数字保密电话机电磁兼容设计

缘份

数字保密电话的电磁兼容设计是项难度很大的设计，原因不仅是由于电话机人机界面的特殊性，同时机内空间狭小，形状复杂都给设计带来了很大的困难。
EMC design for digital secret telephony is extremely difficult, because of not only the particularity of its man－machine interface, but its narrow space and complicated shape.
　　1　概　述
根据用户要求，我们研制的数字保密电话机要具有防电磁泄漏和抗电磁干扰措施，产品的电磁兼容测试，要达到国军标GJB151.4－86的规定，符合该类设备(A3类)的电磁发射和敏感度要求的极限值。
作为一种电话机，由于其人机界面的要求和工作环境的特殊性，不仅要求使用性能可靠，而且结构设计要合理，外形要美观。因此，绝大多数同类设备的外壳都采用质感优越、造型美观的塑料外壳，我们的产品也不例外，外壳也是采用ABS工程塑料压制式的。而塑料外壳没有防护电磁辐射的能力，因此给设计带来一定的困难。
电话机另一特点是孔洞多、连接缝隙长，本机的上盖正面有拨号键盘孔、数码显示窗以及手机叉簧按键孔等；底座有电源插座、手机插座、保险丝座、录音插座、非话接口插座的密钥卡插孔等，这些孔洞无疑给电磁兼容设计带来不少的麻烦。电话机外壳基本采用上下盖结构形式，而上下盖之间连接缝隙是较长的，本机上下盖之间的连接缝隙长达1米左右。此外，由于结构需要，上盖还有小面板、功能键小门等所形成的不少缝隙，这些缝隙都是电磁辐射的途径，在设计中是绝对不可忽视的。
我们的保密电话机有交流供电电源，还有远供直流电源。交流电源主要由电源模块和“R”型变压器等组成，这些整件模块的电磁辐射比较强列，因此在电磁兼容设计中也是一个重点考虑部位。
此外，保密电话机有电源线、手机线、外线以及非话接口电缆等，这些线缆在实际电磁环境中相当于天线，其产生的天线效应将机内电磁信息辐射出来，因此在设计中对这些线缆及其接口部位也应作重点考虑。
针对上述情况，我们在采取了一系列措施后，使该机通过了国军标GJB151.4－86的电磁发射和敏感度测试。　　2　电磁兼容措施
2.1塑料外壳内表面喷涂导电涂料
这项工艺我们选用了多个厂家生产的导电涂料作试验，其中，美国CHOMERICS公司的银镍合金导电漆和电子部33所研制的银镍合金导电漆分别达到了国军标电磁兼容测试标准和“三防”环境试验要求。最后我们选择了电子部33所研制的银镍合金导电漆。
在电磁兼容摸底试验中，我们发现塑料外壳是否喷涂导电涂料所产生的测试结果有相当大的差异。在3MHz～30MHz范围内，我们利用探头测试过涂有导电涂料的上盖和没有喷涂导电涂料的上盖，经对比，在机壳的同一部位(电源滤波器附近)没有喷涂的上盖辐射非常明显，比喷涂了导电涂料上盖的辐射量高出20db左右，因此，塑料外壳的导电喷涂是十分必要的。
2.2　孔洞与缝隙的屏蔽
由于电话机的外壳孔洞较多，上下盖之间的连接缝隙又长，因此完全依靠外壳表面金属化屏蔽措施显示是不能彻底解决屏蔽问题的。我们可以把电话机看作是一个非实心型屏蔽体，在不考虑电磁场在空间传播的传输相位差异的情况下，其屏蔽效能可用下式表示：
从式中可以看出其屏蔽效能是由多项因素决定的。对本机来说，除了屏蔽材料之外，主要还有缝隙、孔洞的辐泄以及互连电缆的传导耦合等因素影响。
据有关资料介绍，当把一个四周完全封闭的塑料壳体内表面喷涂40～50μm厚的导电涂料时，其屏蔽效能在频率为150K～450MHz时可达60～46db，如果本机是这样一个壳体的话，这个效果是可以满足GJB151.4－86的要求的。但实际上它不是一个完全电气连接的屏蔽体，它存在着多种电磁能量泄漏的途径，其中缝隙、孔洞辐泄和电缆线的传导发射(耦合)的影响尤为突出。
2.2.1　连接缝隙的屏蔽
有关资料指出，在屏蔽结构的任何情况下，都应使缝隙长度远小于所抑制的电磁波波长，一般应小于0.01λ，至少不大于0.05λ。当缝隙长度达λ/4或更长时，缝隙就成为非常有效的电磁辐射器，引起电磁能量的大量泄漏。由于本机上下盖之间的连接搭接宽(高)度较小(3mm)，且连接极不严密，其四周缝隙总长达1m多。按照GJB151.4－86中电场辐射发射(RE02)的要求，要在14K～10GHz频段内测量电磁泄漏与干扰。那么，当干扰频率为10GHz，波长λ=0.03m时0.05λ=0.05×0.03m=0.0015=1.5mm，也就是说此时缝隙只能允许1.5mm长；当干扰频率为15MHz，波长λ=20m，0.05λ=1m，这就说明了当干扰频率大于15MHz时，本机上下盖之间的连接缝隙已不能有效地防止电磁能量的泄漏了。
为了解决此缝隙的泄漏，如果我们在上下盖之间连接处加入了一圈弹性衬垫，是能有效地防止此缝隙的电磁泄漏的。但是由于结构的局限和影响外观，这种方法较难实现，所以采用对机内各构件模块各自屏蔽，即整机采用双层屏蔽的方法加以解决。
电话机内部主要由电路插件盒、电源模块盒、电源变压器及电网滤波器等部分组成。电网滤波器设置在靠近交流电源的输入插座附近，以减少引线的输入、输出耦合。
电源变压器又是一个电磁发射器，其产生的强大磁力线对电路的影响很大，又可向机外辐射出强大的电磁波。最初设计的屏蔽罩由于过多考虑安装简易而忽略了对变压器线圈所产生的磁力线进行有效的闭合防护，因而在摸底测试中发现仍然有很强的发射干扰，改变屏蔽盒的结构得到了相当明显的效果。
电源模块是一个开关电源，除了开头频率及各次谐波干扰外，同时还存在管切换脉冲和二极管整流谐波，干扰主要集中在10KHz～1MHz频段内。它是一个强力的电磁辐射体、必须对它进行有效的屏蔽，因此，我们设计了一个全封闭的屏蔽盒。为了防止电磁波从盒盖与盒座间连接的缝隙中辐射，在四周缝隙处加入了一圈网状屏蔽衬垫。摸底测试中我们发现，未加屏蔽盒及衬垫时，电源模块的电磁辐射很强，在4MHz左右的幅度达70dB。加屏蔽盒后则明显减少，在14MHz～IGHz范围内最高处不超过20dB。
主要电路模块均采用插件结构，这些电路插件均装入一个全密封的金属盒内。为了提高屏蔽效能，金属盒的连接缝隙均采用搭接结构，并尽量增加搭接长度，有效地抑制了这些电路板所产生的电磁干扰，特别是时钟频率及其谐振频率的辐射干扰。
采取上述措施后，较好地解决了机壳的缝隙以及孔洞的屏蔽问题。
2.2.2　孔洞的屏蔽
电话机的孔洞较多，一般的电话机拨号键盘都是采用硅橡胶键盘和非金属(如ABS塑料或透明苯塑料料压制)的揿头结构，因此要达到全密封屏蔽是比较困难的。为了减少泄漏，我们将拨号盘及显示印制板装入一个不完全封闭的金属盒子，并使其与喷涂有导电涂料的外壳内表面相紧贴，达到良好的接地。
显示窗口则采用60目的铜网加以屏蔽
对于机器背面的互连插座，如交流电源插座、手机线插座、外线插座及非话业务接口插座等，均采用带金属外壳的连接器，使它们与内表面已金属化的外壳保持良好的电气连接。由于采用了屏蔽电缆，将屏蔽电缆的屏蔽层连接在这些插座的金属外壳上，则可达到孔洞屏蔽的目的。
2.3　外联线的屏蔽与接地
抑制传导干扰也是一项重要的措施，为此选用了带有屏蔽隔离的外线电缆，并在设计时作好相互的阻抗匹配，以及电缆两端确保良好的接地。
电话机的外线用四芯屏蔽电缆，电缆的一端通过一只带金属壳的插座与本机连接，并将屏蔽层连接在插座外壳上。另一端接在外线接线盒上，接线盒内设计有接地片，将隔离线剥离后焊在接地片上，通过此途径将本机的保护地接到大地。此外，在接线盒内安装有四只压敏电阻器，该电阻器在高于260V的直流电压时则被击穿，确保本机免遭雷击。
手机线、电源线以及与非话业务接口的电缆均采用多股屏蔽电缆线，并使这些电缆的屏蔽隔离层具有良好的接地，为共模电流提供了一条低阻抗通路，从而减少了辐射场的强度。
值得一提的是：所有这些互连电缆的插座输入、输出端口，我们都套入了一个或多个铁氧体滤波器，这些俗称“磁环”或“磁珠”的NiZn铁氧体材料能使电磁波通过其中时引起能量损失，能够吸收传输线中的射频波及无用的高频率振荡波，在我们进行电磁兼容测量过程中也证明了这些磁性材料的实效，它使用简单、体积小、且经济可靠。
2.4　内部互连线的设计
在摸底测试中我们发现机内互连线的选择和设计对电磁兼容性的影响很大，特别是电源部分的连接线采用一般导线时，其辐射强度很大，主要是开关电源带来的频率及各次谐波通过输入、输出端口传导发射的结果。后来改用屏蔽电缆连接和接地，并在电源模块输出端的五根导线分别穿心电容后，这些互连线的电磁发射强度明显减小下来。
　　3　结束语
数字保密电话机的电磁兼容设计是在电路人员的密切配合下完成的，他们在设计电路和印制板布局、排线时都充分地考虑了接地、滤波和去耦等抑制措施，使电路的电磁辐射程度尽可能降低，这一点是非常重要的。
这项设计的难度很大，原因不仅是由于电话机人机界面的特殊性，同时机内空间狭小、形状复杂都给设计带来很大的困难。对这类设备的EMC设计，我们是首次尝试，没有可参考的样板，因此也经过了失败和反复，取得最后满意的结果是来之不易的。
最后，我们想说的是，尽管本机已通过国军标GJB151.4－86的各项要求，但所采取的措施不能说是完美的。如机壳底座由于采取了这些措施后不堪重负而略有变形，这对批量生产是不利的，我们准备将底座改为铝压铸件，不但能解决变形问题，而且使结构更容易实现屏蔽和接地。