CN102820590B - 用于屏蔽外壳的集成式连接器屏蔽环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于屏蔽外壳的集成式连接器屏蔽环。具体地，用于对具有连接器孔口的屏蔽外壳进行屏蔽的方法和设备导致了屏蔽外壳内部的电磁环境与外部环境的有效电磁隔离。本发明的实施例也可提供低成本过滤器引脚连接器的有效执行。集成式屏蔽环可形成具有金属环的EMI高频高压电源屏蔽罩，所述金属环附接在隔壁板安装连接器上，所述连接器连结到位于印刷线路板(PWB)组件上的圆形框架接地平面。

Description

用于屏蔽外壳的集成式连接器屏蔽环
技术领域
本发明涉及用于电磁干扰屏蔽的设备和方法，并且更特别地涉及用于密封由屏蔽外壳(enclosure)内的连接器产生的孔口(aperture)的设备和方法。
背景技术
许多系统具有非常高频率的时钟和振荡器，该时钟和振荡器产生从电路卡辐射出去然后通过连接器孔口辐射出电子屏蔽外壳的高频排放，该连接器孔口是屏蔽外壳中的最大孔口。由金属材料制成或涂覆有金属材料的EMI屏蔽外壳非常普遍地应用于航空航天应用中，以便控制所辐射的排放。通过金属壁进行的电磁干扰(EMI)屏蔽是非常有效的，即使对于非常薄的壁也是如此，诸如喷射的或者刷上的金属涂层或箔片。屏蔽效果的方程通过下面的公式(I)给出
SE＝A+R-B(I)
其中
SE是金属护罩的屏蔽效果，
A＝吸收损耗，
R＝反射损耗，并且
B＝多重反射损耗。
多重反射损耗只适用于非常薄的金属片，像铝箔或喷射的金属涂层。薄箔片的屏蔽效果在图1中示出。请注意，当从源到护罩的距离小于λ/2π时考虑近场。即使在大约1千兆赫(GHz)的感兴趣的最高频时，λ/2π≈1.9英寸。因此，屏蔽外壳壁位于处于外壳内的源的近场。
源可以是电的(诸如高阻抗电压源)或者是磁的(诸如低阻抗电流回路)，但大多数源既不是纯电的也不是纯磁的。注意在图1中，近场磁衰减非常低。然而，大多数感兴趣的源主要是电的，例如高阻抗时钟迹线(trace)。相对于远场平面波衰减，铝护罩为这些主要地电场源提供了非常高的衰减度。因此，应用远场平面波衰减为所遇到的大多数噪声源提供了很好的安全边际。对于低频磁场的情况可能不是这样。
金属屏蔽外壳的最大局限之一为输入/输出(I/O)接口。I/O信号进入和离开该屏蔽外壳所需的连接器和其他孔口生成了屏蔽外壳中的的裂口，允许电磁能量进入和离开该屏蔽外壳。连接器通常具有的电介质插入物，连接器引脚安装在该电介质插入物处。该插入物产生了孔口，该孔口具有与如图2A所示圆形连接器的连接器开口L1的最大尺寸相等的电长度。这不是低频信号的问题，因为相比信号的波长该直径非常小，并且屏蔽效果由公式(II)规定
SE＝20log(λ/2L)(II)
其中
SE是孔口屏蔽效果，
L是孔口的最长尺寸，
λ是c/f，其中
c是光速，并且
f是噪声源的频率。
因此，如图3所示，在低频时，连接器孔口相比金属材料平面波衰减提供了更强的屏蔽效果。然而，当频率上升时，连接器孔口的屏蔽效果最终降低到低于材料衰减并且限制了外壳的最大衰减。在高于λ＝2×L的频率时，孔口将不会提供任何衰减。
当出现越来越高的频率系统时，I/O孔口成为更强的辐射源。周期信号在时域信号的主频的谐波展开成傅里叶级数展开。因此，诸如时钟和开关源之类的周期信号将会具有高频谐波，其在衰减很少或没有衰减的情况下从连接器孔口辐射出去。如图2B所示，可以通过在连接器孔口上放置金属框架接地环来减轻这种影响。通过具有多个直径为L2的小孔而不是一个直径为L1的大孔，孔口的屏蔽效果得以提高。
多个孔的效果的公式是下面的公式(III)。与单个连接器孔口相比，图3中示出了19个60密耳的孔口的复合孔口屏蔽效果。这种构造的屏蔽效果的净增加为11.2dB。
SE＝20×log(λ/2L)-20×log(N1/2)(III)
其中，
SE是复合孔口屏蔽效果，
L是单个孔口的最长尺寸，并且
N是孔口的数量。
孔口电磁辐射泄漏效应促使设计者们处理来自I/O孔口的辐射。最常用的处理I/O接口电磁辐射泄漏的方法是采用EMI高频高压电源屏蔽罩(doghouse)。EMI高频高压电源屏蔽罩是一种在第二间隔间处于具有金属接口的屏蔽外壳内的情况下隔离孔口泄漏的方法。EMI高频高压电源屏蔽罩通常要求产生机械屏障，该机械屏障必须被形成或机加工到壳体内。然后，该接口必须与馈通过滤器连接或配合以将互连信号从屏蔽外壳的屏蔽部分传递到非屏蔽部分。这可能大大增加屏蔽外壳的成本和复杂性。
正如可以看出的，需要减轻通过屏蔽外壳中的连接器孔口的电辐射。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种用于对屏蔽外壳中的孔口进行屏蔽的集成式连接器屏蔽环包括：位于印刷线路板上的框架接地环；和金属环，其第一端电连接到所述孔口中的连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环，其中所述金属环适于从上/检查位置移动到下/屏蔽位置。
在本发明的另一个方面中，一种具有带连接器的孔口的屏蔽外壳包括：印刷线路板；位于所述印刷线路板上的框架接地环；和金属环，其第一端电连接到所述连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环，其中所述金属环适于从上/检查位置移动到下/屏蔽位置。
在本发明的又一个方面中，一种具有带过滤器引脚连接器的孔口的屏蔽外壳包括：印刷线路板；位于所述印刷线路板上的框架接地环；金属环，其第一端电连接到所述连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环；和过滤元件，其布置在所述印刷线路板上从而从所述连接器产生过滤器引脚连接器，其中所述金属环适于从上/检查位置移动到下/屏蔽位置。
参照以下的附图、说明书和权利要求书将会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。
附图说明
图1是曲线图，示出了用于各种形式能量的60密耳铝片的屏蔽效果；
图2A是连接器孔口的前视图；
图2B是另一连接器孔口的前视图；
图3是曲线图，示出了与金属外壳屏蔽相比具有或不具有屏蔽孔口的连接器的屏蔽效果；
图4是按照本发明的一个实施例处于上位置的集成式连接器屏蔽环(ISR)的应用的透视图；
图5是与图4的集成式连接器屏蔽环一起使用的框架接地环的前视图；
图6是图4的ISR处于上位置(左手边)和螺纹拧下位置(右手边)的局部剖视图；
图7是图4的ISR处于螺纹拧下位置(左手边)和处于上位置(右手边)的局部剖开的透视图；
图8是安装在屏蔽外壳中的图4的ISR的局部剖视图；
图9A示出了按照本发明的替代实施例的ISR的分解图；
图9B示出了安装有连接器的图9A的ISR；
图10A示出了按照本发明的另一替代实施例的ISR的截面图；
图10B示出了图10A的ISR的透视图；
图10C示出了图10A的ISR的平面图；
图10D示出了安装有连接器的图10A的ISR；
图11是被过滤噪声的再耦合的示意图；
图12是示意图，示出了根据本发明的一个实施例使用屏蔽屏障来消除被过滤噪声的再耦合；
图13是位于印刷线路板的内部对外部层上的框架接地环层的截面图；以及
图14是透视图，按照本发明的一个实施例示出了屏蔽层位于内部框架接地层上构造。
具体实施方式
如下详细描述是目前实施本发明示例性实施例的最佳预期模式。该描述不是以限制的方式作出的，而只是为了阐述本发明的一般性原理而作出的，因为本发明的范围由所附权利要求书最佳地限定。
以下描述的各种创造性特征可以相互独立地使用或者结合其他特征一起使用。
概括地，本发明的实施例提供了用于具有连接器孔口的屏蔽外壳的方法和装置，导致屏蔽外壳内部的电磁环境与外部环境的有效电磁隔离。本发明的实施例也可适应低成本过滤器引脚连接器的有效实施。集成式屏蔽环可与金属环形成EMI高频高压电源屏蔽罩，该金属环附接在隔壁板安装连接器上，该连接器连结到位于印刷线路板(PWB)组件上的圆形框架接地平面。
参照图4和5，集成式屏蔽环(ISR)10将形成具有螺纹12的EMI高频高压电源屏蔽罩，该螺纹12位于隔壁板安装连接器14上(参见图6)。ISR10连结到位于印刷线路板(PWB)18上的圆形框架接地环16。框架接地环16可以是圆形接地平面，其具有圆孔以便连接器引脚20穿过。框架接地环16可以具有多个集成式传输线固定器垫22从而便于环16通过多个传输线固定器(stand-off)24接地。在图4中，左手边的局部视图示出了ISR10。图4中的两个ISR10都处于上检查位置。
参照图6和7，在组装到PWB18上之前，ISR10可以在隔壁板安装连接器螺纹12上一直向上拧动，如图6的左手边连接器所示。一旦安装了连接器14并且检查了软焊，则ISR10可以拧下来直到其接触位于PWB18上的框架接地环16，如图6中的右手边连接器所示。ISR10和框架接地环16之间的接触也由在图7的左手连接器的剖切部分中示出。当ISR10向下收紧抵靠框架接地环16时，压力可被施加到ISR10和隔壁板安装连接器螺纹12的螺纹之间，从而提供沿着ISR10和隔壁板安装连接器螺纹12的螺纹接触的长度的有效屏蔽。
一旦ISR10就位，其可以用导电环氧树脂26连结到圆形框架接地环16，如图6所示。这有助于保证ISR10不会松脱到隔壁板安装连接器螺纹12上从而丧失ISR10和PWB18上的框架接地环16之间的良好的电连结。这有助于在组装到屏蔽外壳28中(如图8所示)时，产生所有元件之间的连续的电传导路径。虚线30代表了位于法拉第罩和外壳28的非屏蔽外部之间的界面。
虽然上面的图4-8描述了ISR10作为内螺纹环拧到连接器14的隔壁板安装连接器螺纹12上，但是ISR10的其他构造也包含在本发明的范围内。例如参照图9A和9B，双环ISR10-2可以包括内螺纹环32和适合于拧到内螺纹环32上的外螺纹环34。与上述ISR10类似，螺纹环32、34可转动以提供连接器和框架接地环16之间的电连接。
参照图10A-10D，在另一替代实施例中，ISR10-3可由适合于附接在一起的多个元件形成。例如，ISR10-3可以包括第一半环36和第二半环38。每个半环可包括耳40，用于将半环连接在一起。可以采用诸如螺栓42和螺母44的常规手段把半环结合在一起。
电磁噪声排放可通过两种不同的机制辐射到屏蔽外壳内或从屏蔽外壳辐射出来。所述排放可从板上的电路辐射，然后通过外壳中的孔口(例如连接器孔或者接缝)辐射出屏蔽外壳。类似地，外部排放可通过相同的孔口辐射到屏蔽外壳的内部中。ISR可通过消除连接器孔口非常有效地控制直接从板辐射的排放，该孔口通常是屏蔽外壳中的主要泄漏点。然而，排放也可通过I/O接口电缆导入或导出屏蔽外壳。耦合在I/O电缆上的外场将会传导进入该单元，并且类似地，I/O电缆上的传导出该单元的EMI噪声将会在屏蔽外壳外部辐射离开电缆，从而绕开ISR。通过刚好在与连接器引脚的板迹线接口之前在PWB上添加过滤元件可以减轻来自I/O接口电缆上的电流的排放。这实质上产生了过滤器引脚连接器。最有效的过滤构造之一是迹线到框架电容器(trace-to-chassiscapacitor)。然而，因为这种构造具有如图11所示的干净侧和噪声侧，所以可能出现再耦合，大大降低过滤的有效性。然而，如上所述，ISR构造中的框架接地环16可形成如图12所示的信号的噪声部分和干净部分之间的屏障，有效地消除了再耦合。这在较高频率时尤其有效。
注意，不同于标准过滤器引脚连接器中必须使用非常小的元件，ISR构造过滤元件的尺寸只受限于PWB上迹线与连接器引脚相连处附近的空间。如果该距离没有被保持到最小，则到经过滤的迹线上的再耦合会增强，这还将会再次降低屏障的有益性。这可允许使用更大值和额定电压的元件进行过滤。这可提供相对于常规过滤器引脚连接器的局限而言非常重要的益处。
连接器的引脚到框架接地环距离(在图13中示为dout)应足够以承受电压应力效应。不同元件之间的伏/密耳标准不同，例如板表面上的迹线到迹线、迹线到框架、引脚到框架。因此，I/O引脚上的相对于框架的最大允许电压将会受限于框架接地环16和连接器引脚20之间的距离。可以通过增大dout的尺寸来增大连接器引脚20和框架接地环16之间所允许的最大电压。替代地，可通过把框架接地环16-1埋在PWB18的内层上来提高伏/密耳额定值，其中，埋入层的伏/密耳额定值远高于外层的伏/密耳额定值。埋入框架接地环16-1还可能有第二个好处，因为对于框架接地环16-1中的相等直径的连接器孔，可以增大连接器引脚20和框架接地环16-1之间的距离，这是因为连接器引脚通路(via)46在外层上具有略微更大的直径，如图13所示，其中对于相同直径的孔，din＞dout。因此，具有更高绝缘耐受电压或闪电电压要求的一些构造可能需要埋入的框架接地环。
为了用埋入框架接地环16-1保持法拉第罩，可以在顶层上增加圆环48，并在圆环48周围增加一系列通路50，如图14所示。这样可以允许元件的引脚到框架额定电压高得多(与上面参照图4-8所述的表明框架接地环16相比)，从而允许使用这种构造作为过滤器引脚连接器，其中，标准过滤器连接器不能工作，因为它们通常具有最大为大约250伏的最大过滤器引脚到框架额定值。
本发明的连接器孔口屏蔽方法和设备连同上述过滤器引脚连接器构造一起可降低来自连接器孔口的电磁排放，可提供一种用于实施过滤器引脚构造的低成本方法，可提供一种实施I/O信号连接器高频高压电源屏蔽罩的低成本方法，可提供过滤元件的尺寸不受限的过滤器引脚构造，并且可提供具有相比标准的现货供应过滤器引脚连接器更高的额定电压的过滤器引脚构造。
当然应当理解，前述内容涉及本发明的示例性实施例，并且在不背离如所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围的情况下，可作出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于对屏蔽外壳中的孔口进行屏蔽的集成式连接器屏蔽环，包括：
位于印刷线路板上的框架接地环；以及
金属环，其第一端电连接到所述孔口中的连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环，其中
所述金属环适于从上检查位置移动到下屏蔽位置，在所述上检查位置中，所述金属环的第二端未电连接到所述框架接地环，在所述下屏蔽位置中，所述金属环的第二端电连接到所述框架接地环。
2.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，还包括所述金属环上的阴螺纹，所述阴螺纹适于与所述连接器上的阳螺纹配合。
3.如权利要求2所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述框架接地环还包括多个传输线固定器垫，其便于所述框架接地环接地。
4.如权利要求2所述的集成式连接器屏蔽环，还包括布置为保持所述金属环在下屏蔽位置的导电密封剂。
5.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述金属环是圆柱形金属环。
6.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，还包括过滤元件，其布置在所述印刷线路板上从而由所述过滤元件和所述连接器产生过滤器引脚连接器。
7.如权利要求6所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述过滤元件包括迹线到框架电容器。
8.如权利要求6所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述框架接地环阻碍由所述过滤元件过滤的噪声的再耦合。
9.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述框架接地环嵌入所述印刷线路板内部。
10.如权利要求9所述的集成式连接器屏蔽环，还包括：
布置在所述印刷线路板上的圆环；和
多个通路，所述多个通路将所述圆环与嵌入的框架接地环电连接，
其中，当所述金属环在所述下屏蔽位置时，所述圆环适于电连接到所述金属环。
11.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述金属环包括具有内螺纹的第一金属环和具有外螺纹的第二金属环，所述外螺纹与所述内螺纹配合。
12.如权利要求1所述的集成式连接器屏蔽环，其中，所述金属环包括第一环半体和第二环半体，所述第一和第二环半体适于夹持在一起。
13.一种具有带连接器的孔口的屏蔽外壳，包括：
印刷线路板；
位于所述印刷线路板上的框架接地环；和
金属环，其第一端电连接到所述连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环，
其中，所述金属环适于从上检查位置移动到下屏蔽位置，在所述上检查位置中，所述金属环的第二端未电连接到所述框架接地环，在所述下屏蔽位置中，所述金属环的第二端电连接到所述框架接地环。
14.如权利要求13所述的屏蔽外壳，其中，所述屏蔽外壳是法拉第罩。
15.如权利要求13所述的屏蔽外壳，还包括所述金属环上的阴螺纹，所述阴螺纹适于与所述连接器上的阳螺纹配合。
16.如权利要求15所述的屏蔽外壳，还包括多个传输线固定器，其将所述框架接地环的多个传输线固定器垫与所述连接器电连接。
17.一种具有带过滤器引脚连接器的孔口的屏蔽外壳，包括：
印刷线路板；
位于所述印刷线路板上的框架接地环；
金属环，其第一端电连接到所述连接器的外部，其第二端适于电连接到所述框架接地环；和
过滤元件，其布置在所述印刷线路板上从而由所述过滤元件和所述连接器产生过滤器引脚连接器，
其中，所述金属环适于从上检查位置移动到下屏蔽位置，在所述上检查位置中，所述金属环的第二端未电连接到所述框架接地环，在所述下屏蔽位置中，所述金属环的第二端电连接到所述框架接地环。
18.如权利要求17所述的屏蔽外壳，其中，所述过滤元件包括迹线到框架电容器。
19.如权利要求17所述的屏蔽外壳，其中，所述框架接地环阻碍由所述过滤元件过滤的噪声的再耦合。
20.如权利要求17所述的屏蔽外壳，其中，所述过滤元件的尺寸不受限于所述连接器的尺寸。
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