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      電子設備機箱防護設計初探

      作者:劉育民時間:2019-01-29來源:電子產品世界收藏

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

      本文引用地址:http://www.ytvs.tw/article/201901/397279.htm

        摘要:本文對進行了初步探討,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、設計等方面進行了分析和探討,在工程上有一定參考價值。

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        0 引言

        我國具有廣闊的海洋國土,海洋資源十分豐富。隨著國家海洋戰略的加速發展,大量海洋裝備與海洋設施正在布置與實施,這些海洋裝備與設施中,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,問題主要集中在海洋環境下的高溫、高濕、高鹽霧狀況下的設備腐蝕問題,防潮、防鹽、防霉以及電磁兼容等因素是設計這類電子設備必須優先考慮的關鍵因素。

        1 材料選擇

        電子設備機箱、機柜原材料通常選擇輕質、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,同時鋁合金材料的導電性能良好,完全可以滿足設計對材料材質的要求,考慮到海洋環境的高溫、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及相關整機技術條件,進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。

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        2 連接器選擇

        連接器通常安裝在設備的前后面板上,與周圍環境直接接觸,受環境影響直接、明顯,如果選用不當會直接影響整機的使用壽命。設計人員在選用時,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。

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        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生的點腐蝕傾向,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。加工硬化性優(無磁性),又由于低碳,它對抗晶界腐蝕性更優越。我們按GJB150.10A-2009、GJB150.11A-2009及整機技術條件,對表2所列進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,一般情況下均能滿足整機指標要求。

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        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及整機技術條件,選用了1285鋁鍍銀導電橡膠和1350玻璃鍍銀導電橡膠進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。

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        我們按GJB150.03A-2009、GJB150.11A-2009及 整機技術條件進行了相關試驗,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極化處理后,為進一步加強其防腐能力,通常還需進行表面涂覆處理,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。

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

        6 電磁兼容性能考慮

        對一個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,但是任何實際機殼都開有孔、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。一個沒有采取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。一個常規的機箱,上面總會有蓋板、儀表窗口、開關、調節按鈕、電源及信號接線、通風口等,這些在前后面板上開的孔、洞必須嚴格按照EMC設計來考慮。

        當機箱構件是由螺釘、鉚釘、點焊等直接連接時,連接界面是不連續的,而且在連接構件之間會產生彎曲或波紋效應,從而產生縫隙或間隙,當這些縫隙或間隙的尺寸逼近0.01λ時,將會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,計算這些衰減的經驗公式如下:

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        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減小機箱泄漏,因為密度的增加會導致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冷,由于機殼開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妨礙空氣的流動。絲網罩和蜂窩罩是常用的二種通風罩,絲網罩比較廉價,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。蜂窩罩除價格較貴外,基本能解決上述缺點,所以目前使用較多。除機箱連接外,面板開孔的尺寸應滿足截至波導的原理,如通風口的設計應滿足如下經驗公式:

        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為方孔邊長或圓孔直徑。當通風蓋板用于對流冷卻時,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足總體要求時,可以采用蜂窩做通風口,其衰減滿足下式。

        N 為蜂窩數。

        觀察窗材料應選用夾層迭絲網窗或導電光學屏蔽玻璃等方法來防止射頻泄露,其屏蔽效能主要通過反射電磁波來獲得而不是通過吸收來獲得。通風口采用蜂窩屏蔽通風罩,安裝時均采用導電密封結構措施。電源及信號輸入輸出應加專用濾波器。

        圖1是一個具體產品的機箱示意圖,如圖所示,前面板上開有2個方孔, 用于安裝射頻接頭和信號控制街頭,兩側和頂蓋上開有散熱通風槽,后面板和底板無開口。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,前面板基本無泄漏,接頭與面板連接處用導電橡膠緊密連接。

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        通風槽示意圖如圖3所示,本機箱的主要泄露由此產生,開始設計時主要考慮熱設計,強調通風效果,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傳輸波導,泄露很大,整機無法通過電磁兼容要求。

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        面對上述問題,我們通過理論估算和實際試驗,由于經驗公式只有簡單的方、圓孔計算,沒有長槽經驗計算公式,我們采用經驗公式(4)進行估算,計算結果與實測結果基本吻合。性能參數如表6所示。

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        考慮到實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,發熱并不大,因此我們又在通風槽里面安裝了一層銅絲網來加強其屏蔽效果,銅絲網孔徑為3 mm×3 mm。加網以后的屏蔽實測結果達到80 dB。

        通過上述綜合考慮與設計,研制的某產品整機及機箱不但通過了有關國軍標的防護考核,同時也滿足了GJB151A-97,GJB152A-97中電源線傳導敏感度,電纜束注入傳導敏感度,磁場輻射發射,電場輻射發射,電場輻射敏感度等相關電磁兼容性能的要求。產品交付用戶使用多年,性能良好。

        7 結論

        本文所述的點滴經驗源自長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,僅以此供從事相關研究和設計工作的同行參考。

        參考文獻

        [1]陳偉華.電磁兼容實用手冊.機械工業出版社,1998.

        [2]謝義水.艦載電子設備的三防設計.機械工程學報,2007,43(1).

        [3]任勝利.電子設備的防護設計.2008年電子機械與微波結構工藝學術會議論文集.

        [4]路龍龍,石偉.電子結構三防的技術設計.電子元器件應用,2008(4).

      本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第2期第74頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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