電磁屏蔽技術(shù)(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電磁干擾的屏蔽方法上網(wǎng)時間：2000年11月26日 EMC問題常常是制約中國電子產(chǎn)品出口的一個原因，本文主要論述EMI的來源及一些非常具體的抑制方法。 ······電磁兼容性(EMC)是指“一種器件、設(shè)備或系統(tǒng)的性能，它可以使其在自身環(huán)境下正常工作并且同時不會對此環(huán)境中任何其它設(shè)備產(chǎn)生強烈電磁干擾(IEEE C63.12-1987)?！睂τ跓o線收發(fā)設(shè)備來說，采用非連續(xù)頻譜可部份實現(xiàn)EMC性能，但是很多有關(guān)的例子也表明EMC并不總是能夠做到。例如在筆記本計算機和測試設(shè)備之間、打印機和臺式計算機之間以及行動電話和

2、醫(yī)療儀器之間等都具有高頻干擾，我們把這種干擾稱為電磁干擾(EMI)。 EMC問題來源 所有電器和電子設(shè)備工作時都會有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時變化速率還相當(dāng)快，這樣會導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。 EMI有兩條途徑離開或進入一個電路：輻射和傳導(dǎo)。信號輻射是藉由外殼的縫、槽、開孔或其它缺口泄漏出去；而信號傳導(dǎo)則藉由耦合到電源、信號和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾。 很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式來實現(xiàn)，大多數(shù)時候下面這些簡單原則可以有助于實現(xiàn)EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；藉由屏蔽、過濾或接地將

3、干擾產(chǎn)生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等。EMI抑制性、隔離性和低敏感性應(yīng)該作為所有電路設(shè)計人員的目標(biāo)，這些性能在設(shè)計階段的早期就應(yīng)完成。 對設(shè)計工程師而言，采用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法。如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)。無論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料，一旦設(shè)計人員確定作為外殼材料之后，就可著手開始選擇襯墊。 金屬屏蔽效率 可用屏蔽效率(SE)對屏蔽罩的適用性進行評估，其單位是分貝，計算公式為 SEdB=A+R+B 其中 A：吸收損耗(dB) R：反射損耗(dB) B：校正因子(dB)(適用

4、于薄屏蔽罩內(nèi)存在多個反射的情況) 一個簡單的屏蔽罩會使所產(chǎn)生的電磁場強度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場合可能會要求將場強降至為最初的十萬分之一，即SE要等于100dB。 吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數(shù)量，吸收損耗計算式為 AdB=1.314(f××)1/2×t 其中 f：頻率(MHz) ：銅的導(dǎo)磁率 ：銅的導(dǎo)電率 t：屏蔽罩厚度 反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產(chǎn)生源的性質(zhì)以及與波源的距離。對于桿狀或直線形發(fā)射天線而言，離波源越近波阻越高，然后隨著與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無變化(恒為377)。 相反，如果波源是一個小型線

5、圈，則此時將以磁場為主，離波源越近波阻越低。波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當(dāng)距離超過波長的六分之一時，波阻不再變化，恒定在377處。 反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化，因此它不僅取決于波的類型，而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用于小型帶屏蔽的設(shè)備。 近場反射損耗可按下式計算 R(電)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-10×lg(/) R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+10×lg(/) 其中 r：波源與屏蔽之間的距離。 SE算式最后一項是校正因子B，其計算公式為 B

6、=20lg-exp(-2t/) 此式僅適用于近磁場環(huán)境并且吸收損耗小于10dB的情況。由于屏蔽物吸收效率不高，其內(nèi)部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個負數(shù)，表示屏蔽效率的下降情況。 EMI抑制策略 只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導(dǎo)磁率會隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強也會使導(dǎo)磁率降低，還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會降低導(dǎo)磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，通常要向EMI屏蔽材料供貨商以及有關(guān)咨詢機構(gòu)尋求解決方案。 在高頻電場下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達到良好的屏蔽效果，但條件是

7、屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部份完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個部份進行制作，因此就會有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便黏著與附加卡或裝配組件的聯(lián)機。 設(shè)計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產(chǎn)生孔隙，而且設(shè)備運行過程中還會需要用到這些孔隙。制造、面板聯(lián)機、通風(fēng)口、外部監(jiān)測窗口以及面板黏著組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設(shè)計中對與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。 任一頻率電磁波的波長為: 波長()=光速(C)/頻率(Hz) 當(dāng)

8、縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發(fā)射頻率越高衰減越嚴重，因為它的波長越短。當(dāng)涉及到最高頻率時，必須要考慮可能會出現(xiàn)的任何諧波，不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。 一旦知道了屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強度，就可計算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽。例如如果需要對1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會開始產(chǎn)生衰減，因此當(dāng)存在小于150mm的縫隙時，1GHz輻射就會被衰減。所以對1GHz頻率來講，若需要衰減20dB，則縫隙應(yīng)小于15 mm(150mm的1/10)，

9、需要衰減26dB時，縫隙應(yīng)小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰減32dB時，縫隙應(yīng)小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。 可采用合適的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實現(xiàn)這種衰減效果。 屏蔽設(shè)計難點 由于接縫會導(dǎo)致屏蔽罩導(dǎo)通率下降，因此屏蔽效率也會降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比，例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導(dǎo)特性；另一種實現(xiàn)較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物，如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計基礎(chǔ)。 多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如

10、薄金屬片上的通風(fēng)孔等等，當(dāng)各孔間距較近時設(shè)計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式 SE=20lg (fc/o/)-10lg n 其中 fc/o：截止頻率 n：孔洞數(shù)目 注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況，也可用于計算金屬編織網(wǎng)的相關(guān)屏蔽效率。 接縫和接點：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行永久性固定的常用方式，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導(dǎo)電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進行固定，因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長久保持。 導(dǎo)電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙，使RF輻射不會散發(fā)出去。EMI襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì)，用于填補屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供連

11、續(xù)低阻抗接點。通常EMI襯墊可在兩個導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接，使一個導(dǎo)體上的電流傳至另一導(dǎo)體。 封孔EMI襯墊的選用可參照以下性能參數(shù)： 特定頻率范圍的屏蔽效率 黏著方法和密封強度 與外罩電流兼容性以及對外部環(huán)境的抗腐蝕能力。 工作溫度范圍 成本 大多數(shù)商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設(shè)備滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵是在屏蔽罩內(nèi)正確地對墊片進行設(shè)計。 墊片系統(tǒng)：一個需要考慮的重要因素是壓縮，壓縮能在襯墊和墊片之間產(chǎn)生較高導(dǎo)電率。襯墊和墊片之間導(dǎo)電性太差會降低屏蔽效率，另外接合處如果少了一塊則會出現(xiàn)細縫而形成槽狀天線，其輻射波長比縫隙長度小約4倍。 確保導(dǎo)通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并藉由必要處理

12、以具有良好導(dǎo)電性，這些表面在接合之前必須先遮??；另外屏蔽襯墊材料對這種墊片具有持續(xù)良好的黏合性也非常重要。導(dǎo)電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規(guī)則情況。 所有襯墊都有一個有效工作最小接觸電阻，設(shè)計人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻，當(dāng)然這將增加密封強度，會使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數(shù)襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內(nèi)，兩個相向凹點之間的壓力應(yīng)足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導(dǎo)電性。 另一方面，對襯墊的壓力不應(yīng)大到使襯墊處于非正常壓縮狀態(tài)，因為此時會導(dǎo)致襯墊接觸失效，并可能產(chǎn)生電磁泄漏。與墊片分離的要求對于將襯墊壓縮控制在制造商建

13、議范圍非常重要，這種設(shè)計需要確保墊片具有足夠的硬度，以免在墊片緊固件之間產(chǎn)生較大彎曲。在某些情況下，可能需要另外一些緊固件以防止外殼結(jié)構(gòu)彎曲。 壓縮性也是轉(zhuǎn)動接合處的一個重要特性，如在門或插板等位置。若襯墊易于壓縮，那么屏蔽性能會隨著門的每次轉(zhuǎn)動而下降，此時襯墊需要更高的壓縮力才能達到與新襯墊相同的屏蔽性能。在大多數(shù)情況下這不太可能做得到，因此需要一個長期EMI解決方案。 如果屏蔽罩或墊片由涂有導(dǎo)電層的塑料制成，則添加一個EMI襯墊不會產(chǎn)生太多問題，但是設(shè)計人員必須考慮很多襯墊在導(dǎo)電表面上都會有磨損，通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著時間成長這種磨損會降低襯墊接合處的屏蔽效率，并給后面的制造

14、商帶來麻煩。 如果屏蔽罩或墊片結(jié)構(gòu)是金屬的，那么在噴涂拋光材料之前可加一個襯墊把墊片表面包住，只需用導(dǎo)電膜和卷帶即可。若在接合墊片的兩邊都使用卷帶，則可用機械固件對EMI襯墊進行緊固，例如帶有塑料鉚釘或壓敏黏結(jié)劑(PSA)的“C型”襯墊。襯墊黏著在墊片的一邊，以完成對EMI的屏蔽。 襯墊及附件 目前可用的屏蔽和襯墊產(chǎn)品非常多，包括鈹-銅接頭、金屬網(wǎng)線(帶彈性內(nèi)芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導(dǎo)電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數(shù)屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達到的SE估計值，但要記住SE是個相對數(shù)值，還取決于孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀，可用于

15、各種特定應(yīng)用，包括有磨損、滑動以及帶鉸鏈的場合。目前許多襯墊帶有黏膠或在襯墊上面就有固定裝置，如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。 各類襯墊中，涂層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產(chǎn)品之一。這類襯墊可做成多種形狀，厚度大于0.5mm，也可減少厚度以滿足UL燃燒及環(huán)境密封標(biāo)準(zhǔn)。還有另一種新型襯墊即環(huán)境/EMI混合襯墊，有了它就可以無需再使用單獨的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復(fù)雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩(wěn)定，可防潮、防風(fēng)、防清洗溶劑，內(nèi)部涂層則進行金屬化處理并具有較高導(dǎo)電性。最近的另外一項革新是在EMI襯墊上裝了一個塑料夾，同傳統(tǒng)壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時間短，而且成本更低

16、，因此更具市場吸引力。 結(jié)論 設(shè)備一般都需要進行屏蔽，這是因為結(jié)構(gòu)本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可藉由一些基本原則確定，但是理論與現(xiàn)實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度，如同在一個設(shè)備中使用了多個處理器時的情形。表面處理及墊片設(shè)計是保持長期屏蔽以實現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。 電磁波吸收材料系利用軟磁鐵氧體在高頻下?lián)p耗增大的現(xiàn)象來達到吸收電磁波的目的。在工程上的實際應(yīng)用中，除要求材料在很寬（從RF到微波）的頻率范圍內(nèi)有高的電磁波能量吸收率外，尚要求材料機械強度好、涂層薄、重量輕、耐溫耐濕、抗輻射和抗腐蝕。目前實用的材料有NiZn鐵氧體和六角晶系鐵氧體等。在工

17、程應(yīng)用上，為提高對電磁波的吸收率和擴展吸收頻率范圍，多制成摻有金屬短纖維和有機高分子材料的復(fù)合物。此外，為克服早期吸收材料寄生于雷達目標(biāo)表面從而增加了重量之不足，近來國外還研制出一種用吸收材料與工程塑料復(fù)合而成的新型結(jié)構(gòu)型載荷體吸收材料，可用于飛機發(fā)動機的整流罩，已在美國F111戰(zhàn)斗機上運行數(shù)萬小時。北美羅克未爾公司也為噴氣發(fā)動機進氣口研制成一種復(fù)雜的蜂窩式結(jié)構(gòu)型吸收體，有很高的吸收率及機械強度。吸收材料的形狀尖劈形。微波暗室采用的吸收體常做成尖劈形，它是在泡沫塑料中摻入碳精粉然后再在外面包上一層高強度型泡沫塑料做保護層，這樣吸收體即使受到外界碰撞也不致?lián)p壞。但頻率降低（波長增長），吸收體長度

18、也大為增加，普通尖劈形吸收體有近似關(guān)系式L1，所以在100MHz時，尖劈長度達3cm；在60MHz時，尖劈長度達5cm，這不但工藝上難以實現(xiàn)，而且微波暗室有效可用空間也大為減少。單層平板形。國外最早研制成的吸收體就是單層平板形，后來制成的吸收體都是直接貼在金屬屏蔽層上，其厚度薄、重量輕，但工作頻率范圍較窄。雙層或多層平板形。該種吸收體可在很寬的工作頻率范圍內(nèi)工作，且可做成任意形狀。如日本NEC公司將鐵氧體和金屬短纖維均勻分散在合適的有機高分子樹脂中做成的復(fù)合材料，工作頻帶可寬達4050左右。其缺點是厚度大、工藝復(fù)雜、成本較高。涂層形。在飛行器表面只能用涂層形吸收材料，為展寬頻率帶，一般都采用復(fù)

19、合材料的涂層。如鋰鎘鐵氧體涂層厚2.55m m時，在厘米波段可衰減8.5dB；尖晶石鐵氧體涂層厚2.5m m時，在9GHz可衰減24dB；鐵氧體加氯丁橡膠涂層厚1.72.5m m時，在510GHz衰減達30dB左右。結(jié)構(gòu)形。將吸收材料摻入工程塑料使其既具有吸收特性，又具有載荷能力，這是吸收材料發(fā)展的一個方向。近年來，為進一步提高吸收材料的性能，國外還發(fā)展了由幾種形狀組合的復(fù)雜形吸收體。如日本采用該類吸收體做成的微波暗室，其性能為：136MHz，25dB；300MHz，30dB；500MHz，40dB；140GHz，45dB。吸收材料的工程應(yīng)用在日益重要的隱身和電磁兼容（EMC）技術(shù)中，電磁波吸收材料的作用和地位十分突出，已成為現(xiàn)代軍事中電子對抗的法寶和“秘密武器”。其工程應(yīng)用主要有：隱身技術(shù)。在飛機、導(dǎo)彈、坦克、艦艇、倉庫等各種裝備和軍事設(shè)施上面涂敷吸收材料，就可以吸收掉偵察電波、衰減反射信號，從而突破敵方雷達的防區(qū)，這是反雷達偵察的一種有力手段，減少武器系統(tǒng)遭受紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和激光武器襲擊的一種方法。此外，電磁波吸收材料還可用來隱蔽著落燈等機場導(dǎo)航設(shè)備及其它地面設(shè)備、艦船桅桿、