔽效能越大；通风窗孔洞的面积越大，孔数越多，屏蔽效能就降低。
截止波导通风窗（以正六角形波导窗为例）的设计步骤：确定需要屏蔽的干扰信号的最高频率f max和屏蔽效能SE，确定截止波导通风窗的截止频率f c＞5f max，根据f c计算波导管的开孔尺寸W，进一步在规定的通风面积上可以计算出孔数n，从而根据式（7）计算出截止波导通风窗的厚度t。军用电子设备的屏蔽效能SE 一般按大于70 dB考虑。
机箱采用截止波导通风窗作为进风口及出风口，截止波导通风窗厚度t为6.4 mm，六角形截止波导管内壁外接圆直径W为1.6 mm，个数n为3 200，在频率f为100 MHz时，由式（7）求得屏蔽效能SE为98.5 dB。
3 接地与搭接
接地是将电路、设备或系统与大地或可作为电位公共基准的结构进行低阻抗连接。搭接是结构件间实现低阻抗连接。在结构设计中，主要考虑机壳地地桩的相关要求，从保护人员和设备的安全，防止电源电压、雷电、静电对人员、设备的电击危害角度出发，根据
GB 4943-2001《信息技术设备的安全标准》，要求机箱外壳的接地电阻≤0.1 Ω；从控制电磁干扰、为电噪声提供流向大地的低阻抗通路的角度出发，GJB/Z 25-91《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》规定：为降低结构件上面的电流噪声，要求屏蔽体提供小于 50 mΩ的通路电阻。
结构设计时，接地回路中的所有结构件都应该搭接良好，保证搭接面具有良好的导电性、可靠接触、有足够的紧固力。搭接面采用不同材料时，应考虑材料间的相容性。机壳地地桩安装时，与结构零件要有足够的接触面积，一般接触面直径大于15 mm。机箱结构设计时，结构件机壳地地桩与大地连接，保证直径大于15 mm的搭接面积，机箱外壳、接地回路中的所有结构件到机壳地地桩的接地导通电阻通常小于50 mΩ。
4 机箱样机的电磁兼容性能测试及整改
VPX机箱样机完成后，按照GJB 151B-2013进行了摸底试验，其CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RS103均符合标准要求；RE102某些频段及频点出现超标现象， CS112视频功能模块连接的显示器出现短暂黑屏（能够自恢复）现象。
4.1 RE102项目试验情况
样机的2 MHz~18 GHz电场辐射发射（陆军地面设备）RE102项目分段测试，发现2~30 MHz未超标，
且有一定裕度，而30~200 MHz的基线整体上抬，在 88 MHz附近有较大波动，且严重超标。该频段的实测图形如图3。
在测试现场，利用频谱分析仪及近场探头对机箱外壳拼接处、活动门与机箱面板结合处、可视窗屏蔽玻璃四周与活动门结合处、通风口、电源线、信号线缆进行了测试，发现可视窗屏蔽玻璃四周与活动门结合处存在较大泄漏。
可视窗屏蔽玻璃装入活动门的槽中，内侧通过铝合金压板、螺钉将屏蔽玻璃及四周的金属丝网压紧安装在活动门上。压板厚度1 mm，螺钉水平间距65 mm，垂直间距43 mm。
初步分析泄漏原因认为，压板厚度1 mm较薄，加之螺钉间距较大，导致屏蔽玻璃四周的金属丝网不能紧
图
3 RE102测试结果
57
2020年第6期 安全与电磁兼容
58SAFETY & EMC No.6 2020
虚拟架子鼓压在活动门的槽框上，存在一些或长、或短的缝隙，从而产生泄漏。
在测试现场，采用屏蔽铜箔将屏蔽玻璃四周的金属丝网粘贴在活动门的槽框上，再通过压板、螺钉将屏蔽玻璃紧固（图4），并重新进行了RE102的测试。从图5的测试结果看出，30~200 MHz 整体基线下沉，该频段均未超标。
桩接地良好，如图8（a），按GJB 151B-2013及产品电磁兼容规范的要求，对机箱和各模块进行了±10 kV 静电放电敏感度测试。
视频功能模块打静电时，视频后插模块连接的显示器出现短暂黑屏（能够自恢复）现象，其它模块及机
箱设备各项功能正常。
机箱活动门内各功能模块基本均为屏蔽体（模块后端与机箱背板插拔部分除外），通过锁紧条将模块壳体两边与机箱模块插槽紧紧地搭接在一起，为静电放电提供低阻抗路径。机箱内部各功能模块的信号地与机箱机壳地分离，静电放电电流不会流进电路本身。
初步判断短暂黑屏是由于视频功能模块对静电放电的低阻抗路径的要求更高，如果在机箱接地路径、低阻抗上有所改善，视频功能模块静电放电敏感度测试应能通过。
考虑到机箱在实际交付安装时，机箱前面框两侧
的后接触面也是接地端（机箱前面框前部为喷塑表面，背面为导电氧化面），在现场，在机箱前面框两侧的后接触面增加了接地端，机箱采用图8（b）的多点接地，
图4
可视窗屏蔽玻璃四周粘贴屏蔽铜箔
图5 屏蔽玻璃紧固后RE102
测试结果
道路交通事故现场图图6
安装改进后的可视屏蔽玻璃
图7 改进后的RE102
测试结果
摸底试验后，对可视窗屏蔽玻璃的安装方式进行了改进，压板厚度增为1.5 mm，螺钉水平间距改为 55 mm，垂直间距29 mm（图6）。
在产品鉴定过程中，根据GJB 151B-2013陆军地面设备要求进行了电磁兼容试验，RE102项目测试结果如图7，满足限值要求。
4.2 CS112静电放电敏感度测试
样机CS112项目测试时，后面板安装的机壳地地
图8 机壳接地情况
（a）机壳接地桩
卷积编码
（b）多点接地
即机壳地地桩和前面框接地组合形式，再次测试，视频功能模块通过了CS112静电放电敏感度测试。
如果产品CS112测试出现类似问题，而机箱外壳除机壳地外不能再增加接地端，则应在结构设计时，在机箱内部通过汇流条或粗导线将搭接成形的结构件直接接至机壳地地桩，解决低阻抗较大的问题，使机箱整体接地电阻小于50 mΩ。
5 结语
机箱结构的电磁防护设计，是结构设计的重要内容。机箱壳体要形成屏蔽体，结构件拼接处要加垫电磁密封材料，电磁密封材料的电阻要尽量小。结构件拼接处的紧固螺钉间距应保证结构件拼接处不会留有缝隙。这与电磁兼容性测试中的辐射发射、辐射敏感度密切相关。截止波导通风窗的截止频率要根据辐射发射、辐射敏感度的要求进行设计。
机箱外壳、接地回路中的所有结构件都应该搭接良好，到机壳地地桩的接地导通电阻小于50 mΩ，才能为机箱内各模块、各屏蔽线缆的端接提供一个等电位公共基准，并快速将干扰信号泄放到大地中。这与电磁兼容性测试中的静电放电、机箱连接的线缆的传导敏感度（CS114、 CS115、CS116）关系紧密。机箱采取以上电磁兼容防护技术及相应整改措施后，顺利通过了 GJB 151B-2013的相关测试。罗口袜
参考文献
[1] 刘晓梅, 王龙. 加固计算机的电磁兼容性设计[J], 计算机
工程, 2014(40): 132-135.
[2] 尚开明. 电磁兼容及系统整机测试技术[M]. 北京: 电子工
业出版社, 2013.
[3] 朱文立. 电磁兼容设计与整改对策及案例分析[M]. 北京:
电子工业出版社, 2012.
[4] Araneo.R, Lovat.G. Fast MoM analysis of the shielding
effectiveness of rectangular enclosures with apertures, metal
plates, and conducting objects[J]. IEEE Transactions on
Electromagnetic compatibility, 2009, 51(2): 274-283.
[5] 吕仁清, 蒋全兴. 电磁兼容性结构设计[M]. 南京: 东南大
学出版社, 1990.
编辑：刘新霞
59
2020年第6期 安全与电磁兼容
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议