電子裝置環境防護講座
梁紹文2023年2月
電子裝置的環境防護設計
為了更好地介紹系統（整機）的環境防護設計，下面用乙個機載計算機系統並結合一些基本概念予以闡述。
如圖所示，該系統由一台主機（工控機）、液晶顯示器、鍵盤和滑鼠組成，與其他裝置一起構成一套組架式結構。
機載計算機系統外形圖
系統的環境條件要求如下：
(1).氣候環境條件
工作溫度 -25～+55℃ 貯存溫度 -55～+70℃
相對濕度 10%～90%
(2).振動試驗要求
正弦振動 10～23hz 0.44mm、23～52hz 15m/s、
52～2000hz 50m/s
隨機振動
a、標準振動環境，總均方值加速度為4.12g，持續時間為1小時。
10～40hz +6db/oct、40～500hz 0.02g/hz、
500～2000hz -6db/oct
b、耐久振動環境，總均方值加速度為6.08g，持續時間為3小時 。
10～40hz +6db/oct、40～500hz 0.04g/hz、
500～2000hz -6db/oct
(3).電磁相容測試要求
按gjb151a—97要求，進行如下頂目測試。
● ce102 10khz～10mhz電源線傳導發射；
● cs101 25hz～50khz電源線傳導敏感度；
● cs114 10khz～400mhz 電纜束注入傳導敏感度；
● cs115 電纜束注入脈衝激勵敏感度；
● cs116 10khz～100mhz電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度；
● re102 2mhz～18ghz 電場輻射發射；
● rs103 30mhz～18ghz 電場輻射敏感度。
第一章電磁相容（emc）設計
1.1系統（整機）的電磁相容（emc）分析及防護措施
該系統的主機採用工業擋的計算機，機殼重新設計為面板寬19″高4u的組架式插箱。顯示器也重新設汁為8u標準19″組架插箱，螢幕為15.1″tft液晶顯示器。
還有鍵盤和滑鼠，在使用時安裝在控制台上。
由於工業擋計算機不能滿足**標gjb151a-97的測試要求及其他使用要求，因此對整個系統都進行重新結構設計。我們曾經對一套沒有進行電磁相容加固的工控機系統進行過摸底測試，結果發現相差甚遠，圖1-1是對它們的re102電場發射輻射測試的曲線。
圖1-1、工控機系統（主機、顯示器、鍵盤、滑鼠emc加固前的測試曲線
可以看出，工控機系統在14khz～1ghz的頻段內幾乎全部超出曲線的極限值，尤其在30khz～300khz的頻段的輻射發射值高達100分貝微伏。儘管工控機系統是通過了民品emc標準的，但是它們的要求低得多，必須重新進行加固才能滿足軍品的要求。
計算機是一套資料處理和儲存系統，它的主要線路由脈衝數位電路和工作於開關狀態的電路組成。由於它所處理的是脈衝訊號，因而易受外界脈衝干擾的影響，同時它也向外界產生干擾脈衝。由圖1-1可以看出，計算機系統的輻射頻率處於很寬的頻譜範圍，包括長波、中波、短波、公尺波、分公尺波等很寬的波段，與電力裝置、廣播、電視、通訊、雷達等裝置的基本工作波段相同，因此它工作在乙個相當複雜的工作環境。
這些干擾主要來自射頻干擾、工頻電源干擾、靜電干擾及雷電脈衝干擾等，它們都會使計算機出現執行錯誤或故障，甚至破壞機內某些部件，因此它是一套敏感裝置；而計算機所產生的寄生輻射和傳導所造成的電磁洩漏又是外部敏感裝置的雜訊源，其中cpu、記憶體、i/o介面、時鐘、**、字型檔、傳輸線、電源線等部位都有較強的電磁輻射。
針對本系統的結構特點，我們把防護設計的重點放在遮蔽機箱的設計和連線電纜（包括電源線）的防護上，後面我們分別介紹。
1.2機箱遮蔽設計
1.2.1基本概念
遮蔽設計中要用到一些基本概念：近場、遠場、波阻抗、電場波、磁場波、平面波、媒介特性阻抗、遮蔽效能等。
近場區：到輻射源的距離小於λ/2π公尺的區域。
遠場區：到輻射源的距離大於λ/2π公尺的區域。
波阻抗：電磁波中電場分量e與磁場分量h的比值叫波阻抗zw：zw=e/h（ω）
遠場波阻抗：等於傳播媒介的特性阻抗，真空中為377ω。
近場波阻抗：由源的阻抗和觀測點到源的距離決定，隨著觀測點到源的距離增加，趨近遠場波阻抗（377ω）。
磁場波阻抗： ︱zw︱=377（2πr
電場波阻抗： ︱zw︱=377（λ/2πr） （ω）
r—觀測點到源的距離
平面波阻抗：zw=377（ω）
電場波：高阻抗源（高電壓、小電流）產生的電磁波，其波阻抗較高，因此也叫高阻抗波。例如電子裝置的電纜產生的共模輻射。
磁場波：低阻抗源（低電壓、大電流）產生的電磁波，其波阻抗較低，因此也叫低阻抗波。例如電子裝置的電源線、變壓器產生的輻射。
crt顯示器受到附近大變壓器產生的磁場干擾是一種十分普遍的現象。
平面波：無論電場波還是磁場波，進入遠場區後都稱為平面波。
傳播媒介特徵阻抗：傳播媒介特徵阻抗定義為：
z=式中：ω—電磁波的角頻率；
μ—媒介的磁導率；
σ—媒介的電導率；
ε—媒介的介電常數。
絕緣體的場合：σ﹤﹤jωε，特徵阻抗與頻率無關 ：
z0=導體的場合：σ﹥﹥jωε
z0== ︱z0︱=
任何導體的特徵阻抗可以用下式表示：
︱z0︱=3.68×10-7
這裡f為頻率(hz)、 σr、μr 分別為金屬板的相對電導率和相對磁導率，見表1
1.2.2遮蔽效能
乙個遮蔽體的遮蔽效能se由下式計算：
se=20lg（e0 /e1 ） （ 電場 ）
se=20lg（h0 /h1 ） （ 磁場 ）
式中：e0（h0）是沒有遮蔽時測得的電場場強（磁場場強），e1（h1）是有了遮蔽後測得的電場場強（磁場場強）。遮蔽效能的單位是分貝（db）。
1.2.3實心遮蔽體遮蔽效能的計算
遮蔽效能se=a+r+b
式中吸收損耗a：電磁波在遮蔽體內傳播時的能量損耗，形成吸收損耗；
反射損耗r；當一束電磁波入射到遮蔽體上時，在遮蔽體與空氣的接觸面上發生反射，形成反射損r；
多次反射因子b：電磁波在遮蔽體內多次反射，產生額外的電磁洩漏b。
⑴.吸收損耗a的計算：
a=20lg（e1/e0）=20lg（et/δ）=8.69（t/δ）=0.131t
式中：δ─金屬材料的集膚深度，電磁波強度衰減為原來的1/e或37%時的傳播距離。
t─金屬厚度（mm）
f─頻率（hz）
μr─金屬板的相對磁導率
σr─金屬板的相對電導率
⑵.由於反射損耗與電磁波的波阻抗有關，因此不同型別的電磁波其反射損耗不同。
近區電場（高阻抗場）： r=141-10lg（μrf3r/σr） （db）
近區磁場（低阻抗場）： r=74.6-10lg（μr/fσrr2） （db）
平面波（遠場）： r=108.1-10lg（μrf/σr） （db）
式中：r─輻射源至機箱壁的距離(m)
f─頻率(mhz)
⑶.多次反射修正係數
電磁波在遮蔽體內的多次反射會導致額外的電磁波洩漏，為了在遮蔽效能計算中修正這部分額外電磁洩漏，引入多次反射修正因子b：
b=20lg(1-e-2t/δ) (db)
a. b值為負值，其作用是削弱遮蔽效能。
b. 當吸收損耗a>10db時，b可以忽略。
c. 電場波的場合，大部分能量在第乙個反射面發生反射，只有很少的能量進入遮蔽體，因此可以忽略多次反射因子。
1.2.4實際遮蔽體的遮蔽效能
除了低頻磁場外，一般的金屬材料提供100db以上的遮蔽效果並不難。但實際的遮蔽體由於種種原因，要達到100db以上遮蔽效果是非常困難的。
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