電磁屏蔽技術(shù)
日期：2025-04-02 15:15
瀏覽次數(shù)：8853
摘要：電磁屏蔽技術(shù)
來源:電磁屏蔽技術(shù)作者:ractron
電磁屏蔽技術(shù)
1. 電磁屏蔽的目的
電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時(shí)，會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會(huì)感應(yīng)到電路中，對(duì)電路造成干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。在解決電磁干擾問題的諸多手段中，電磁屏蔽是*基本和有效的。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的*大好處是不會(huì)影響電路的正常工作，因此不需要對(duì)電路做任何修改。
2. 區(qū)分不同的電...
電磁屏蔽技術(shù)
|
電磁屏蔽技術(shù) 1. 電磁屏蔽的目的 電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時(shí)，會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會(huì)感應(yīng)到電路中，對(duì)電路造成干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。在解決電磁干擾問題的諸多手段中，電磁屏蔽是*基本和有效的。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的*大好處是不會(huì)影響電路的正常工作，因此不需要對(duì)電路做任何修改。 2. 區(qū)分不同的電磁波 同一個(gè)屏蔽體對(duì)于不同性質(zhì)的電磁波，其屏蔽性能不同。因此，在考慮電磁屏蔽性能時(shí)，要對(duì)電磁波的種類有基本認(rèn)識(shí)。電磁波有很多分類的方法，但是在設(shè)計(jì)屏蔽時(shí)，將電磁波按照其波阻抗分為電場(chǎng)波、磁場(chǎng)波、和平面波。 電磁波的波阻抗ZW 定義為：電磁波中的電場(chǎng)分量E與磁場(chǎng)分量H的比值: ZW = E / H 電磁波的波阻抗電磁波的輻射源性質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離以及電磁波所處的傳播介質(zhì)有關(guān)。 距離輻射源較近時(shí)，波阻抗取決于輻射源特性。若輻射源為大電流、低電壓（輻射源的阻抗較低），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377，稱為磁場(chǎng)波。若輻射源為高電壓、小電流（輻射源的阻抗較高），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗大于377，稱為電場(chǎng)波。 距離輻射源較遠(yuǎn)時(shí)，波阻抗僅與電場(chǎng)波傳播介質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗，空氣為377Ω。 電場(chǎng)波的波阻抗隨著傳播距離的增加降低，磁場(chǎng)波的波阻抗隨著傳播距離的增加升高。 注意:近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界面隨頻率不同而不同，不是一個(gè)定數(shù)，這在分析問題時(shí)要注意。例如，在考慮機(jī)箱屏蔽時(shí)，機(jī)箱相對(duì)于線路板上的高速時(shí)鐘信號(hào)而言，可能處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，而對(duì)于開關(guān)電源較低的工作頻率而言，可能處于近場(chǎng)區(qū)。在近場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)屏蔽時(shí)，要分別電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽。 3. 度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能 屏蔽體的有效性用屏蔽效能（SE）來度量。屏蔽效能的定義如下： SE=20lg(E1/E2) (dB) 式中：E1 =沒有屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng) E2 =有屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng) 如果屏蔽效能計(jì)算中使用的是磁場(chǎng)強(qiáng)度，則稱為磁場(chǎng)屏蔽效能，如果屏蔽效能計(jì)算中使用的是電場(chǎng)強(qiáng)度，則稱為電場(chǎng)屏蔽效能。屏蔽效能的單位是分貝(dB)，下表是衰減量與分貝的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 屏蔽前 屏蔽后 衰減量 屏蔽效能 一般民用產(chǎn)品機(jī)箱的屏蔽效能在40dB以下，**設(shè)備機(jī)箱的屏蔽效能一般要達(dá)到60dB，TEMPEST設(shè)備的屏蔽機(jī)箱屏蔽效能要達(dá)到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達(dá)到100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的，成本也很高。 4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算 電磁波在穿過屏蔽體是發(fā)生衰減是因?yàn)槟芰坑辛藫p耗，這種損耗可以分成兩個(gè)部分：反射損耗和吸收損耗。 反射損耗：當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射，使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現(xiàn)象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗，用字母R表示。當(dāng)電磁波穿過一層屏蔽體時(shí)要經(jīng)過兩個(gè)界面，要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時(shí)的反射損耗等于兩個(gè)界面上的反射損耗總和。反射損耗的計(jì)算公式如下： R=20lg(ZW/ZS) (dB) 式中: ZW= 入射電磁波的波阻抗 ，ZS=屏蔽材料的特性阻抗 |ZS|=3.68×10-7（fμrσr）1/2式中: f= 入射電磁波的頻率 ，μr=相對(duì)磁導(dǎo)率，σr=相對(duì)電導(dǎo)率 吸收損耗：電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)，會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電磁能量損失，損失的這部分能量成為屏蔽材料的吸收損耗，用字母A表示，計(jì)算公式如下： A=3.34t（fμrσr）1/2 (dB) 多次反射修正因子:電磁波在屏蔽體的**個(gè)界面（穿出屏蔽體的界面）發(fā)生反射后，會(huì)再次傳輸?shù)?*個(gè)界面，在**個(gè)界面發(fā)射再次反射，而再次到達(dá)**個(gè)界面，在這個(gè)界面會(huì)有一部分能量穿透界面，泄漏到空間。這部分是額外泄漏的。應(yīng)該考慮進(jìn)屏蔽效能的計(jì)算。這就是多次反射修正因子，用字母B表示，大部分場(chǎng)合，B都可以忽略。 SE = R + A + B 5 影響屏蔽材料的屏蔽效能的因素 從上面給出的屏蔽效能計(jì)算公式可以得出一些對(duì)工程有實(shí)際指導(dǎo)意義的結(jié)論，根據(jù)這些結(jié)論，我們可以決定使用什么屏蔽材料，注意什么問題。下面給出的結(jié)論，出步一看，會(huì)感到雜亂無章，無從應(yīng)用，但是結(jié)合上面第3和第4條仔細(xì)分析后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些結(jié)論都有著內(nèi)在聯(lián)系。深入理解下面的結(jié)論對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的。 1）材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高，但實(shí)際的金屬材料不可能兼顧這兩個(gè)方面，例如銅的導(dǎo)電性很好，但是導(dǎo)磁性很差；鐵的導(dǎo)磁性很好，但是導(dǎo)電性較差。應(yīng)該使用什么材料，根據(jù)具體屏蔽主要依賴反射損耗、還是吸收損耗來決定是側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性； 2）頻率較低的時(shí)候，吸收損耗很小，反射損耗是屏蔽效能的主要機(jī)理，要盡量提高反射損耗； 3）反射損耗與輻射源的特性有關(guān)，對(duì)于電場(chǎng)輻射源，反射損耗很大；對(duì)于磁場(chǎng)輻射源，反射損耗很小。因此，對(duì)于磁場(chǎng)輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗，應(yīng)該選用磁導(dǎo)率較高的材料做屏蔽材料。 4）反射損耗與屏蔽體到輻射源的距離有關(guān)，對(duì)于電場(chǎng)輻射源，距離越近，則反射損耗越大；對(duì)于磁場(chǎng)輻射源，距離越近，則反射損耗越小；正確判斷輻射源的性質(zhì)，決定它應(yīng)該靠近屏蔽體，還是原理屏蔽體，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。 5）頻率較高時(shí)，吸收損耗是主要的屏蔽機(jī)理，這時(shí)與輻射源是電場(chǎng)輻射源還是磁場(chǎng)輻射源關(guān)系不大。 6）電場(chǎng)波是*容易屏蔽的，平面波其次，磁場(chǎng)波是*難屏蔽的。尤其是（1KHz以下）低頻磁場(chǎng)，很難屏蔽。對(duì)于低頻磁場(chǎng)，要采用高導(dǎo)磁性材料，甚至采用高導(dǎo)電性材料和高導(dǎo)磁性材料復(fù)合起來的材料。 6. 實(shí)用屏蔽體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 一般除了低頻磁場(chǎng)外，大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實(shí)際工作中，要達(dá)到80dB以上的屏蔽效能也是十分困難的。這是因?yàn)椋帘误w的屏蔽效能不僅取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽體要滿足電磁屏蔽的基本原則。電磁屏蔽的基本原則有兩個(gè)： 1）屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性：這指的是整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。這一點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)起來十分困難。因?yàn)橐粋€(gè)完全封閉的屏蔽體是沒有任何使用價(jià)值的。一個(gè)實(shí)用的機(jī)箱上會(huì)有很多孔縫造成屏蔽：通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分的結(jié)合縫隙等。由于這些導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素存在，如果設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮如何處理，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。 2）不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體：一個(gè)屏蔽效能再高的屏蔽機(jī)箱，一旦有導(dǎo)線直接穿過屏蔽機(jī)箱，其屏蔽效能會(huì)損失99.9%（60dB）以上。但是，實(shí)際機(jī)箱上總會(huì)有電纜穿出（入），至少會(huì)有一條電源電纜存在，如果沒有對(duì)這些電纜進(jìn)行妥善的處理（屏蔽或?yàn)V波），這些電纜會(huì)極大的損壞屏蔽體。妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。（穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時(shí)比孔縫的危害更大） 電磁屏蔽體與接地?zé)o關(guān)：對(duì)于靜電場(chǎng)屏蔽，屏蔽體是必須接地的。但是對(duì)于電磁屏蔽，屏蔽體的屏蔽效能卻與屏蔽體接地與否無關(guān)，這是設(shè)計(jì)人員必須明確的。在很多場(chǎng)合，將屏蔽體接地確實(shí)改變了電磁狀態(tài)，但這是由于其它一些原因，而不是由于接地導(dǎo)致屏蔽體的屏蔽效能發(fā)生改變。 7. 孔洞電磁泄漏的估算 如前所述，屏蔽體上的孔洞是造成屏蔽體泄漏的主要因素之一孔洞產(chǎn)生的電磁泄漏并不是一個(gè)固定的數(shù)，而是與電磁波的頻率、種類、輻射源與孔洞的距離等因素有關(guān)孔洞對(duì)電磁波的衰減可以用下面公式進(jìn)行計(jì)算這里假設(shè)孔洞深度為0 在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H)) 若L≥λ/2，則SE=0 dB ，這時(shí)，孔洞是完全泄漏的 式中： L=縫隙的長(zhǎng)度（mm），H=縫隙的寬度（mm），f=入射電磁波的頻率（MHz） 這個(gè)公式是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中，*壞的情況下（造成*大泄漏的極化方向）的屏蔽效能（實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì)更大一些） 在近場(chǎng)區(qū)： 若輻射源是電場(chǎng)輻射源 SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H)) 若輻射源是磁場(chǎng)輻射源 SE=20lg（πD/L）+20lg(1+2.3lg(L/H)) 式中：ZC=輻射源電路的阻抗（Ω），D=孔洞到輻射源的距離（m）， L、H=孔洞的長(zhǎng)、寬（mm），f=電磁波的頻率（MHz） 注意： 1)近場(chǎng)區(qū),孔洞的泄漏與輻射源的特性有關(guān)當(dāng)輻射源是電場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場(chǎng)小（屏蔽效能高），當(dāng)輻射源是磁場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場(chǎng)大（屏蔽效能低） 2）對(duì)于近場(chǎng)，磁場(chǎng)輻射源的場(chǎng)合，屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關(guān)系，因此，千萬不要認(rèn)為輻射源的頻率較低（許多磁場(chǎng)輻射源的頻率都較低），而掉以輕心 3）這里對(duì)磁場(chǎng)輻射源的假設(shè)是純磁場(chǎng)源，因此可以認(rèn)為是一種在*壞條件下，對(duì)屏蔽效能的保守計(jì)算 對(duì)于磁場(chǎng)源，屏蔽與孔洞到輻射源的距離有關(guān)，距離越近，則泄漏越大這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，磁場(chǎng)輻射源一定要遠(yuǎn)離孔洞 多個(gè)孔洞的情況：當(dāng)N個(gè)尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距離小于1/2）時(shí)，造成的屏蔽效能下降為10lgN在不同面上的孔洞不會(huì)增加泄漏，因?yàn)槠漭椛浞较虿煌@個(gè)特點(diǎn)可以在設(shè)計(jì)中用來避免某一個(gè)面的輻射過強(qiáng) 8. 縫隙電磁泄漏的措施 一般情況下，屏蔽機(jī)箱上的不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸，只能在某些點(diǎn)接觸上，這構(gòu)成了一個(gè)孔洞陣列。縫隙是造成屏蔽機(jī)箱屏蔽效能降級(jí)的主要原因之一。在實(shí)際工程中，常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能。縫隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高。 縫隙處的阻抗： 縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效，因?yàn)榻佑|上的點(diǎn)相當(dāng)一個(gè)電阻，沒有接觸的點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)電容，整個(gè)縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)。低頻時(shí)，電阻分量起主要作用；高頻時(shí)，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能優(yōu)勢(shì)隨著頻率的升高而增加。但是，如果縫隙的尺寸較大，高頻泄漏也是縫隙泄漏的主要現(xiàn)象。 影響電阻成分的因素： 影響縫隙上電阻成分的因素主要有：接觸面積（接觸點(diǎn)數(shù)）、接觸面材料（一般較軟的材料接觸電阻較小）、接觸面的清潔程度、接觸面的壓力（壓力要足以使接觸點(diǎn)穿透金屬表層氧化層）、氧化腐蝕等。 影響電容成分的因素： 根據(jù)電容器原理，很容易知道：兩個(gè)表面之間距離越近，相對(duì)的面積越大，則電容越大。 解決縫隙泄漏的措施： 1） 接觸面的重合面積，這可以減小電阻、增加電容。 2） 使用盡量多的緊固螺釘，這也可以減小電阻、增加電容。 3） 保持接觸面清潔，減小接觸電阻。 4） 保持接觸面較好的平整度，這可以減小電阻、增加電容。 5） 使用電磁密封襯墊，消除縫隙上不接觸點(diǎn)。 9. 電磁密封襯墊的原理 電磁密封襯墊是一種表面導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。將電磁密封襯墊安裝在兩塊金屬的結(jié)合處，可以將縫隙填充滿，從而消除導(dǎo)電不連續(xù)點(diǎn)。 使用了電磁密封襯墊后，縫隙中就沒有較大的孔洞了，從而可以減小高頻電磁波的泄漏。使用電磁密封襯墊的好處如下： 1）降低對(duì)加工的要求，允許接觸面的平整度較低。 2）減少結(jié)合處的緊固螺釘，增加美觀性和可維修性。 3）縫隙處不會(huì)產(chǎn)生高頻泄漏。 雖然在許多場(chǎng)合電磁密封襯墊都能夠極大地改善縫隙泄漏，但是如果兩塊金屬之間的接觸面是機(jī)械加工（例如，銑床加工），并且緊固螺釘?shù)拈g距小于3厘米，則使用電磁密封后屏蔽效能不會(huì)有所改善，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的接觸阻抗已經(jīng)很低了。 從電磁密封襯墊的工作原理可以知道，使用了電磁密封襯墊的縫隙的電磁泄漏主要由襯墊材料的導(dǎo)電性和接觸表面的接觸電阻決定。因此，使用電磁密封襯墊的關(guān)鍵是： 1）選用導(dǎo)電性好的襯墊材料。 2）保持接觸面的清潔 3）對(duì)襯墊施加足夠的壓力（以保證足夠小的接觸電阻）。 4）襯墊的厚度要足以填充*大的縫隙 電磁密封襯墊的靈活運(yùn)用 除非對(duì)屏蔽的要求非常高的場(chǎng)合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實(shí)踐中，可以根據(jù)屏蔽效能的要求間隔的安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的公式計(jì)算。在樣機(jī)上精心地調(diào)整襯墊間隔，使既能滿足屏蔽的要求，又使成本*低。對(duì)于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為λ/20~λ/100之間。**產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。電磁屏蔽技術(shù)電磁屏蔽技術(shù)電磁屏蔽技術(shù)電磁屏蔽技術(shù) |