EMC電磁屏蔽材料設計者指南

1、電磁屏蔽材料設計者指南連載（一）、設計的緊迫性本章講解設計的緊迫性，為本書重點介紹實際技術提供背景。首先簡單介紹符合性測試的要求，然后介紹相關的法規(guī)和標準。最后復習一下電磁屏蔽的理論，以為讀者提供足夠的知識來選擇適當?shù)钠帘渭夹g。什么是電磁兼容性？電磁兼容是一臺設備在所處的環(huán)境中能滿意地工作的能力，它既不對其它設備造成干擾，也不受其它干擾源的影響。干擾的定義是能引起誤動作或性能下降的電磁能量，今后我們稱為。任何一個電磁能量會產生擴散的球面波，這種波在所有方向上傳播。在任何一點，這種波包含相互垂直的電場分量和磁場分量，這兩種分量都垂直于波的傳播方向。這種情況如圖所示。雖然如圖所示的頻譜中的任何頻率

2、的都能引起干擾，但主要問題是由zz范圍內的射頻能量引起的。射頻干擾（）是電磁干擾的一種特殊形式，光、熱和射線是電磁能量的其它特殊形式。圖1-1電磁場圖1-2電磁譜電磁干擾需要兩個基本條件：電磁能量源和對這個源產生的特定幅度、頻率的能量敏感的器件，稱為敏感器。表給出了一些常見的源和敏感器。另外，在源和敏感器之間還需要傳播路徑來傳輸能量。電磁干擾屏蔽通常改變電磁能量傳播路徑來達到的。表1.1電磁干擾源和敏感器電磁干擾分為兩類：輻射干擾和傳導干擾，這是由傳播路徑的類型來定的。當一個器件發(fā)射的能量，通常是射頻能量，通過空間到達敏感器時，稱為輻射干擾。干擾源既可以是受干擾系統(tǒng)中的一部分，也可以是完全電氣

3、隔離的單元。傳導干擾的產生是因為源與敏感器之間有電磁線或信號電纜連接，干擾沿著電纜從一個單元傳到另一個單元。傳導干擾經(jīng)常會影響設備的電源，這可以通過濾波器來控制。輻射干擾能影響設備中的任何信號路徑，其屏蔽有較大難度。輻射電磁能量成為電磁干擾的機理可以由法拉第定律來解釋。這個定律表明當一個變化的電場作用于一個導體時，在這個導體上會感應出電流。這個電流與工作電流無關，但是電路會象與工作電流一樣來接收這個電流并發(fā)生響應。換句話說，隨機的射頻信號能夠向計算機發(fā)出指令，使程序發(fā)生變化。技術驅動力有許多因素使成為電子設備設計中重要的內容。首先，日益增多的電子設備帶來了許多電磁干擾源和敏感器，這增加了潛在的

4、干擾。設備的小型化使源與敏感器靠得很近。這使傳播路徑縮短，增加了干擾的機會。器件的小型化增加了它們對干擾的敏感度。由于設備越來越小并且便于攜帶，象汽車電話、膝上計算機等設備隨處可用，而不一定局限于辦公室那樣的受控環(huán)境。這也帶來了兼容性問題。例如，許多汽車裝有包括防抱死控制系統(tǒng)在內的大量的電子電路，如果汽車電話與這個控制系統(tǒng)不兼容，則會引起誤動作?；ヂ?lián)技術的發(fā)展降低了電磁干擾的閾值。例如，大規(guī)模集成電路芯片較低的供電電壓降低了內部噪聲門限，而它們精細的幾何尺寸的較低的電平下就受到電弧損壞。它們更快的同步操作產生更尖的電流脈沖，這會帶來從端口產生寬帶發(fā)射的問題。一般來說，高速數(shù)字電路比統(tǒng)的模擬電路

5、產生更多的干擾。傳統(tǒng)上，電子線路裝在金屬盒內，這種金屬盒能夠通過切斷電磁能量的傳插路徑來提供屏蔽作用。現(xiàn)在，為了減輕重量、降低成本，越來越多地采用塑料機箱。塑料機箱對與電磁干擾是透明的，因此敏感器件處于無保護的狀態(tài)。法律的變化也是驅動力支一?？刂齐姶虐l(fā)射和敏感度的強制標準的實施，迫使制造商們實施計劃。產品可靠性的法規(guī)將使可靠性成為頭等重要的事項，因為一旦設備由于干擾而產生誤動作造成傷害，制造商要承擔法律責任。這對于醫(yī)療設備特別重要。在競爭日益激烈的工業(yè)中，可靠性已經(jīng)成為電子設備的一個重要市場特征。自動化設備，特別是醫(yī)療設備，必須連續(xù)工作，這時設備內的屏蔽技術提高了設備的可靠性。對于數(shù)據(jù)保密的要

6、求是屏蔽市場發(fā)展的一個重要動力。已有報道揭露美國駐莫斯科使追究中的信息已被前蘇聯(lián)竊取到，這是通過接收使館內設備產生的電磁能量來實現(xiàn)的。同樣的技術也被用來截獲密碼，然后攻擊銀行計算機系統(tǒng)。通過屏蔽，設備的電磁發(fā)射能夠減小，提高系統(tǒng)的安全性。現(xiàn)在，人們越來越開始注意各種輻射對健康的影響。過量的射線和紫外線照射的危險已經(jīng)被充分證明了?，F(xiàn)在討論的焦點是微波和射頻顯示單元產生的輻射對婦女健康的傷害，因為已經(jīng)有充分的證據(jù)說明在高壓線附近生活會患疾病。法規(guī)和標準對于設備工程師，了解不同市場中對電子設備的法規(guī)和標準的知識是十分必要的。現(xiàn)在有許多關于產品輻射和傳導發(fā)射限制的國家標準和國際標準。有些還規(guī)定了對各種

7、干擾的最低敏感度要求。通常，對于不同類型的電子設備有不同的標準。表.給出了一些電子設備的標準。雖然一個產品要獲得市場的成功，滿足這些標準是必要的，但符合這些標準是自愿的。但是，有些國家給出的是規(guī)范，而不是標準，因此要在這些國家銷售產品，符合標準是強制性的。有些規(guī)范不僅規(guī)定了標準，還賦予當局罰沒不符合產品的權力。下面幾節(jié)簡單概述一下一些主要的管理機構的電磁兼容標準。表1.2與電磁干擾和兼容相關的標準標題工業(yè)、科學和醫(yī)療射頻設備射頻干擾特性的測量方法和極限值汽車、機動船和火花塞點火發(fā)動機驅動設備的射頻干擾特性測量方法和極限值聲音和電視接收機的射頻干擾特性的測量方法和極限值家用電器和便攜式工具射頻干

8、擾特性測量方法和極限值熒光燈和照明設備的射頻干擾性測量方法和極限值射頻干擾測量裝置和測量方法的規(guī)范聲音和電視廣播接收機敏感度的測量信息技術設備的射頻干擾特性測量方法和極限值家用電器和類似電氣設備引起的電源干擾工業(yè)過程測量惡化控制設備的電磁兼容性國際是國際電工委員會（）的一個分委會，它成立于年，那時射頻干擾問題開始出現(xiàn)。這是編制防止無線電干擾標準的第一個國際化聯(lián)合組織。沒有編制法律或發(fā)布法規(guī)的機構。它所推薦的標準，只有當個別成員國采取適當?shù)男袆訒r，CISPR13EN55013BS905第一部分BS800CISPR12EN55012S833國際標準CISPR11歐洲標準EN55011英國標準BS4

9、809CISPR14EN55014CISPR15CISPR16CISPR20EN55015EN55016EN55020BS5394BS727BS905第二部分CISPR22IEC555第1-3部分IEC801第1-3部分EN55022BS6527EN60555BS5406BS6667第1-3部分HD481才能成為法律。中推薦的針對信息技術設備的傳導和輻射發(fā)射要求構成了許多主要國家標準的基礎。不幸的是，有些國家在將這些推薦標準作為國家標準時，進行了調整，這造成了不同國家的要求之間的差異。美國聯(lián)邦通信委員會（）是負責頻率管理和干擾控制的政府機構。有覆蓋多種設備發(fā)射限制的規(guī)范。綱要第號，第部分，第分

10、部適用于所有的數(shù)字設備。這些規(guī)范給出了兩個不同的發(fā)射極限值。哪一個極限值適用取決于設備在什么環(huán)境中使用。級設備被設計成在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中使用。更嚴格一引進的級適用于在家庭或居民工內使用的設備。沒有規(guī)定屏蔽效能值，而規(guī)定了射頻發(fā)射值。表.給出了級和級和輻射發(fā)射極限值，表.給出了傳導發(fā)射極限值。所有在美國國內使用的設備必須滿足規(guī)范。雖然的大部分強制性要求在第部分，第部分也與有關。第部分也與有關，第部分中有關于用于工業(yè)、科學和醫(yī)療目的的射頻發(fā)生設備的管理條例。它規(guī)定了在一些頻率點上允許的最大幅射值和z至z頻段內這類設備可以使用的頻段。表1.3FCC輻射干擾極限值頻率范圍，MHz場強（V/m）A級30

11、m30-8888-216216-1000德國德國的關于干擾控制的法規(guī)是基于制定的標準。相關的標準覆蓋了所的產生或處理射頻能量的設備。這些極限值不僅適用于所有種類的計算和數(shù)字設備，還適用于工業(yè)、科學和醫(yī)療設備。唯一的限制是設備產生的基頻高于z。對于數(shù)字設備的要求與規(guī)定的相似，但是頻率范圍更寬，低頻拓寬到z。極限值也分為級和級，更嚴格的級適用于通用的用途。級限于需要特殊安裝的設備。關于輻射和傳導的極限值在表.和表.6中給出。符合是強制性的，并由德國郵電部執(zhí)行。305070B級3m1001502000.45-1.61.6-30表1.4FCC傳導發(fā)射干擾極限值頻率范圍，MHz射頻電壓（V）A級1000

12、3000B級250250表.輻射干擾極限值頻率范圍，MHz場強（V/m）A級100mB級30m0.01-0.153430米0.15-303430米30-4141-6868-174174-230230-470470-760760-1000英國5429.55429.5544559-573410米3410米34343434344646表.6傳導發(fā)射干擾極限值頻率范圍，MHz射頻電壓（V）A級0.01-0.150.15-0.50.5-3091-69.56660B級79-57.55448從表.2中可以看出，英國標準協(xié)會發(fā)布了好幾個關于的標準。應用最多的是關于數(shù)據(jù)處理和電子辦公設備產生的亂真信號的極限值和

13、測量方法。這個標準的范圍和內容與相同，盡管它們的標題不同。覆蓋于.z頻率范圍的級要求適用于商業(yè)和工業(yè)場合的應用，更嚴格的級極限值適用于住宅區(qū)中使用的設備。兩級都包含準峰值和平均測量的要求。兩級的極限值數(shù)值是相同的，嚴格度是通過將測量距離從米減小到米來實現(xiàn)的。表.7給出了推薦的輻射場強極限值。表.8給出傳導發(fā)射的電壓極限值。表.傳導發(fā)射干擾極限表.輻射干擾極限值值頻率范圍，MHz場強（V/m）A級30m30-230230-10003037B級10m3037頻率范圍，MHzA級B級射頻電壓（V）準峰值平均值準峰值平均值0.15-0.50.5-55-30歐洲經(jīng)濟共同體為了在歐共體內實現(xiàn)單一的標準，以

14、適應實行的單一歐洲市場，歐洲委員會推行了歐共指令，它要求成員對所有的電子裝置的電磁兼容性法規(guī)化。法規(guī)必須包含干擾和敏感度兩個方面。這個指令中定義的“裝置”包括所有電氣、電子應用設備以及配套的電氣、電子器件。例外情況是出現(xiàn)在其它包含要求的指令中的裝置。目前，這種例外包括機動車點火系統(tǒng)和某些電度表。另外，不是用于商業(yè)目的的業(yè)余無線電裝置也屬于例外。這個法規(guī)不僅適用于設備的新設計，也適用于指令實施后繼續(xù)生產的已有設計。歐洲委員會已經(jīng)責成，電工標準化歐洲組織，制定歐洲標準（）。成員國必須將這些標準與國家標準等同使用，任何矛盾的標準必須撤除?？梢栽诨驑藴实幕A上應用，但不一定要與它們等同。制造商有兩種方

15、法來證明符合這個指令，即“自認證”和使用“技術構造文件”。使用自認證方法時，制造商通過自己測試或按照適當?shù)倪M行測試，來認證產品是否符合。在這種方法中，沒有明確要求要使用特許的設施。但是，如果日后發(fā)現(xiàn)產品不符合，制造商將承擔法律責任。在關于產品符合性的爭端中，一個由特許測試部門提供的測試報告是十分有分量的。如果沒有相關的，或設備制造商不準備使用它，符合性只有通過編輯技術構造文件來證明。這個文件描述的裝置，列出保證設備與指令一致的措施，并包含一個技術報告或權威部門的認證。在英國，一個權威部門是（國家測量批準服務）批準的實驗室。任何權威部門提供認證在歐共體的所有成員國內都是可行的。軍用設備為軍用設計

16、的電子系統(tǒng)必須滿足的要求，這個標準不僅規(guī)定了最大輻射發(fā)射和傳導發(fā)射的限制，還規(guī)定了系統(tǒng)對輻射和傳導干擾的敏感度要求。配套標準規(guī)定了必要的測試裝置。商業(yè)公司經(jīng)常將79737366606066減到56減到565660464650中的某些部分作為產品內部規(guī)范。另一個關于的軍用標準是保密的計劃，這是用來保證保密通信系統(tǒng)安全的?，F(xiàn)在可以接收并復現(xiàn)出大多數(shù)電子設備政黨工作時所發(fā)射的功率很低的射頻信號。象對電子竊聽很脆弱的終端那樣的軍用產品就屬于的范疇。在實踐中，控制設備和系統(tǒng)的發(fā)射，使無法解譯攜帶信息的信號。由于關于的法規(guī)和標準十分復雜，關于信息技術設備的相關標準總結在表.中。一些標準的頻率范圍在圖中標明

17、。表1.9信息技術設備（ITE）的電磁兼容標準IEC/CISPR傳電和輻射發(fā)射關于以下的敏感度靜電放電輻射電磁場電氣快速瞬態(tài)電源線良涌輻射磁場遠程通信線路的傳導發(fā)射IEC801-2IEC801-3IEC801-4IEC801-5CISPRCISPR-EN55101-2EN55101-3-未發(fā)表的建議稿-BS6667第二部分BS6667第三部分BS6667第四部分BS6667第五部分-CISPR22FCC15部分J子部分CENELECECEN55022英國標準BS6527測試現(xiàn)有的規(guī)范和標準對產品輻射的電場強度的極限值是在m、m或m處規(guī)定的。為了測試設備是否滿足這些標準，需要一塊能提供被測件與天

18、線之間對應距離的足夠大的場地。測試場地的背景電磁能量大大低于測試范圍。被測設備所處的狀態(tài)必須與實際使用狀態(tài)相同，接口與適當?shù)耐庠O連接。被測系統(tǒng)要放在轉臺上，這樣可以通過旋轉來找到最大輻射信號。轉臺與天線放在同一個地面上。這樣就可以測量系統(tǒng)工作時的輻射了。這種測試也可以在半無反射室中進行，但一個合適的測試室其尺寸和成本都是可觀的。大多數(shù)輻射測試是在開闊場中進行，開闊場是精心選擇的，其電磁背景很低，周圍沒有反射物，如建筑物。圖是開闊場的示意圖。為了獲得不同材料的屏蔽效能，采用一些其它的測試方法。屏蔽盒是最先開發(fā)的方法之一。在密封的屏蔽盒內放置接收天線的裝置如圖所示。這個盒子上有一個方形的開口，將它

19、放置在屏蔽室內使外界干擾最小。屏蔽室內有信號發(fā)生器和發(fā)射天線。被測材料的樣品牢固地夾在盒子的開口上，記錄下發(fā)射天線處的場強和接收天線處的場強。這種材料的屏蔽效能就是兩個值的比值。純銅板可以用來作為參考值。圖所示的四個屏蔽室的裝置可以用來提高測量精確度，并且拓寬測量的頻率范圍。圖1-6屏蔽室測試屏蔽的理論方法電磁波理是經(jīng)典的理論。麥克斯威爾、法拉第和其它人在電子學之前就建立了描述電場和磁場的基本方程式。然而，對實際中的復雜硬件幾乎不能直接應用這些方程式。電場和磁場的衰減用從試驗中得到的方程式能夠更好的表達，這些方程式在屏蔽的設計中廣泛應用。有許多因素會影響電磁能量源周圍的場。源的種類賦予了場一些

20、特征，如輻射幅度。距離源的距離和電磁波傳輸?shù)拿浇榈奶匦远紩绊憟雠c屏蔽之間的相互作用。在電磁屏蔽中，波阻抗Zw是聯(lián)系這些參數(shù)的有用的概念。波阻抗定義為電場E與磁場H的比值。源上的驅動電壓決定了干擾的特性。例如，環(huán)天線中流動的電流與較低的驅動電壓對應。結果是在天線附近產生較小的電場和較大的磁場，具有較低的波阻抗。另一方面，四分之一波長的距離上，所有源的波的阻抗趨近于自由空間的特征阻抗，377歐姆。這時，稱為平面波，作為參考，1MHz的波長是300m。按照到源的距離，電磁波可以進一步分為兩種，近場和遠場。兩種場的分界以波長除以2的距離為分界點。/2附近的區(qū)域稱為過渡區(qū)。源與過渡區(qū)是近場，超過這點為

21、遠場。近場波的特性主要由源特性決定，而遠場波的特性由傳播媒介決定。如果源是大電流、低電壓。則在的近場以磁場波為主。高電壓、小電流的源產生電場為主的波。在設計屏蔽控制輻射時，這個概念十分有用。由于這時屏蔽殼與源之間的距離通常在厘米數(shù)量級，相對于屏蔽電磁波為近場的情況。在遠場，電場和磁場都變?yōu)槠矫娌ǎ?，波阻抗等于自由空間的特性阻抗。知道干擾輻射的近場波阻抗對于設計控制方法是十分有用的。用能將磁通分流的高導磁率鐵磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波。反過來，用能將電磁波中電矢量短路的高導電性金屬能夠屏蔽電場波和平面波。入射波的波阻抗與屏蔽體的表面阻抗相差越大，屏蔽體反射的能量越多。因此，一塊

22、高導電率的薄銅片對低阻抗波的作用很小。對于任何電磁干擾，屏蔽作用由三種機理構成。入射波的一部分在屏蔽體的前表面反射，另一部分被吸收，還有一部分在后表面反射，如圖1-7所示。屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示。SE=A+R+B表1.10和表1.11給出了不同的屏蔽效能，吸收損耗的計算公式如下：A=1.13t式中；t-屏蔽厚度，cm;r-屏蔽材料的相對導磁率；由于吸收主要由屏蔽厚度產生的，吸收因子對所有類型的電磁波都一樣，與近場還是遠場無關。以下是計算平面后反射損耗的公式，等于電場波和磁場波有類似的公式。R=168101g(rf/r)dB表1.1

23、0信號強度的衰減dB102030衰減的百分比909999.94050607099.9999.99999.999999.99999表1.12給出了一些常用屏蔽材料的相對導電率和導磁率。如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，僅當屏蔽層很薄或頻率低于20KHz時，B才是重要的。在設計磁屏蔽時，特別是14KHz以下時，除了吸收損耗外，其它因素都可以忽略。同樣，在設計電場或平面波屏蔽時，只考慮反射因子。當一束電磁波碰到屏蔽體時，在表面上感應出電流。屏蔽的一個作用是將這些電流在最小擾動的情況下送到大地，如果在電流的路徑上有開口，電流受到擾動要繞過開口。較長的電流路徑帶來附加阻抗，因此在開口上有電

24、壓降。這個電壓在開口上感應出電場并產生輻射。當開口的長度達到/4時，就變成效率很高的輻射體，能夠將整個屏蔽體接收到的能量通過開口發(fā)射出去。為了限制開口效應，一個一般的規(guī)則是，如果屏蔽體的屏蔽效能要達到60dB，開口長度在感興趣的最高頻率處不能超過0.01。每隔一定間隔接觸的復合或用指形簧片連接的縫隙可以作為一系列開口來處理。值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下縫隙開口等屏蔽不連續(xù)性是更應該注意的因素。表1.12用于屏蔽的金屬特性金屬銀銅鋁鋅黃銅鎳鐵相對收導率r1.051.000.610.290.260.200.17相對磁導率r1111111000銅化學鍍鎳總結0.100.

25、0210001所有從事電氣或電子設備設計的工程師都應該認識到他們所開發(fā)的項目的電磁兼容性要求。為了用較低的成本來解決這些問題，必須在項目的初期就考慮適當?shù)腅MC措施來滿足相關的標準。雖然仔細地進行電路設計能夠有效一減小電磁發(fā)射和敏感度，但本文后面所詳細介紹的有關實際屏蔽技術的資料將使你在每一個特殊項目中采取一種適當?shù)钠帘巍ｋ姶牌帘尾牧显O計者指南連載（二）2、導電涂層有了前一章中關于RFI/EMI背景的考慮，現(xiàn)在能研究導電涂層的選擇范圍。干擾源RFI/EMI源可以劃分為兩類：··天然干擾源例如雷電放電；人為干擾源它可以進一步劃分為有意和無意干擾源，有意輻射信號來源于電源開關，

26、焊接設備和射頻加熱器，實際上，所有電子和電氣設備都不同程度的產生輻射干擾。（1）干擾場干擾能量沿著導線和自由空間傳播。因此它成為與線路有關的干擾電壓和輻射干擾場強。所傳播的各種干擾都存在一定的頻率范圍。低于30MHz的低頻干擾，主要是在導線中傳播。這種干擾不能靠簡單的屏蔽機殼來防止，而只能用適當?shù)木€路濾波器來保護有用信號不受損害。更高頻率的干擾（30MHz）與導線的輻射有關，因為這時導線尺寸可以和波長相比擬。就電磁波而論，電場強度E和磁場強度H是由一定的關系或聯(lián)系在一起的。通常是將電場分量和磁場分量分別屏蔽。在相應的頻率范圍中符合一定的規(guī)則。在約1MHz以下的較低頻率范圍內，平行于導體壁的電力

27、線是連續(xù)的。這里，頻率的影響取決于所用屏蔽材料的壁厚和導磁率。在1MHz至100MHz的頻率范圍內，屏蔽柜內受干擾影響的部位包括：前面板的連接面、門或窗以及引入的主要部件。這時電力線不再保證全部是連續(xù)的，從約100MHz頻率開始，電場屏蔽效能將逐漸減小，而磁場屏蔽效能則不再增加。對于100MHz以上頻率范圍，所傳播的波的電場和磁場分量應當認為是相等的。均勻平面波的屏蔽取決于各自分量在屏蔽材料表面的集膚效應，屏蔽材料的導電率將決定波的反射損耗。（2）RFI/EMI傳輸?shù)暮釸FI/EMI可以通過傳導，耦合或輻射離開干擾源或進入敏感設備，在設備的一部分和另一部分之間，如電源和附近的電路之間，或在兩

28、個分開的設備之間，都會產生干擾。傳導RFI/EMI可以通過信號線、天線饋線、電源線、甚至通過RFI/EMI敏感設備之間的接地線進行傳導。耦合EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、電路或設備之間耦合，通過這種互阻抗，一個電路中的電流或電壓能在另一電路中引起電流或電壓?；プ杩箍梢允请妼А㈦娙莼螂姼?，或者是它們的任意組合。輻射RFI/EMI可以通過任何一種設備機殼的開口、通風孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板，以及機殼的非理想連接面等進行輻射。RFI/EMI也可由進入敏感設備的導線和電纜進行輻射，任何一個良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。如何進行屏蔽下面這一節(jié)中，將從敏感

29、設備防護外來電磁波的觀點來考慮屏蔽。有效的屏蔽對設備自射產生的電磁波也同樣有效，它可以防止自身產生的電磁波對其它設備造成危險。對于已有標準來說，屏蔽的后一個目的特別重要。當電磁波在導電體內引起感應電流時，如果該導電體是由良好導體制成，此電流不會穿透該導電體。如果敏感設備封閉在一個較大的導電體內，例如在銅制機柜內，就能產生有交的屏蔽。然而，應當明白，電磁波所感應的電流不應傳導至屏蔽體的內部，這樣的電流才是允許的，否則，該電流就有可能傳導至設備或通過電磁波到達設備。在屏蔽體外抑制該電流和電磁波是屏蔽外部干擾的實質。電磁波感應的電流沿著電阻最小的路徑并繞著無縫金屬機箱外表面運行，但遇到任何一個連接面

30、時，該電流寧愿繞過一個面進入內部而不越過窄縫隙到達另一個面，如圖2.1所示。電源圍繞金屬機箱運行電流在機箱內表面運行機箱/蓋板截面圖圖2.1圍繞金屬機箱的電流路徑因此，用鋼制機柜進行屏蔽時，由于能為所有連接面提供一條由一個面至另一個面的高導電路徑，所以電流仍保持在機箱外側。這種導電路徑是用特殊的襯墊和在連接表面進行導電涂敷而建立的，導電襯墊將在另外兩章中詳細討論。導電路徑的任何中斷都將使屏蔽效能降低，它取決于縫隙或孔洞尺寸與信號波長之間的關系。對于較低頻率或較長波長來說，如果只有一個小孔則不會明顯降低屏蔽效能；對于高頻或較短波長來說，屏蔽效能的下降將是很劇烈的。舉一個例子，屏蔽體上如果有一個直

31、徑為15mm的孔洞，對于10MHz信號（波長為30m）來說，將仍然能提供60dB屏蔽效能，但對于1GHz信號（波長為30mm）來說，若要保持同樣的屏蔽效能，則孔徑不能超過0.15mm。直徑為15mm的孔對于1GHz信號只能提供20dB衰減。如果不止一個孔洞，而且孔距小于信號半波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號要求足夠的衰減，則不應采用為了通風目的的孔洞。圖2.2表示RFI/EMI能量是如何通過吸收、反射和傳導而耗散的。屏蔽效能及其產生的衰減與頻率、源與屏蔽體的距離、屏蔽體的厚度以及屏蔽材料等有關。由于增加了對RFI/EMI能量的反射和吸收的總和

32、，使所傳輸?shù)碾姶拍芰繙p小。屏蔽材料哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一個相當復雜的問題。很明顯這種材料必須具有良好的導導性，所以未處理過的塑料是無用的，因為電磁波能直接通過它。當然，可以采用金屬。然而，應當記住，不能只考慮導電性，其理由就在于，電磁波不但有電場分量，還有磁場分量。要知道高導磁率和高導電率同樣重要，高導磁率的意思就是磁力線的高導通性。鋼是一圖2.2輻射RFI/EMI能量的耗散種良導體，而磁導率的量級也會令人滿意。它也是相對廉價并能提供很大機械強度的材料，所以有理由利用鋼材，廉價的獲得滿意的屏蔽效能。應當注意，低頻電磁波比高頻電磁波有更高的磁場分量。因此，對于非常低的干擾頻率，屏蔽材料

33、的導磁率遠比高頻時更為重要。用于屏蔽外場直接耦合的機殼或機柜的材料是很重要的。由于是高反射屏蔽，通常采用提供電場屏蔽的薄導電材料。對于30MHz以上更高的頻率，通常應主要考慮電場分量，在后一種情況下，非鐵磁性材料，諸如鋁或銅，能提供更好的屏蔽，因為這種材料的表面阻抗很低。涂層類型由于發(fā)泡塑料易成形，并具有價廉、重量小、便于安裝、抗腐蝕、外觀好等優(yōu)點，其應用日益增加。如果能提供有效的RFI/EMI屏蔽，則用途將更廣泛。通常的方法是，在塑料基底上增加一個導電涂層。就象將塑料機箱放入金屬機箱一樣。用于導電涂層的主要材料有銀、岣和鎳。銀是一種高導電性材料，但還應考慮價格是否合適。然而，當用作涂料填充物

34、時，它具有50至80dB衰減或屏蔽效能，但還取決于頻率，見圖2.3。銀常用于軍用設備，特別是需要防護EMP（電磁脈圖2.3屏蔽效能數(shù)據(jù)沖）的設備。銅的導電性接近銀，但價格低廉。然而，銅易于氧化而使屏蔽效能受到損失，在一般環(huán)境條件下，它了不穩(wěn)定。近來鎳已成為主要的研制對象。它不同于銅或銀那樣的良導體，但由于它存在導磁性，能吸收較多的EMI。它還具有抗腐蝕的性質，而且成本較低。鋅在火焰噴涂中用作主要媒質，具有屏蔽和抗腐蝕性質，但它用作導電涂層并不多見，而且市場進展也較慢。由于石墨僅能提供20dB衰減，而且主要用于敏感集成電路的靜電防護，所以一般也不同作導電涂層。（1）導電漆迄今為止，成功的導電漆都

35、基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯樹脂或環(huán)氧樹脂等襯底。導電漆都有適用期，而更重要的還有貯存期，后者典型的為6至12個月。所有這些漆都對塑料基底存在腐蝕作用，所以導電漆能穿透塑料并固定在孔縫中。九十年代的現(xiàn)代導電漆都有不同程度的膠粘性質，而以前由于缺乏膠粘性，經(jīng)常產生導電漆剝落，甚至將印制板導電路徑短路，而不完善的屏蔽所留下的縫隙將起縫隙天線的作用。所有基底表面應仔細清潔，清除油脂或其它污漬，輕度擦傷也將影響粘附力。銀漆銀漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木質表面上，它有良好的抗磨損特性和可焊接性。銀乙烯基是典型的簡單組合系統(tǒng)，它在環(huán)境溫度中約20min便可干燥，再過20或30min，便可進行

36、下一次涂敷，直到20h以后，化學反應完成之前，尚未達到最大的導電率。銀乙烯基的表面電阻率可達到約0.01/而干燥膜厚度為0.025mm，每升銀漆可提供理論覆蓋面積為8.5m2。實際上，由于過噴，約10%銀漆被浪費。銀聚胺脂涂層，通常是兩部分組成的系統(tǒng)，其重量的55%左右為純金屬銀薄片或球，對于所有導電漆，通常采用的噴槍的壓力為610和3555磅/平方英寸。壓力設備中，空氣攪拌器是防止銀顆粒沉淀的重要設備。鎳漆鎳通常與聚丙烯組成鎳漆，理想情況下以ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯為襯底。在噴涂之前，對人造橡膠復蓋的表面和玻璃加強的塑料應當輕輕研麻。對于聚丙烯成分，在20條件下的干燥時間為30min，若需

37、第二次噴涂則還需進一步干燥30min后進行。經(jīng)過120h后達到完全導電，獲得表面電阻率優(yōu)于1.5/。通常，干燥薄膜厚度規(guī)定為0.050mm,所以噴漆室內應設厚度精確測量設備；如果噴得太厚，則費用太高，噴得太薄，則達不到足夠的屏蔽性能。在襯底的轉角處噴漆承包商了解有關厚度的規(guī)定，以及確定不同厚度的位置都很重要的。如果襯底用聚丙烯，而且設計成比規(guī)定值更薄，可用作更靈敏的熱塑性料襯底。聚氨酯適用于復蓋熱固化和聚合物交聯(lián)塑料，如復蓋人造橡膠海棉，Noryl和GRP。聚氨酯漆做襯底再涂敷顏料、固化劑和稀料的混合物，典型的混合比是6：1：1，而且必須達到一定的精確度，如果能產生全部化學反應，則最終的干燥膜

38、就具有應有的全部性質。干燥膜中鎳粉的重量至少占80%，才能得到最佳屏蔽；金屬顆粒遠多于84%時，將使膠粘性和襯底的機械性質變差。當不知道是那一種漆時，可取少量漆涂敷基底的一個小的試驗面積，并檢驗它在環(huán)境應力下的破碎情況。銅漆為開發(fā)有效的銅填充導電涂層進行了各種試驗，但由于腐蝕而得不到廣泛使用。要克服這個問題，只能在銅膜表面加上一層不同導電材料的保護層，但結果在另一種工作條件下將更容易失效。底漆導電漆的性質一般都與基底材料不相容，特別是在膠的物質中更是這樣，所以要用專門的底漆。底漆將與塑料基底膠粘在一起，而漆的化學連接本身將轉化為層間或與底漆的連接。底漆也用于當所選導電漆與基底化學不相容的情況中

39、。導電環(huán)氧樹脂前面關于導電漆的討論，主要集中在涂層的塑料基底上，但有時卻令人信服的將導電漆用于金屬表面。通常，該體系是基于聚丙烯、聚氨酯、乙烯基等，當應用于金屬時，它們并不顯示出良好的膠粘性。解決的方法是采用粘稠環(huán)氧系列材料，它能攙入鎳或銀。金屬表面進行導電涂敷，可以改進它們的電化學腐蝕性質，特別是相應的導電襯墊與金屬接觸時。另一方面，金屬可以要求裝飾性涂敷，但通常的電絕緣涂層應當從襯墊和應屏蔽區(qū)域的接觸面除掉，更容易的辦法是對與同樣材料進行整個金屬加工后，涂敷導電漆進一步應用時，應當改進帶有鎳或銀薄層的基體金屬或合金的屏蔽特性，此填充物通常用于環(huán)氧樹脂系列。特別是當用于鋁部件時，鎳顯著改進表

40、面電導率，聚乙二烯氟化物和玻璃增強尼龍風扇葉片實際上不能用聚丙烯、聚氨酯或乙烯基油漆系列和導電環(huán)氧系列和導電環(huán)氧系列涂敷。鎳環(huán)氧漆通常由三個系列組成，即襯底、較薄和較硬三類，當全部處理完畢后，能得到0.025mm厚干燥膜優(yōu)于5/的表面電阻率和40至50dB屏蔽效能。這種漆能提供極好的沖擊阻尼和良好的膠粘性，特別是與低碳鋼、鋁、鉻酸鋁有很好的粘著力。鎳涂層填充物導電漆如此方便，如果成本能進一步降低，則它將擁有一個很大的市場，鎳可用于涂敷各種價廉的顆粒材料，它具有鎳的表面性質，而同時具有基底材料的某些性質。鎳涂敷的所有材料中，石墨是具有最大潛力的一種。它機械性能好，化學穩(wěn)定，而且固有導電性，也較便

41、宜，比重低等優(yōu)點。其結果是涂敷的顆粒具有比純鎳更低的密度，進一步降低了成本。實際上，涂敷于石墨上的鎳的總量或市場上買得到的涂鎳顆粒所具有的鎳的重量約占總重量的2585%。因為兩種材料的密度不同，需要涂敷足夠的鎳，達到完全復蓋石墨。然而，實際上并沒有完全復蓋，只能有部分顆粒被復蓋，例如25%鎳一石墨顆粒。這種顆粒能用來生產石墨和純鎳之間具有屏蔽性質的涂敷中間體。涂敷顆粒的主要優(yōu)點是它的總體密度較低，要使填充物較輕，需要提供系統(tǒng)中材料的等效體積。然而，鎳涂敷石墨是新開發(fā)的產品，尚未完全發(fā)揮它的潛力。用鎳涂敷的其它導電漆的填料包括鋁、玻璃和某些氧化物、碳化物和絡鋼碳化物。銀涂層填充物比鎳涂敷顆粒更重

42、要的是需要尋找降低純銀導電漆系列成本的途徑。如果射頻只在導體的外表面?zhèn)鲗?，顆料內部的銀是無用的；這種集膚效應約在導體表面1in左右，具有壁厚為1in的空芯銀顆粒就可以了。去掉無用的銀之后，既顯著降低了成本，也大大減輕了重量。將空芯銀顆粒用作涂敷填充物，其顆粒的理想形狀應使單位表面積包圍的體積最大，這樣，可用最少的銀涂敷任一單位體積，因此，這個理想的形狀就是球。球形顆粒還具有另外一些優(yōu)點：便于噴涂，對射頻能量為各向同性。并提供濃度連續(xù)的封裝安排，能填充約70%的涂層體積。銀涂敷在直徑約為50m的空芯或實芯陶瓷或玻璃微球上，空芯顆粒用于優(yōu)先考慮重量的導電漆中。我們知道，球形體抗均衡壓力的能力最旨，

43、而實芯是完全不必要的，因為這將增加不需要的重量和費用。用于涂敷時，重量是很重要的，如果重顆粒在液態(tài)導電漆中快速沉淀，形成較硬的沉淀物后就很難擴散或保持分散狀態(tài)。過重的顆粒還會在管道中沉淀，不僅會引起新的涂層下垂和流動，而且還可能分開，而引起小的未屏蔽的區(qū)域。電磁屏蔽材料設計者指南連載（三）（）化學鍍化學鍍的程序不應與常規(guī)的電鍍混浠，電鍍需要用直流電流使金屬鍍覆。化學鍍或自動催化鍍是化學鍍覆均勻的固態(tài)金屬涂層，它將減小零件表面的微電池反應。塑料的化學鍍處理是在非導電塑料基材上產生薄金屬涂層。通常選用復合鍍，即鍍銅（高導電性）再鍍鎳（防銹）?；瘜W鍍銅本質上是純銅鍍覆，而化學鍍鎳可包含磷。在塑料鍍的

44、基本過程中，模壓塑料機殼總是浸泡在一系列化學處理溶液中，由三個主要處理步驟組成，即預處理、催化處理和化學鍍處理?；瘜W鍍的預處理包括溶解過程的改善對于所有塑料則不需這一過程還有酸洗和中和；這些溶液被配成能在塑料表面產生微觀孔穴，可為化學鍍金屬涂覆提供粘附點。催化是由超微金屬把顆粒對塑料基板被酸洗后的微孔上的稀釋溶液進行吸收而獲得的。最后，將酸洗后的塑料部件浸泡在化學鍍槽中，把顆粒的吸收作用使從溶液至金屬涂覆塑料表面的金屬離子減少，從而完成化學鍍。典型的處理步驟示于圖.。這將產生一個模壓式全密封箔殼并相應于雙側塑料鍍處理。各種類型和級別的聚合物可以用這種方法進行化學鍍，但每種聚合物的估量和模壓類型

45、是很重要的，因為同一種聚合物的不同級別的化學反應可以在很大范圍內變化。較差質量的模壓制品不適用于雙側處理：因為所有模壓制品的高應力部分對化學反應都很敏感，所以較差質量的模壓制品在化學腐蝕階段就要發(fā)生破裂。在塑料表面進行化學鍍時，目前采用表面選擇法。它應用表面噴涂屏蔽薄膜，即在原始化學鍍以后，兩次浸泡在化學預處理溶液中實現(xiàn)。這意味著許多不適用于雙側處理的圖2.5塑料制品化學鍍的典型處理過程聚合物模壓制品，可以在屏蔽殼的內表面進行選擇表面鍍。由于采用更厚的金屬涂覆，塑料制品雙側和單側鍍處理都能使屏蔽效能增加而提供更大的衰減。通過自動處理對所有內外表面及凹進部分進行化學鍍，以避免人工操作時，視覺上出

46、現(xiàn)的問題。由于化學鍍銅是一種純金屬涂層，而沒有粘結劑、填充物、氧化物和吸附氣體等電鍍涂層所附有的物質，一個.微米的極薄的鍍覆可以提供約d屏蔽效能。銅可以在很寬頻率范圍內提供至d屏蔽效能。而這種處理為保證可重復性和均勻的屏蔽效果提供了可能性，而且，大量生產時重要的是如何合理地降低成本，但這種處理方法的成本是鎳導電漆系列用于少量未鍍件時所無法比擬的。表給出銅和鎳在頻率范圍內屏蔽效能的數(shù)據(jù)。雖然許多聚合物的類型和等級能用這種方法進行化學鍍，但早期估計化學反應是很重要的。在早期，化學鍍專家應當和設備設計者以及模壓工緊密結合，以便在設計被確定以后，能獲得最好的結果。塑料部件的幾何形狀和模壓的質量是化學鍍

47、模具設計的重要依據(jù)；模壓質量是處理時排除空氣和化學雜質的保證。表化學鍍屏蔽效能測試數(shù)據(jù)屏蔽效能（dB）化學鍍層厚度（m）雙側或單側ASTMESU-83傳輸線頻率（MHz）鎳銅30ABCDEFG0.3750.625-22222124051667170627210039527078766180300395671818258871000517177DRDR62DR0.3750.6250.3750.6250.7501.2500.3750.625(56天濕度）H0.3750.625(56天干燥)動態(tài)范圍（DR）27180898898959191這種處理的優(yōu)點是：·對于所選金屬給定的重量，實芯全

48、金屬箔能提供最佳的導電性屏蔽。銅箔可在很寬的頻率范圍內提供屏蔽；·所提供的電鍍液能自由流動并濕潤元件表面，使涂層均勻，可在全部鍍層表面得到恒定的屏蔽衰減；·它能簡單快速的用于復雜的、大型或小型的部件，特別適用于大體積部件；·與基體有極好的膠粘性，保證不會破碎或剝落。（）火焰噴涂金屬電弧噴涂，通常用來鍍鋅，已是很流行的方法，特別是在商用方面。它比導電漆和箔屏蔽更有效。厚度為m時，具有d的屏蔽效能，對于更厚的度層將有更大的衰減。然而，它的應用會受到環(huán)境的侵蝕，涂層的均勻性不定期取決于操作者的技巧，而且由于涂層相當薄、韌性低，使塑料變得很容易損壞。此項技術涉及在兩條金屬

49、導線之間產生電弧，將金屬汽化后，利用空氣吹在塑料基體上。當熔融金屬的粒子撞擊塑料表面時，它們展平和冷卻后，形成連續(xù)的金屬薄膜。鋅是常用的金屬，用于屏蔽目的，由專門的子承包工廠用專用設備進行。雖然這項技術是最早的屏蔽方法之一，便它的應用受到粘著性和溫度這兩個內部相關的因素的限制。鋅與塑料的連接純粹是一種由金屬粒子撞擊所引起的機械連接。如果電弧槍離塑料部件太遠，金屬粒子就沒有足夠的能量保證適當?shù)恼持?；然而，槍如果離塑料部件太近，金屬冷卻時的熱耗散，將足以使塑料變形。在面對槍的一側，鋅涂覆的薄膜相當厚，對于大部分應用都能提供有用的屏蔽效能和低電阻率，見圖.。值得注意的是，如果機殼內側被設計得更容易

50、進行電弧噴涂，例如沒有尖角、在肋之間有適當空間，并消除裂縫深度，將降低成本，并保證使用壽命。鋅鍍層能用適當?shù)木S護設備始終如一地獲得，而且表面呈現(xiàn)銀灰色金屬鍍層，并當破碎時還留下金屬光澤。當附加耐磨墊圈時，在磨擦表面得到一個類似的表面。緊配合時，相鄰部分裝配和拆卸時，互相摩擦的任意區(qū)域，每次都將產生新的、高導電率的接觸。鋅是除銀以外，在塑料上獲得商用屏蔽涂層，最常用的導體之一。例如，電弧噴鋅的電阻率僅為鎳的幾分之一。在許多情況下，適當?shù)钠帘文墚a生d衰減。如果采用電弧噴鋅，這是很容易做到的，它提供的衰減范圍可達dB，裝入噴槍的鋅為.純度。而噴涂的結果，金屬與任何粘結料或其它運載物無關。鋅鍍層具有韌

51、性和抗腐蝕性質，其表面電阻率的典型為.，衰減可達d。（）真空金屬化真空金屬化將提純的金屬沉積在塑料部件上，其主要優(yōu)點是美觀和顯著的屏蔽性質。所用的金屬為鋁（最常用），鋅、銅、鋼、鎳和銀。涂層為.m厚，且相當均勻。尼龍，聚芳基化物，聚酯很適合進行這種處理，而丙烯睛丁二烯苯乙烯三元共聚物，聚苯乙烯和聚碳酸酯也能被金屬化。然而，粘接性和耐久性卻不如其它技術。許多材料，特別是聚芳基化物，需要在鍍覆之前先做基礎涂層。還有許多材料需要一個外部涂層作打底和抗紫外線。真空金屬化小室的費用較貴，其尺寸大小將限制需要鍍覆的部件的數(shù)量。而且保證平滑的金屬涂層所用的夾具也將占用小室的空間。當希望良好的裝飾漆能在低頻范

52、圍同時得到良好的屏蔽性能時，夾具的初始成本將很高，不銹鋼的銅夾芯涂層是常用的組合，能給出上至d抗擾度，并具有抗腐蝕性。通常，真空鍍覆的涂層是均勻的，不影響塑料的沖擊強度，也不影響其內部公差。這種處理能提供涂層的最佳選擇，能屏蔽某些產品的重要區(qū)域而堵塞穿孔。這種處理能用于聚光燈反射器，特種封裝，底部封裝和鏡面，與用于屏蔽目的相比，更適宜于用于這個目的。涂層的代用技術本節(jié)介紹屏蔽塑料基底的另外兩種方法，一種是在模壓元件系列上附加導電性質；另一種方法是應用導電金屬箔。（）導電填充塑料近幾年來，為發(fā)展導電填充物作出了許多嘗試和努力，這種導電填充物將在不損傷塑料的機械性質的情況下提供屏蔽性能。為了具有競

53、爭力，所使用的材料必須比前述導電涂層技術中所用的材料價格低廉，并能提供防護。導電聚合物模壓元件能提供物理性能堅固的機殼，它能使設備受到?jīng)_擊時得到防護，而且當受到磨損或物理損傷時，不致象噴涂涂層那樣，會使屏蔽受到損害。設備制造者也因導電涂層不必拋光而從降低成本中得到好處。不同材料被用作塑料中的導電填充物，包括鋁粉和纖維、石墨、不銹鋼、鎳粉和涂銀玻璃珠。影響選擇填充物材料的三個因素是：·成本；·要求導電填充物所占百分數(shù)。高面分數(shù)填充物不僅增加設備的磨損，還影響模壓件的表面光潔度和物理性能；·纖維將按照處理時的熔液流動方向排列，而使角形和截面變化區(qū)域的屏蔽不均勻性增加，

54、同時不定期引起機械強度的損失。粉末金屬已被證明具有某些優(yōu)點，它能通過粉末與聚合物樹脂的連接，改進模壓件的機械性能。鋁粉可使樹脂基材的熱傳導增加，可用來改進導熱性，而不銹鋼纖維只需填充，就可獲得良好的導電性，但鋁粉通常則需要填充。低填充不銹鋼纖維可以將模壓件所處理材料的設計改為未加壓材料所期望的壓縮的設計。有些應用填充樹脂系列模壓件的用戶，報告說不僅應考慮設備磨損問題當考慮復雜模壓設備結構形式的塑料部件的巨額費用這一主要因素時所需要考慮的問題之外，還應考慮到在有些模壓件中存在導電顆粒的不均勻漂移問題。特別是拐角區(qū)域和截面急劇改變的地方，以及幾乎找不到任何顆粒的惡劣情況。如果需要采用此項技術，在機

55、殼設計時需要特別仔細，尤其要注意截面的任何一個突變。在設計模具時，如缺乏周密的考慮，就會出現(xiàn)無法使用的模壓制品。而在制冷設備中，此類填充物能不太昂貴地提供有用的導熱性質，此項技術已成功地應用在與目的相反的靜電控制中。（）膠箔和膠帶有時需要改變形狀，則可采用背膠金屬箔，它主要用于塑料表面，以提供屏蔽。通常，柔軟的箔或帶是用銅或鋁制成的，可以用于機殼的內表面。然而，此項技術存在兩個固有的問題如下：·生產是基于手工在基體易損的表面上安放箔片；·由基體至基體很少有完全相同的，特別是覆蓋復雜的圓角。在一些部件上，需要在箔片之間進行重疊，這就很可能留下縫隙而成為縫隙天線。所采用的背膠常常是非導電的，它將在重疊的膠帶或箔片之間形成電阻層。不用置疑，在&環(huán)境中，對于實驗室鑒定，導電箔是一種有用的助手?？捎糜诟倪M在測試中失敗的產品，并提高它們的性能。雖然不能被認為是一種理想的生產技術，但合金和其它軟磁合金箔帶是很有用的。盡管這些鎳鐵型合金有加工硬化的性質，如果應用適當，它們在磁場中能提供有用的屏蔽效能，并能很容易地將金屬組件、部件附加在塑料模壓件上。如果