電子設(shè)備機(jī)箱防護(hù)設(shè)計(jì)初探

作者 劉育民(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200331)

　　摘要：本文對(duì)海洋環(huán)境下電子設(shè)備防護(hù)材料進(jìn)行了初步探討，從機(jī)箱、機(jī)柜材料、電連接器、外接電纜、導(dǎo)電密封材料、表面防護(hù)、EMC設(shè)計(jì)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(hù)材料;海洋環(huán)境;電子設(shè)備;EMC

　　0 引言

　　我國(guó)具有廣闊的海洋國(guó)土，海洋資源十分豐富。隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的加速發(fā)展，大量海洋裝備與海洋設(shè)施正在布置與實(shí)施，這些海洋裝備與設(shè)施中，電子設(shè)備是其重要的組成部分。由于以前的電子設(shè)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(shè)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(shè)備腐蝕問(wèn)題，防潮、防鹽、防霉以及電磁兼容等因素是設(shè)計(jì)這類(lèi)電子設(shè)備必須優(yōu)先考慮的關(guān)鍵因素。

　　1 材料選擇

　　電子設(shè)備機(jī)箱、機(jī)柜原材料通常選擇輕質(zhì)、高強(qiáng)、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(dǎo)電性能良好，完全可以滿(mǎn)足EMC設(shè)計(jì)對(duì)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(jié)合本所某電子通信設(shè)備總體要求，我們對(duì)表1內(nèi)材料按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及相關(guān)整機(jī)技術(shù)條件，進(jìn)行了鹽霧及霉菌試驗(yàn)，結(jié)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(shè)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(dāng)會(huì)直接影響整機(jī)的使用壽命。設(shè)計(jì)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(yīng)與整機(jī)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，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(duì)抗晶界腐蝕性更優(yōu)越。我們按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及整機(jī)技術(shù)條件，對(duì)表2所列進(jìn)行了鹽霧及霉菌試驗(yàn)，結(jié)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(jí)的電連接器泄漏通常為60 dB，軍品級(jí)的為90 dB，如果選用軍品級(jí)電連接器，一般情況下均能滿(mǎn)足整機(jī)指標(biāo)要求。

　　3 密封材料選擇

　　由于電子設(shè)備整機(jī)暴露在海洋高溫、高濕、高鹽霧惡劣環(huán)境下，為了防止內(nèi)部電路的腐蝕，機(jī)箱、機(jī)柜的密封與屏蔽顯得十分重要，所有的對(duì)外接口必須進(jìn)行導(dǎo)電密封。導(dǎo)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(dǎo)電橡膠密封材料性能對(duì)比。

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

　　4 外接電纜選擇

　　電子設(shè)備的外接電纜主要有射頻電纜、電源電纜、信號(hào)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(hù)套材料。表4列出了幾種常用電纜護(hù)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(jī)技術(shù)條件進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)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(dǎo)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(biāo)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(jī)箱的電子設(shè)備，在完成機(jī)箱外層導(dǎo)電氧化或陽(yáng)極化處理后，為進(jìn)一步加強(qiáng)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(jī)技術(shù)條件進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明氟碳涂料具有比其他涂料更為優(yōu)異的防護(hù)性能。

　　6 電磁兼容性能考慮

　　對(duì)一個(gè)完整密封的金屬機(jī)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(jī)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(dá)不到上述理論值。一個(gè)沒(méi)有采取EMC設(shè)計(jì)的普通機(jī)箱或機(jī)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(jī)殼上的孔、洞泄漏造成。一個(gè)常規(guī)的機(jī)箱，上面總會(huì)有蓋板、儀表窗口、開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)按鈕、電源及信號(hào)接線、通風(fēng)口等，這些在前后面板上開(kāi)的孔、洞必須嚴(yán)格按照EMC設(shè)計(jì)來(lái)考慮。

　　當(dāng)機(jī)箱構(gòu)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(xù)的，而且在連接構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生彎曲或波紋效應(yīng)，從而產(chǎn)生縫隙或間隙，當(dāng)這些縫隙或間隙的尺寸逼近0.01λ時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的輻射或穿透，當(dāng)工作頻率遠(yuǎn)小于波導(dǎo)截止頻率時(shí)，計(jì)算這些衰減的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

　　其中，L的單位dB, A為搭接構(gòu)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(jī)箱構(gòu)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(jī)箱泄漏，因?yàn)槊芏鹊脑黾訒?huì)導(dǎo)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(dǎo)電密封材料密封連接，或直接采取連續(xù)焊接方式連接。大部分機(jī)殼需要對(duì)流冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于機(jī)殼開(kāi)孔將損壞機(jī)箱的屏蔽完整性，因此必須安裝適當(dāng)?shù)碾姶欧雷o(hù)罩，它能提供相當(dāng)大的射頻衰減而不顯著妨礙空氣的流動(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(tǒng)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(jī)箱連接外，面板開(kāi)孔的尺寸應(yīng)滿(mǎn)足截至波導(dǎo)的原理，如通風(fēng)口的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足如下經(jīng)驗(yàn)公式：

　　其中，K=27，對(duì)于方孔;K=32，對(duì)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(zhǎng)或圓孔直徑。當(dāng)通風(fēng)蓋板用于對(duì)流冷卻時(shí)，一般做法是在蓋板上打許多孔，如果用(3)式計(jì)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(shù)。

　　觀察窗材料應(yīng)選用夾層迭絲網(wǎng)窗或?qū)щ姽鈱W(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(dǎo)電密封結(jié)構(gòu)措施。電源及信號(hào)輸入輸出應(yīng)加專(zhuān)用濾波器。

　　圖1是一個(gè)具體產(chǎn)品的機(jī)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(hào)控制街頭,兩側(cè)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(dāng)安裝完射頻接頭和信號(hào)控制接頭后,前面板基本無(wú)泄漏,接頭與面板連接處用導(dǎo)電橡膠緊密連接。

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

　　面對(duì)上述問(wèn)題,我們通過(guò)理論估算和實(shí)際試驗(yàn),由于經(jīng)驗(yàn)公式只有簡(jiǎn)單的方、圓孔計(jì)算,沒(méi)有長(zhǎng)槽經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,我們采用經(jīng)驗(yàn)公式(4)進(jìn)行估算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。性能參數(shù)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(jī)設(shè)計(jì)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(qiáng)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(cè)結(jié)果達(dá)到80 dB。

　　通過(guò)上述綜合考慮與設(shè)計(jì)，研制的某產(chǎn)品整機(jī)及機(jī)箱不但通過(guò)了有關(guān)國(guó)軍標(biāo)的防護(hù)考核，同時(shí)也滿(mǎn)足了GJB151A-97，GJB152A-97中電源線傳導(dǎo)敏感度，電纜束注入傳導(dǎo)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(jié)論

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

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

　　[2]謝義水.艦載電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì).機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(1).

　　[3]任勝利.電子設(shè)備的防護(hù)設(shè)計(jì).2008年電子機(jī)械與微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

　　[4]路龍龍,石偉.電子結(jié)構(gòu)三防的技術(shù)設(shè)計(jì).電子元器件應(yīng)用,2008(4).

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