CN109975935A - 一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，以机箱内辐射的最高频率作为截止频率，根据波导理论设计波导几何尺寸，同时对选用材料及表面粗糙度控制；然后根据材料的体电阻率、压缩量、屏蔽效能及电化学特性参数选用导电衬垫；最后根据波导的法兰结构，在机箱壁配接面设计安装孔位及控制配接面的表面粗糙度，完成防电磁泄漏机构设计。本发明有效降低了低成本LC、SC等光缆接口在机箱壁应用时机箱对外产生的电磁辐射。

Description

一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法
技术领域
本发明属于电磁兼容设计技术领域，具体涉及一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法。
背景技术
光缆通信已广泛应用于家庭联网、工业控制中。在一般的电子机箱设计中通常采用LC、SC等光缆接口实现光通道间的可拆卸式连接。LC、SC等光缆接口由于其成本低廉、使用方便而大量使用，同时光缆因为不含电信号也不会造成电缆的电磁辐射效应而受到青睐。然而，LC、SC等光缆接口的主体为塑料结构，在机箱光缆插孔处无法完成电磁密封，不可避免地在机箱壁上形成孔、缝，构成了电磁泄漏通道。在电磁辐射要求日益严格的趋势下，使用低成本LC、SC光缆接口将受到限制。目前，没有针对低成本LC、SC等光缆接口使用时产生的电磁泄漏提出有效的应对方法。本发明针对该问题提出一种新的设计方法：旨在应用低成本LC、SC光缆接口的同时，能有效降低机箱内由光缆接口处对外产生的电磁泄漏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，满足使用低成本LC、SC等光缆接口方便插拔的前提下能有效降低机箱内由光缆接口处对外产生的电磁泄漏。
本发明采用以下技术方案：
一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，以机箱内辐射的最高频率作为截止频率，根据波导理论设计波导几何尺寸，同时对选用材料及表面粗糙度控制；然后根据材料的体电阻率、压缩量、屏蔽效能及电化学特性参数选用导电衬垫；最后根据波导的法兰结构，在机箱壁配接面设计安装孔位及控制配接面的表面粗糙度，完成防电磁泄漏机构设计。
具体的，选取矩形波导截面设计，使全双工光缆接头能穿过波导机构，衰减量S计算如下：
其中，L为波导长度，并受限于外部结构预留尺寸，C为波导内壁对角线长度。
进一步的，波导机构截面尺寸设计如下：
其中，f2为机箱内辐射的最高频率，fc为波导截止频率，A，B分别为波导内壁面宽和高，a，b分别为光缆接头截面的宽和高。
具体的，根据趋肤深度δ和结构强度设计波导机构壁厚，波导机构壁厚E≥50δ。
进一步的，趋肤深度δ计算如下：
其中，f1为机箱内最低辐射频率，σ为波导机构电导率，μ为波导机构磁导率。
具体的，波导机构端部还应设计法兰面，并预留安装孔，通过螺钉将波导机构与机箱连接固定并密封，法兰面保证加工精度并作常规导电氧化处理；法兰装配面区域不涂漆。
具体的，导电衬垫的选型设计的条件如下：
导电衬垫的体电阻率小于等于0.005Ω·cm；屏蔽效能和螺纹预紧形成的压缩量大于等于导电衬垫的最小压缩量，小于导电衬垫的最大压缩量；
导电衬垫的电化学电位与金属配接面的电化学电位差值小于等于100mV。
具体的，机箱壁光纤插座位置开有与波导机构内截面形状相同的通孔，能够实现波导机构与机箱壁之间可拆卸；机箱壁与波导机构法兰面的相应位置开有与螺钉对应的螺纹孔。
具体的，配接面的表面粗糙度为3.2～6.3，并进行常规导电氧化处理。
具体的，机箱壁配接面不涂漆。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，实现了低成本LC、SC等光缆接口使用的方便插拔优点，又能通过波导的低通截止效应抑制矩形孔对外的电磁波泄漏，并在缝隙处达到电磁密封，最终达到有效降低了干扰电磁波对外辐射的效果。
进一步的，矩形波导截面设计能够实现波导对机箱内干扰电磁波产生低通截止效果。
进一步的，根据趋肤深度δ和结构强度设计波导机构壁厚及材料选型，使壁厚满足电磁性能，并具有可加工性。
进一步的，波导机构的可拆卸进而实现光缆接头的方便插拔，同时降低表面接触电阻。
进一步的，弥补金属材料表面粗糙度形成的随机缝隙，能有效降低缝隙造成的电磁波泄漏。
进一步的，减小机箱壁形成的接触电阻，进而降低缝隙造成的电磁波泄漏。
综上所述，本发明解决了低成本LC、SC光缆接口在机箱壁应用时对外产生电磁辐射现象。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为波导机构截面设计示意图；
图3为机箱光缆接口用防电磁泄漏机构整体示意图。
其中：1.机箱配接面；2.导电衬垫；3.波导机构；4.紧固螺钉。
具体实施方式
本发明提供了一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，包括波导机构设计、导电衬垫设计和机箱壁配接面设计；首先以机箱内辐射的最高频率作为截止频率，根据波导理论，设计波导几何尺寸，同时对选用材料及表面粗糙度控制；然后根据材料的体电阻率、压缩量、屏蔽效能及电化学特性等参数选用恰当的导电衬垫，为波导机构和机箱提供完整的电磁密封；最后根据波导的法兰结构特点，在机箱壁配接面设计安装孔位及控制配接面的表面粗糙度。本发明为低成本光缆接头应用时防电磁波泄漏提供一种新方法，条理清楚，便捷可行。
请参阅图1，本发明一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，包括以下步骤：
S1、波导机构设计；
S101、波导机构截面尺寸设计
根据波导理论，空心金属波导结构可传输不同模式的电磁波，不同模式的电磁波具有不同的频率；矩形波导的TE10模式的电磁波频率最低。低于此最低频率的电磁波通过矩形波导时，矩形波导对电磁波呈现截止特性，仅在电磁波频率高于此最低频率时电磁波才有可能通过，此特性称为“波导的低通截止特性”。本发明利用了该特性，提出了机箱上既能方便使用低成本塑料光缆接口，又能防止电磁波泄漏的机构设计方法。
波导截面尺寸受限于波导截止频率，而波导截止频率取决于机箱内辐射的最高频率。同时，为实现光缆接头方便插拔，光缆接头必须能穿过波导机构，因此，波导截面尺寸还受限于光缆接头截面尺寸。考虑LC、SC等光缆头自身形状且双通道(全双工)使用，为方便光缆头穿过波导机构，这里选取矩形波导截面设计。据此可确定以下设计算法。
请参阅图2，波导机构截面尺寸设计如下：
其中，f2(Hz)为机箱内辐射的最高频率，fc(Hz)为波导截止频率，A(mm)，B(mm)分别为波导内壁面宽和高，L(mm)为波导长度，E(mm)为波导厚度，a(mm)，b(mm)分别为光缆接头(LC或SC)截面宽和高。
设衰减量为S(dB)，衰减量计算如下：
其中，波导长度L的选取除取决于衰减量外，受限于外部结构空间所预留的尺寸。
S102、波导机构壁厚及材料选型设计
波导是通过空心金属管道完成电磁波传导或截止。针对本发明的截止波导机构壁厚设计，其取决于趋肤深度和结构强度。
趋肤深度δ(mm)计算如下：
其中f1(Hz)为机箱内最低辐射频率，一般选取机箱内晶体振荡器产生的最低频率，σ(S/m)为波导机构电导率，μ(H/m)为波导机构磁导率。
为确保波导机构屏蔽效能，波导机构壁厚E≥50δ，此条件能同时保证波导机构具有一定机械强度，并且截面形状保持不变，满足波导的电气特性。
由于波导机构传输的电磁波频率在300MHz以上，属于微波波段，因此不考虑铁磁性物质。选取电导率较高且具有较好机加强度的金属材料即可。
S103、波导机构法兰面及表面处理设计
波导机构在工作时对机箱内辐射频率起截止衰减作用，在不工作时，应保证光缆插头可拔插、维护。为实现波导机构方便拆装，在波导机构端部还应设计法兰面，并预留安装孔，通过螺钉将波导机构与机箱连接固定并密封。法兰面不能影响波导机构内截面的形状尺寸。
为保证法兰面与导电衬垫的低接触电阻特性，提高电导率，法兰面保证加工精度并作常规导电氧化处理。注意：法兰装配面区域不能涂漆！
另外，根据机电耦合理论可知，波导内壁表面越粗糙会导致波导传输电磁波的损耗增加。而本专利中正好利用波导截止与损耗实现干扰电磁波抑制，故波导机构加工的粗糙度由机械加工方法及材料特性综合决定即可。
波导机构在恶劣环境长期使用中会受到电化学腐蚀作用，降低界面导电性能和屏蔽性能。为尽可能减弱腐蚀效果，同时保证波导机构的高电导率，对波导机构表面做常规导电氧化涂层防护处理。
S2、导电衬垫的选型设计方法
根据电磁兼容理论，当互相接触的金属壁面间(波导机构法兰面和机箱壁)存在微观不平整度，会形成缝隙并导致电磁泄漏。为避免缝隙电磁泄漏，提高机构的屏蔽效果，在波导法兰面与机箱安装面之间加装导电衬垫。根据导电衬垫的体电阻率、压缩量、屏蔽效能、电化学特性等因素综合选型，选型方法如下：
S201、选用体电阻率小于等于0.005Ω·cm的导电衬垫；
S202、根据所需的屏蔽效能，并兼顾考虑螺纹预紧所形成的压缩量，压缩量必须达到导电衬垫所需的最小压缩量，且不能超过最大压缩量，预紧力既要使导电衬垫具有一定形变并表出现优良的电导率，又不能使导电衬垫发生永久变形和断裂；
S203、电化学兼容特性方面，所选取导电衬垫的电化学电位与金属配接面的电化学电位差值小于等于100mV；
S204、成本因素考虑。
S3、机箱壁配接面的设计方法
为保证波导机构与导电衬垫的可拆装性，在机箱壁光纤插座位置应开与波导机构内截面形状相同的通孔，以实现波导机构与机箱壁之间可拆卸，实现光缆接头插拔操作。机箱壁与波导机构法兰面的相应位置设计螺纹孔，孔径、孔深参考螺钉选取。
机箱安装面表面粗糙度设计要求为3.2～6.3，并进行常规导电氧化处理。机箱壁配接面不能涂漆。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
S101、某电子机箱通过LC接口实现全双工光通讯，在机箱配接面1和波导机构3之间设置导电衬垫2，然后用紧固螺钉4进行固定连接，如图3所示，要求机箱内3GHz以下对外辐射信号至少衰减15dB，以降低对外界的电磁辐射干扰。据此设计波导机构。
经查阅，光纤LC接头尺寸a＝6.8mm，b＝9.5mm，最高干扰频率f2＝3GHz，则：
经计算，取A＝13.7mm，B＝9.6mm，此时C＝16.7mm。根据衰减量公式选取波导长度L＝20mm，此时衰减量S＝17.5dB＞15dB；
S102、选取铝合金作为波导机构加工材料,机箱内晶体振荡器最小频率f1＝16MHz。根据上述公式计算得E≥50δ＝1.07mm。具体厚度选取还应结合相应的机械加工工艺水平可适当增加；
S103、波导机构在工作时对机箱内辐射频率起截止衰减作用，在不工作时，应保证光缆插头可拔插、维护。在波导机构端部设计法兰面，并预留安装孔，通过螺钉将波导机构与机箱连接固定并密封。
另外，法兰面保证加工精度并作常规导电氧化处理。利用波导截止与损耗实现干扰电磁波抑制，波导机构加工的粗糙度由机械加工方法及材料特性综合决定。波导机构在恶劣环境长期使用中会受到电化学腐蚀作用，降低界面导电性能和屏蔽性能；对波导机构表面做常规导电氧化涂层防护处理。
S2、选用硅橡胶中填充Ag/Cu颗粒的复合材料做导电衬垫。其满足体电阻率、压缩量及电化学电位等相应要求。由于本例中波导法兰面的截面形状为中空矩形，故导电衬垫截面选用中空矩形为最佳匹配截面。导电衬垫在波导法兰面与机箱安装面之间安装。拧紧螺钉后，衬垫表面的压缩量达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，达到电磁密封的效果。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，以机箱内辐射的最高频率作为截止频率，根据波导理论设计波导几何尺寸，同时对选用材料及表面粗糙度控制；然后根据材料的体电阻率、压缩量、屏蔽效能及电化学特性参数选用导电衬垫；最后根据波导的法兰结构，在机箱壁配接面设计安装孔位及控制配接面的表面粗糙度，完成防电磁泄漏机构设计。
2.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，选取矩形波导截面设计，使全双工光缆接头能穿过波导机构，衰减量S计算如下：
其中，L为波导长度，并受限于外部结构预留尺寸，C为波导内壁对角线长度。
3.根据权利要求2所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，波导机构截面尺寸设计如下：
其中，f2为机箱内辐射的最高频率，fc为波导截止频率，A，B分别为波导内壁面宽和高，a，b分别为光缆接头截面的宽和高。
4.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，根据趋肤深度δ和结构强度设计波导机构壁厚，波导机构壁厚E≥50δ。
5.根据权利要求4所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，趋肤深度δ计算如下：
其中，f1为机箱内最低辐射频率，σ为波导机构电导率，μ为波导机构磁导率。
6.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，波导机构端部还应设计法兰面，并预留安装孔，通过螺钉将波导机构与机箱连接固定并密封，法兰面保证加工精度并作常规导电氧化处理；法兰装配面区域不涂漆。
7.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，导电衬垫的选型设计的条件如下：
导电衬垫的体电阻率应小于等于0.005Ω·cm；屏蔽效能和螺纹预紧形成的压缩量大于等于导电衬垫的最小压缩量，小于导电衬垫的最大压缩量；
导电衬垫的电化学电位与金属配接面的电化学电位差值小于等于100mV。
8.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，机箱壁光纤插座位置开有与波导机构内截面形状相同的通孔，能够实现波导机构与机箱壁之间可拆卸；机箱壁与波导机构法兰面的相应位置开有与螺钉对应的螺纹孔。
9.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，配接面的表面粗糙度为3.2～6.3，并进行常规导电氧化处理。
10.根据权利要求1所述的机箱光缆接口用防电磁泄漏机构设计方法，其特征在于，机箱壁配接面不涂漆。
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