九章屏蔽理論及其應(yīng)用ppt課件

1、第九章第九章 屏蔽實際及其運用屏蔽實際及其運用第一節(jié)第一節(jié) 電磁屏蔽和屏蔽效能電磁屏蔽和屏蔽效能屏蔽shielding，就是用導(dǎo)電或?qū)Т刨Y料制成的金屬屏蔽體shield將電磁騷擾源限制在一定的范圍內(nèi)，使騷擾源從屏蔽體的一面耦合或輻射到另一面時遭到抑制或衰減。頻率高于100kHz以上時，電路、元件的電磁輻射才干加強，電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)中就存在著輻射電磁場的寄生耦合騷擾。 屏蔽是電磁干擾防護(hù)控制的最根本方法之一。其目的有兩方面：一是控制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁場，不使超出某一區(qū)域，二是防止外來的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。因此，屏蔽的方法也是電磁干擾的空域控制方法。1. 屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 2. 屏蔽

2、效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 二二. 電磁屏蔽的類型電磁屏蔽的類型三三 . 靜電屏蔽靜電屏蔽 四四. 交變電場屏蔽交變電場屏蔽五五. 磁場的屏蔽磁場的屏蔽1 靜磁屏蔽靜磁屏蔽2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽3 低頻磁屏蔽效能近似計算低頻磁屏蔽效能近似計算4 高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 六電磁屏蔽六電磁屏蔽一、屏蔽效能一、屏蔽效能1屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 屏蔽效能Shielding effectiveness表示屏蔽體對電磁騷擾的屏蔽才干和效果，它與屏蔽資料的性能、騷擾源的頻率、屏蔽體至騷擾源的間隔、以及屏蔽體上能夠存在的各種不延續(xù)的外形和數(shù)量有關(guān)。 屏蔽系數(shù)屏蔽系數(shù)是指被騷擾電路加

3、屏蔽體后所感應(yīng)的電壓是指被騷擾電路加屏蔽體后所感應(yīng)的電壓USUS與未加屏蔽體時所感應(yīng)的電壓與未加屏蔽體時所感應(yīng)的電壓U0U0之比，之比， 0UUS傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)T T是指存在屏蔽體時某處的電場強度是指存在屏蔽體時某處的電場強度ESES與不存與不存在屏蔽體時同一處的電場強度在屏蔽體時同一處的電場強度E0E0之比，之比， 0EETS或者存在屏蔽體時某處的磁場強度HS與不存在屏蔽體時同一處的磁場強度H0之比，即 0HHTS屏蔽效能是指不存在屏蔽體時某處的電場強度屏蔽效能是指不存在屏蔽體時某處的電場強度E0與存與存在屏蔽體時同一處的電場強度在屏蔽體時同一處的電場強度ES之比，常用分貝之比，常用分貝d

4、B表示，即表示，即SEEESE0lg20或者不存在屏蔽體時某處的磁場強度H0與存在屏蔽體時同一處的磁場強度HS之比，常用分貝dB表示，即SHHHSE0lg20傳輸系數(shù)與屏蔽效能互為倒數(shù) TSE1lg20由于屏蔽效能是內(nèi)吸收損耗和反射損耗及多次反射損耗三部分組成，故傳輸系數(shù)為：或 SE=A+R+BA 為吸收損耗，以dB為單儉R 為反射損耗，以dB為單位B 為多次反射損耗, 以dB為單位)(1log201log201log20dBTTTSE多次反射反射吸收式中 T吸收、T反射、T多次反射分別代表由于屏蔽體的吸收、反射及多次反射所引起的傳輸系數(shù)，故多次反射反射吸收TTTT屏蔽體通常能將電磁波的強度衰

5、減到原來的百分之一至百萬分之一，普通民用產(chǎn)品機箱的屏蔽效能在40dB以下，軍用設(shè)備機箱的屏蔽效能普通要到達(dá)60B，屏蔽室或屏蔽艙等往往要到達(dá)100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的，本錢也很高。 無屏蔽場強 ：有屏蔽場強 屏蔽效能SE dB 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120 衰減量與屏蔽效能的對應(yīng)關(guān)系：2屏蔽效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 計算和分析屏蔽效能的方法主要有解析法、數(shù)值方法和近似方法。此外，根據(jù)電磁騷擾源的波長與屏蔽體的幾何尺寸的關(guān)系，屏蔽效能的計算又可以

6、分類為場的方法和路的方法。一、屏蔽效能一、屏蔽效能1. 屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 2. 屏蔽效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 三三 . 靜電屏蔽靜電屏蔽 四四. 交變電場屏蔽交變電場屏蔽五五. 磁場的屏蔽磁場的屏蔽1 靜磁屏蔽靜磁屏蔽2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽3 低頻磁屏蔽效能近似計算低頻磁屏蔽效能近似計算4 高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 六電磁屏蔽六電磁屏蔽 電磁屏蔽 電場屏蔽 磁場屏蔽 電磁場屏蔽 靜電屏蔽 交變電場屏蔽 靜磁屏蔽 交變磁場屏蔽 圖 5-1 電磁屏蔽的類型 二二電磁屏蔽的類型電磁屏蔽的類型從屏蔽的電磁場的性質(zhì)來劃分， 從屏蔽體的構(gòu)造分類，可以分為 電磁屏蔽 完整屏

7、蔽體屏蔽 非完整屏蔽體屏蔽 編織帶屏蔽 屏蔽室 屏蔽盒 孔洞, 金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)管, 蜂窩結(jié)構(gòu) 圖 屏蔽的類型 電纜 一、屏蔽效能一、屏蔽效能1. 屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 2. 屏蔽效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 二二. 電磁屏蔽的類型電磁屏蔽的類型四四. 交變電場屏蔽交變電場屏蔽五五. 磁場的屏蔽磁場的屏蔽1 靜磁屏蔽靜磁屏蔽2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽3 低頻磁屏蔽效能近似計算低頻磁屏蔽效能近似計算4 高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 六電磁屏蔽六電磁屏蔽三三靜電屏蔽靜電屏蔽 電磁場實際闡明，置于靜電場中的導(dǎo)體在靜電平衡的條件下，具有以下性質(zhì)：導(dǎo)體內(nèi)部任何一點的電場為零；導(dǎo)體外表任

8、何一點的電場強度矢量的方向與該點的導(dǎo)體外表垂直；整個導(dǎo)體是一個等位體；導(dǎo)體內(nèi)部沒有靜電荷存在，電荷只能分布在導(dǎo)體的外表上。 -Q +Q -Q +Q +Q （a）空腔導(dǎo)體完全包圍帶電體 (b)接地空腔屏蔽導(dǎo)體 圖 靜電屏蔽 一、屏蔽效能一、屏蔽效能1. 屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 2. 屏蔽效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 二二. 電磁屏蔽的類型電磁屏蔽的類型三三 . 靜電屏蔽靜電屏蔽 五五. 磁場的屏蔽磁場的屏蔽1 靜磁屏蔽靜磁屏蔽2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽3 低頻磁屏蔽效能近似計算低頻磁屏蔽效能近似計算4 高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 六電磁屏蔽六電磁屏蔽四四交變電場屏蔽交變電場屏蔽

9、 Ce Zg Zs Ug g s Us 圖 交變電場的耦合 gUZZCjZCjUgseses)(1設(shè)騷擾源g上有一交變電壓Ug.，接受器s經(jīng)過阻抗Zs接地，騷擾源對接受器的電場感應(yīng)耦合等效為分布電容Ce的耦合，構(gòu)成了由Ug、Zg、Ce和Zs構(gòu)成的耦合回路。接受器上產(chǎn)生的騷擾電壓Us為gUZZCjZUgsess1為了減小騷擾，可使騷擾源與接受器盡量遠(yuǎn)離，從而減小Ce 1 交變電場的耦合 為了減少騷擾源與接受器之間的交變電場耦合，在兩者之間插入屏蔽體，如圖 U1 Z1 C2 C1 C3 Zg Zs Ug g s Us 圖 存在屏蔽體的交變電場的耦合 那么屏蔽體上的感應(yīng)電壓為ggUZZCjZCjU)

10、(1111112 存在屏蔽體的交變電場的耦合 Z1: 金屬屏蔽體對地阻抗gUZZCjZUg11111要使Us比較小，那么C1、C2和Z1減小。接受器上的感應(yīng)電壓為1122)(1UZZCjZCjUsss U1 Z1 C2 C1 C3 Zg Zs Ug g s Us 圖 存在屏蔽體的交變電場的耦合 假設(shè)Z1= 0， U1= 0， Us= 0。1121UZZCjZUsssggUZZCjZCjU)(111111即：屏蔽體必需良好接地，才干真正將騷擾源產(chǎn)生的騷擾電場的耦合抑制或消除，維護(hù)接受器免受騷擾。交變電場屏蔽的根本原理: 采用接地良好的金屬屏蔽體將騷擾源產(chǎn)生的交變電場限制在一定的空間內(nèi)，從而阻斷了

11、騷擾源至接受器的傳輸途徑。一、屏蔽效能一、屏蔽效能1. 屏蔽效能的表示屏蔽效能的表示 2. 屏蔽效能的計算方法屏蔽效能的計算方法 二二. 電磁屏蔽的類型電磁屏蔽的類型三三 . 靜電屏蔽靜電屏蔽 四四. 交變電場屏蔽交變電場屏蔽1 靜磁屏蔽靜磁屏蔽2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽3 低頻磁屏蔽效能近似計算低頻磁屏蔽效能近似計算4 高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 六電磁屏蔽六電磁屏蔽無限長磁性資料圓柱腔的靜磁屏蔽效能五五 磁場的屏蔽磁場的屏蔽1 靜磁屏蔽在載有電流的導(dǎo)線、線圈或變壓器周圍空間都存在磁揚。假設(shè)電流是時變時，那么磁場也是時變的處在時變磁場中的其他導(dǎo)線或線線圈就會遭到干擾。另外，電子設(shè)備中

12、的各種銜接線往往會構(gòu)成環(huán)路。這種環(huán)路會因外磁場的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即遭到外磁場干擾，假設(shè)環(huán)路中有強電流，那么會產(chǎn)生磁場發(fā)射，干擾其他設(shè)備。 減小磁場干擾的方法，除在構(gòu)造上合理布續(xù)、安頓元部件外，就是采取磁屏蔽。采用分別變量法分析無限長磁性資料圓柱腔的靜磁屏蔽效能，推導(dǎo)出在一定條件下此屏蔽效能的近似計算表達(dá)式 x r H0 Hi a b 圖 5-11 無限長圓柱腔橫截面 磁標(biāo)位滿足拉普拉斯方程02miUi1，2，3 邊境條件： r=a，Um1=Um2， rUrUmrm21r=b，Um2=Um3， rUrUmmr3201122222ZUUrrUrrrmmm根據(jù)假定靜磁場B0沿 z 軸不變化，從而

13、磁標(biāo)位沿 z 軸不變化，簡化成011222mmUrrUrrr)sin()cos()sin()cos(,1100nDnCrnBnArBrnLArUnnnnnnnnm普通解是 A0，B0，An，Bn，Cn，Dn 均為待定常數(shù) 假設(shè)原點 r= 0包含在場域中，為使Um在該點堅持有限值 1)sin()cos(,nnnnmnBnArrU遠(yuǎn)離圓柱腔處，不計磁化電荷的影響，磁場仍是B0=H0，磁標(biāo)位那么是 )()(cos000mUHrHxH所以邊境條件)cos(,03rHUrm磁標(biāo)位解可簡化成)cos()cos(103rArHUm)cos(12rDrCUm)cos(1rFUm整理后得 aaaaaabbbbb

14、bCDFABHBHrrrr11111100000000HB000/ 解得KHbaDKHbCKHbbaAKHbFrrrr/12/12/1/4022020222202Kbarr222211式中 將曾經(jīng)確定的常數(shù)F代入式，思索到 ，得圓柱腔內(nèi)的磁標(biāo)位和靜磁場mVHVb Hbarmrrr1202222411cos( )12222021114HabHbrrrxxH 靜磁屏蔽效能分析靜磁屏蔽效能分析令 HHppprrr10241121假設(shè)相對磁導(dǎo)率 r1412141211110pprrpppHH假設(shè)圓柱腔壁厚度t=b-a，平均半徑R=(a+b)/2，且滿足大半徑、薄壁的條件a2b2R2時，上式可近似成41

15、211110pprHH4)1 ( 2)1 (2222babarHHppprrr10241121dBpppHHSErrr41211log20/log202101010圓柱腔的靜磁屏蔽效能可分別表示為HHtRr0112 4)1 ( 2)(222babababr4222RtrdBRtSEr21log2010滿足約束條件屏蔽體相對磁導(dǎo)率r1，且大半徑、薄壁時的近似 例:鋼steel、坡莫合金78 Permalloy及鐵氧體Maganese-Zinc ferrite，它們的相對磁導(dǎo)率分別依次為500、3000及5000。計算結(jié)果示于圖是內(nèi)半徑a=5 mm 時，屏蔽效能隨厚度t和相對磁導(dǎo)率r變化的關(guān)系曲線

16、。 0246810121416010203040506070thickness: t (mm)shielding effectiveness: SE(dB)inner radius a=5mmrelative permeability=5000relative permeability=3000relative permeability=500 闡明： 1.磁導(dǎo)率越高，屏蔽效能越大； 2. 屏蔽效能隨厚度從零開場添加。但是當(dāng)厚度添加到某一值時，繼續(xù)添加屏蔽體厚度屏蔽效能添加非常緩慢。8082848688909294969810022242628303234363840inner radius:

17、 a (mm)shielding effectiveness: SE(dB)relative permeability=3000t=1mmt=3mmt=5mm同一種屏蔽資料 ，不同厚度平均半徑遠(yuǎn)大于厚度時屏蔽效能隨內(nèi)半徑a變化的關(guān)系曲線 在大半徑、薄壁條件下：壁厚度比平均半徑對屏蔽效能的影響要大；同一厚度時，屏蔽空間的擴展將使屏蔽效能降低。但是，屏蔽效能降低的速率非常慢。2 低頻磁場的屏蔽低頻磁場的屏蔽 S l 圖 5-6 磁路與磁阻 mmmRU低頻100kHz以下磁場的屏蔽常用高磁導(dǎo)率的鐵磁資料如鐵、硅鋼片、坡膜合金等，其屏蔽原理是利用鐵磁資料的高磁導(dǎo)率對騷擾磁場進(jìn)展分路。 sbaSBlHd

18、dRm假設(shè)磁路橫截面是均勻的，且磁場也是均勻的 SlSBlHRm S l 圖 5-6 磁路與磁阻 Rm為磁路中兩點a、b間的磁阻 Um為磁路中兩點間的磁位差，m為經(jīng)過磁路的磁通量，即Smd SB采用高磁導(dǎo)率資料對低頻磁場進(jìn)展磁屏蔽，主要靠屏蔽體的高磁導(dǎo)率對騷擾磁場的分路作用來到達(dá)磁屏蔽的目的。1. 矩形截面屏蔽盒的低頻磁屏蔽效能矩形截面屏蔽盒的低頻磁屏蔽效能 H0 t a b Ht HS 導(dǎo)磁材料的低頻磁場屏蔽作用 盒壁空氣絕大部分磁通經(jīng)盒壁經(jīng)過減少了磁場對盒內(nèi)空間的騷擾，到達(dá)低頻磁場屏蔽的目的。屏蔽盒：高磁導(dǎo)率資料3 低頻磁屏蔽效能的近似計算低頻磁屏蔽效能的近似計算式中、 分別為空氣的磁導(dǎo)率

19、及屏蔽資料的磁導(dǎo)率；HS、Ht分別為屏蔽盒壁中的磁場強度及屏蔽盒內(nèi)部空間的磁場強度。設(shè)在單位長度所構(gòu)成的a1內(nèi)0流入屏蔽盒體，s流經(jīng)盒壁t流經(jīng)盒壁內(nèi)的空間， H0 t a b Ht HS 導(dǎo)磁材料的低頻磁場屏蔽作用 ts0taHtHaHttsss2200000s且taHtHaHtss22000得：流經(jīng)屏蔽盒壁的磁阻 tbRsms/磁壓降為 bHRUsmssmstatbRmt2/20tbHRUtmttmt2mtmsUUtbHbHtS2流經(jīng)屏蔽盒內(nèi)部空間的磁阻磁壓降磁壓降與計算途徑無關(guān)btbHHtS2即 屏蔽效能為 ataabtbtHHst0000222ataabtbtHHSErt222lg20l

20、g200得：bt 2at 2btb2ata 2rs012lg20lg200atHHSErt又所以又得：taHtHaHtss22000又: 鐵磁材料 正確 不正確 （a） 鐵磁材料 正確 不正確 （b） 圖 低頻磁場屏蔽 v鐵磁資料的屏蔽不能用于高頻磁場屏蔽。由于高頻時鐵磁資料中的磁性損耗包括磁滯損耗和渦流損耗很大，導(dǎo)磁率明顯下降。v用鐵磁資料作的屏蔽罩，在垂直磁力線方向不應(yīng)開口或又縫隙。由于假設(shè)縫隙垂直于磁力線，那么會切斷磁力線，使磁阻增大，屏蔽效果變差。2. 圓柱形及球形殼體低頻磁屏蔽效能的近似計算圓柱形及球形殼體低頻磁屏蔽效能的近似計算 2baretre12lg20errtSE2baret

21、re132lg20errtSE圓柱形磁屏蔽殼體的內(nèi)半徑a、外半徑b平均值為，且 ，騷擾磁場方向垂直圓柱形磁屏蔽殼體的軸向時，屏蔽效能當(dāng)球形磁屏蔽殼體的內(nèi)半徑a、外半徑b平均值為且(3) 磁屏蔽資料的頻率特性磁屏蔽資料的頻率特性151015坡莫合金坡莫合金 金屬金屬鎳鋼鎳鋼冷軋鋼冷軋鋼 0.01 0.1 1.0 10 100 kHzr 103磁屏蔽資料手冊上給出的導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)大多是直流情況下的，隨著頻率添加，導(dǎo)磁率會下降，普通直流磁導(dǎo)率越高，其隨著頻率下降越快。高導(dǎo)磁率資料通常運用在10kHz以下。鋼的相對磁導(dǎo)率鋼的相對磁導(dǎo)率 頻率頻率MHz r 0.0001 1000 0.001 1000 0.

22、01 1000 0.1 1000 1.0 700 10.0 500 100.0 100 1000.0 50(4) 磁導(dǎo)率隨場強的變化磁導(dǎo)率隨場強的變化磁通密度 B 磁場強度 H飽和起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率 = B / H在場強適中的部分，磁導(dǎo)率最高，這時屏蔽效能最高。在場強大或小時，磁導(dǎo)率都較低。當(dāng)場強超越飽和點時，磁導(dǎo)率迅速下降。(5) 屏蔽強磁場時的問題：屏蔽強磁場時的問題：高導(dǎo)磁率資料：飽和低導(dǎo)磁率資料：屏效不夠低導(dǎo)磁率資料低導(dǎo)磁率資料高導(dǎo)磁率資料當(dāng)要屏蔽的磁場很強時，需求運用導(dǎo)磁率較高的資料，但這種資料容易飽和。假設(shè)用比較不容易飽和的資料，往往由于 =較低，屏蔽性能又達(dá)不到要求。處理方法：

23、處理方法：采用雙層屏蔽可以處理這個問題。先用導(dǎo)磁率較低，采用雙層屏蔽可以處理這個問題。先用導(dǎo)磁率較低，但不容易飽和的資料將磁場強度衰減到較低的程度，但不容易飽和的資料將磁場強度衰減到較低的程度，然后用高導(dǎo)磁率資料提供足夠的屏蔽。多層屏蔽的屏然后用高導(dǎo)磁率資料提供足夠的屏蔽。多層屏蔽的屏蔽效能要比單層屏蔽即使沒有飽和的屏蔽效能高，蔽效能要比單層屏蔽即使沒有飽和的屏蔽效能高，由于多了兩層反射界面。由于多了兩層反射界面。加工的影響加工的影響2040608010010 100 1k 10k跌落前跌落后對高導(dǎo)磁率資料進(jìn)展機械加工， 如焊接、折彎、打孔、剪切、敲打等，都會降低高導(dǎo)磁率資料的磁導(dǎo)率。工件遭到

24、機械沖擊也會降低磁導(dǎo)率。從而影響屏蔽體的屏蔽效能。處理方法：處理方法：按照資料按照資料消費廠商消費廠商的要求進(jìn)的要求進(jìn)展熱處置。展熱處置。4高頻磁場的屏蔽高頻磁場的屏蔽 高頻磁場的屏蔽采用的是低電阻率的良導(dǎo)體資料，如銅、鋁等。其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)景象在屏蔽體外表所產(chǎn)生的渦流的反磁場來到達(dá)屏蔽的目的 高頻磁場 金屬板 反磁場 渦流 圖 5-8 渦流效應(yīng) 良導(dǎo)體材料 正確 不正確 （a） 良導(dǎo)體材料 正確 不正確 良導(dǎo)體材料 正確 不正確 （b） 圖 5-9 高頻磁場屏蔽 由于良導(dǎo)體金屬資料對高頻磁場的屏蔽作用是利用感應(yīng)渦流的反磁場排斥原騷擾磁場而到達(dá)屏蔽的目的，所以屏蔽盒上產(chǎn)生渦流的大小直接影響屏蔽效果 把屏蔽盒看成是一匝的線圈，I為線圈的電流，M為屏蔽盒與線圈之間的互感， 、 為屏蔽盒的電阻與電感， 為屏蔽盒上產(chǎn)生的渦流。 srsLsIILjrMjISsS討論 :(1) 頻率頻率高時， 。SsLrsr可忽略不計，那么有闡明： a. 在高頻情況下，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場已足以排斥原騷擾磁場，從而起到了磁屏蔽作用，所以導(dǎo)電資料適于高頻磁場屏蔽。b. 感應(yīng)渦流產(chǎn)生的反磁場任何時候都不能夠比感應(yīng)出這個渦流的那個原磁場還大，所以渦流隨頻率增大到一定程度后，頻率繼續(xù)升高渦流就不會再增大了。kniinnkiLLkIL