第4章(2)-電磁屏蔽技術(shù)

1、第4章（2） 電磁屏蔽技術(shù) 屏蔽材料的選擇 實際屏蔽體的設(shè)計電磁屏蔽屏蔽前的場強E1屏蔽后的場強E2對電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽,電磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB 電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一。電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一。 大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作，因此不需要對電路做任何修改。影響電路的正常工作，因此不需要對電路做任何修改。 屏蔽體

2、的有效性用屏蔽體的有效性用屏蔽效能屏蔽效能來度量。來度量。 屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強與有屏蔽屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強與有屏蔽時該位置的場強的比值，它表征了屏蔽體對電磁波的衰時該位置的場強的比值，它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度。如果屏蔽效能計算中使用的磁場，則稱為磁場減程度。如果屏蔽效能計算中使用的磁場，則稱為磁場屏蔽效能，如果計算中用的是電場，則稱為電場屏蔽效屏蔽效能，如果計算中用的是電場，則稱為電場屏蔽效能。能。由于屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一，因此通常用分貝來表述。下表是衰減量與屏蔽效能的對應(yīng)關(guān)系： 無屏蔽場強 ：有屏蔽場強 屏蔽

3、效能SE （dB） 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120 一般民用產(chǎn)品機箱的屏蔽效能在40dB以下，軍用設(shè)備機箱的屏蔽效能一般要達(dá)到60B，TEMPEST設(shè)備的屏蔽機箱的屏蔽效要達(dá)到設(shè)備的屏蔽機箱的屏蔽效要達(dá)到80dB以上以上。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。實心材料屏蔽效能的計算入射波場強距離吸收損耗AR1R2SE R1 R2 AB R ABB波阻抗的概念波阻抗電場為主電場為主 E 1/ r3 H 1 / r2磁場為主磁場為

4、主 H 1/ r3 E 1/ r2平面波平面波 E 1/ r H 1/ r377/ 2到觀測點距離 rE/H吸收損耗的計算t入射電磁波E0剩余電磁波E1E1 = E0e-t/ A 20 lg ( E0 / E1 ) = 20 lg ( e t / ) dB0.37E0 A 8.69 ( t / ) dBA = 3.34 t f rr dB趨膚深度舉例反射損耗 R 20 lgZW4 Zs反射損耗與波阻抗有關(guān)，波阻抗越高，則反射損耗越大。反射損耗與波阻抗有關(guān)，波阻抗越高，則反射損耗越大。ZS = 3.68 10-7 f r/r遠(yuǎn)場：377近場：取決于源的阻抗同一種材料的阻抗隨頻率變不同電磁波的反射

5、損耗遠(yuǎn)場: R 20 lg3774 Zs4500Zs = 屏蔽體阻抗， D = 屏蔽體到源的距離（m）f = 電磁波的頻率（MHz）2 D fD f Zs Zs電場: R 20 lg磁場: R 20 lgdB影響反射損耗的因素150 0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M平面波3 108 / 2rfR(dB)r = 30 m 電場r = 1 m靠近輻射源r = 30 m磁場 r = 1 m靠近輻射源綜合屏蔽效能 (0.5mm鋁板)150250平面波平面波00.1k 1k 10k 100k 1M 10M高頻時高頻時電磁波種類電磁波種類的影響很小的影響很小電場波電場波 r = 0

6、.5 m磁場波磁場波 r = 0.5 m屏蔽效能（dB）頻率多次反射修正因子的計算電磁波在屏蔽體內(nèi)多次反射，會引起附加的電磁泄漏電磁波在屏蔽體內(nèi)多次反射，會引起附加的電磁泄漏，因此要對前面的計算進(jìn)行修正。，因此要對前面的計算進(jìn)行修正。B = 20 lg ( 1 - e -2 t / )說明：說明： B為負(fù)值，其作用是減小屏蔽效能為負(fù)值，其作用是減小屏蔽效能 當(dāng)趨膚深度與屏蔽體的厚度相當(dāng)時，可以忽略當(dāng)趨膚深度與屏蔽體的厚度相當(dāng)時，可以忽略 對于電場波，可以忽略對于電場波，可以忽略說明一：說明一：對于電場波，由于大部分能量在金屬與空氣的第一個界面反射，進(jìn)入金屬的能量已經(jīng)很小，造成多次反射泄漏時，電

7、磁波在屏蔽材料內(nèi)已經(jīng)傳輸了三個厚度的距離，其幅度往往已經(jīng)小可以忽略的程度。說明二：說明二：對于磁場波，在第一個界面上，進(jìn)入屏蔽材料的磁場強度是入射磁場強度的2倍，因此多次反射造成的影響是必須考慮的。說明三：說明三：當(dāng)屏蔽材料的厚度較厚時，形成多次反射泄漏之前，電磁波在屏蔽材料內(nèi)傳輸三個厚度的距離，衰減已經(jīng)相當(dāng)大，多次反射泄漏也可以忽略。怎樣屏蔽低頻磁場？低頻磁場低頻磁場吸收損耗小反射損耗小高導(dǎo)電材料高導(dǎo)磁材料高導(dǎo)電材料n改善低頻磁場屏蔽效能的方法：改善低頻磁場屏蔽效能的方法：使用導(dǎo)磁率較高的材料，以增加吸收損耗。使用導(dǎo)磁率較高的材料，以增加吸收損耗。n理由：理由：對于磁場而言，反射損耗已經(jīng)很小

8、，主要是靠吸收損耗，吸收損耗的對于磁場而言，反射損耗已經(jīng)很小，主要是靠吸收損耗，吸收損耗的增加往往比反射損耗的減小幅度大，因此還是能夠改善屏蔽效能的。增加往往比反射損耗的減小幅度大，因此還是能夠改善屏蔽效能的。n改進(jìn)的方法：改進(jìn)的方法：為了能同時對電場和磁場有效的屏蔽，希望既能增加吸收損耗，為了能同時對電場和磁場有效的屏蔽，希望既能增加吸收損耗，又不損失反射損耗，又不損失反射損耗，可以在高導(dǎo)磁率材料的表面增加一層高導(dǎo)電率材料，增可以在高導(dǎo)磁率材料的表面增加一層高導(dǎo)電率材料，增加電場波在屏蔽材料與空氣界面上的反射損耗。加電場波在屏蔽材料與空氣界面上的反射損耗。高導(dǎo)磁率材料的磁旁路效果H0H1H0

9、RsR0H1R0RsSE = 1 + R0/RSH1 = 屏蔽體中心處的磁場強度，H0 = 屏蔽體外部的磁場強度，RS = 屏蔽體的磁阻，R0 = 空氣的磁阻n旁路作用的計算：旁路作用的計算：n 用電路模型來等效磁路：畫一個并聯(lián)電路圖，圖中并聯(lián)的兩個電阻分別代表屏蔽材料的磁阻和屏蔽體中空氣的磁阻。用計算并聯(lián)電路的方法可以如下關(guān)系式：n H1 = H0 RS / （RS + R0）n 式中： H1 = 屏蔽體中心處的磁場強度，H0 = 屏蔽體外部的磁場強度，RS = 屏蔽體的磁阻，R0 = 空氣的磁阻n根據(jù)屏蔽效能的定義：根據(jù)屏蔽效能的定義：n 屏蔽效能 = H0 / H1 =（RS + R0）

10、/ RS = 1 + R0 / RS n磁阻的計算：磁阻的計算： R = S /（ A ）n 式中： S = 屏蔽體中磁路的長度，n A = 屏蔽體中穿過磁力線的截面面積， = 0 r 。低頻磁場屏蔽產(chǎn)品磁屏蔽材料的頻率特性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 103n鋼的相對磁導(dǎo)率鋼的相對磁導(dǎo)率n 頻率（頻率（MHz） rn 0.0001 1000n 0.001 1000n 0.01 1000n 0.1 1000n 1.0 700n 10.0 500n 100.0 100n 1000.0 50磁導(dǎo)率隨場強的變化磁通密度

11、B 磁場強度 H飽和起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率 = B / Hn屏蔽強磁場時的問題：屏蔽強磁場時的問題：當(dāng)要屏蔽的磁場很強時，存在一對矛盾，即為了獲得較高的屏蔽性能，需要使用導(dǎo)磁率較高的材料，但這種材料容易飽和。如果用比較不容易飽和的材料，往往由于 =較低，屏蔽性能又達(dá)不到要求。n解決方法：解決方法： 采用雙層屏蔽可以解決這個問題。先用導(dǎo)磁率較低，但不容易飽和的材料將磁場強度衰減到較低的程度，然后用高導(dǎo)磁率材料提供足夠的屏蔽。 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，因為多了兩層反射界面。加工的影響2040608010010 100 1k 10k跌落前跌落后n加工的影響：加工的影

12、響：對高導(dǎo)磁率材料進(jìn)行機械加工， 如焊接、折彎、打孔、剪切、敲打等，都會降低高導(dǎo)磁率材料的磁導(dǎo)率。工件受到機械沖擊也會降低磁導(dǎo)率。從而影響屏蔽體的屏蔽效能。n解決方法：解決方法：按照材料生產(chǎn)廠商的要求進(jìn)行熱處理。高導(dǎo)磁率材料的一個共性就是在機械加工后磁導(dǎo)率會降低，從而導(dǎo)致屏蔽效能降低。因此，磁屏蔽部件加工完成后，一定要進(jìn)行熱處理，恢復(fù)磁性。強磁場的屏蔽高導(dǎo)磁率材料：飽和低導(dǎo)磁率材料：屏效不夠低導(dǎo)磁率材料低導(dǎo)磁率材料高導(dǎo)磁率材料n解決這個矛盾的方法是：解決這個矛盾的方法是：采用雙層屏蔽，先用不容采用雙層屏蔽，先用不容易發(fā)生飽和的磁導(dǎo)率較低的材料將磁場衰減到一定程易發(fā)生飽和的磁導(dǎo)率較低的材料將磁場

13、衰減到一定程度，然后用高導(dǎo)磁率材料將磁場衰減到滿足要求。度，然后用高導(dǎo)磁率材料將磁場衰減到滿足要求。良好電磁屏蔽的關(guān)鍵因素屏蔽體屏蔽體導(dǎo)電連續(xù)導(dǎo)電連續(xù)沒有穿過屏沒有穿過屏蔽體的導(dǎo)體蔽體的導(dǎo)體屏蔽效能高的屏蔽體屏蔽效能高的屏蔽體不要忘記：不要忘記：選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧夏阒绬幔号c屏蔽體接地與否無關(guān)保持屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性才是關(guān)鍵：保持屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性才是關(guān)鍵：電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。穿過屏蔽體的導(dǎo)體危害最大：穿過屏蔽體的導(dǎo)體危害最大：實際機箱屏蔽效能低的另一個主要原因是穿過屏蔽機箱的導(dǎo)體。實際屏蔽體的問題通風(fēng)口顯示窗鍵盤指示燈電纜插座調(diào)節(jié)

14、旋鈕實際機箱上有許多泄漏源：不同部分結(jié)合處的縫隙通風(fēng)口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等電源線縫隙遠(yuǎn)場區(qū)孔洞的屏蔽效能LLSE = 100 20lgL 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(L/H) = 0 dB 若若 L / 2Hn 對于一個厚度為0材料上的縫隙，近似計算公式如圖所示，式中各量如下：n L = 縫隙的長度（mm），H = 縫隙的寬度（mm），n f = 入射電磁波的頻率（MHz）。n 例：例：一個機箱上有顯示窗口6020mm，面板與機箱之間的縫隙3000.3mm，計算遠(yuǎn)場的屏蔽效能。n解：解：nSE顯示窗口 = 100 20 lg 60 20 lg f + 2

15、0lg（1 + 2.3lg (60 / 20) ) n = 64 - 20lg f + 6n = 70 - 20lg f n = 0 dB 在 f = 2500MHz時( L = / 2 )， nSE縫隙 = 100 20 lg 300 20 lg f + 20lg（1 + 2.3lg (300 / 0.3) ) n = 50 - 20lg f + 18n = 68 - 20lg f n = 0 dB 在 f = 500MHz時( L = / 2 ) ， 孔洞在近場區(qū)的屏蔽效能1、若、若ZC （7.9/Df）：（說明是電場源）：（說明是電場源）SE = 48 + 20lg ZC 20lg L

16、f + 20lg ( 1 + 2.3lg (L/H) )ZC = 輻射源電路的阻抗（輻射源電路的阻抗（ ），），D = 孔洞到輻射源的距離（孔洞到輻射源的距離（m），），L、H = 孔洞長、寬（孔洞長、寬（mm），），f = 電磁波的頻率（電磁波的頻率（MHz）孔洞在近場區(qū)的屏蔽效能2、若、若ZC （7.9/Df）：（說明是磁場源）：（說明是磁場源）SE = 20lg ( D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ) （注意：對于磁場源，屏效與頻率無關(guān)！）（注意：對于磁場源，屏效與頻率無關(guān)?。㈱C = 輻射源電路的阻抗（輻射源電路的阻抗（ ），），D = 孔洞到輻射源的距離（孔

17、洞到輻射源的距離（m），），L、H = 孔洞長、寬（孔洞長、寬（mm），），f = 電磁波的頻率（電磁波的頻率（MHz）縫隙的泄漏低頻起主要作用低頻起主要作用高頻起主要作用高頻起主要作用縫隙處的阻抗：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。低頻時，電阻分量起主要作用；高頻時，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率的升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機箱的屏蔽效能經(jīng)常隨著頻率的升高而增加。n影響電阻成分的因素：影響電阻成分的因素：n影響縫隙上電阻成分的因素主要有：接觸面積（接觸點數(shù)）、接觸面的材料（一般較軟的材料接觸電阻較?。?、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力（壓力要足以

18、使接觸點穿透金屬表層氧化層）、氧化腐蝕等。n影響電容成分的因素：影響電容成分的因素：n根據(jù)電容器的原理，很容易知道：兩個表面之間的距離越近，相對的面積越大，則電容越大?？p隙的處理：電磁密封襯墊縫隙n減小縫隙電磁泄漏的基本思路：減小縫隙的阻抗減小縫隙電磁泄漏的基本思路：減小縫隙的阻抗（增加導(dǎo)電接觸點、加大兩塊金屬板之間的重疊面積、減小縫隙的寬度）n方法方法1：使用機械加工的手段（如用銑床加工接觸表面）來增加接觸面的平整度。n缺點：缺點：加工成本高。n方法方法2：增加緊固件（螺釘、鉚釘）的密度，n缺點：缺點：僅適合永久性結(jié)合的場合。n方法方法3：使用電磁密封襯墊：使用電磁密封襯墊n原理：原理：電磁

19、密封襯墊是一種彈性的導(dǎo)電材料。如果在縫隙處安裝上連續(xù)的電磁密封襯墊，那么，對于電磁波而言，就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發(fā)生液體泄漏一樣，不會發(fā)生電磁波的泄漏。n缺點：缺點：增加額外的成本，但購買電磁密封襯墊的費用往往可以從產(chǎn)品的加工費用（使用密封墊后，對加工的精度要求往往降低），性能（可維性、外觀等）等方面得到補償。n電磁密封襯墊的靈活應(yīng)用：電磁密封襯墊的靈活應(yīng)用：n除非對屏蔽的要求非常高的場合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實踐中，可以根據(jù)對屏蔽效能的要求間隔地安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的介紹的公式計算。在樣機上精心地調(diào)整襯墊間隔，使既

20、能滿足屏蔽的要求，又使成本最低。對于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為/20 /100 之間。軍用產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。電磁密封襯墊的種類電磁密封襯墊的種類 金屬絲網(wǎng)襯墊金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的帶橡膠芯的和空心的)導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的不同導(dǎo)電填充物的)指形簧片指形簧片(不同表面涂覆層的不同表面涂覆層的)螺旋管襯墊螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的不銹鋼的和鍍錫鈹銅的)導(dǎo)電布導(dǎo)電布指形簧片螺旋管電磁密封襯墊電磁密封襯墊的主要參數(shù)電磁密封襯墊的主要參數(shù) 屏蔽效能屏蔽效能 (關(guān)系到總體屏蔽效能關(guān)系到總體屏蔽效能) 回彈力（關(guān)系到蓋板的剛度和螺釘間距）回彈力（關(guān)系到蓋板的剛度和螺釘間距

21、） 最小密封壓力（關(guān)系到最小壓縮量）最小密封壓力（關(guān)系到最小壓縮量）最大形變量（關(guān)系到最大壓縮量）最大形變量（關(guān)系到最大壓縮量） 壓縮永久形變（關(guān)系到允許蓋板開關(guān)次數(shù)）壓縮永久形變（關(guān)系到允許蓋板開關(guān)次數(shù)） 電化學(xué)相容性（關(guān)系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）電化學(xué)相容性（關(guān)系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）電磁密封襯墊的安裝方法電磁密封襯墊的安裝方法絕緣漆環(huán)境密封截止波導(dǎo)管-金屬管損耗頻率fc截止頻率頻率高的電磁波能通過波導(dǎo)管，頻率低的電磁波損耗很大！工作在截止區(qū)的波導(dǎo)管叫截止波導(dǎo)。截止區(qū)n金屬管對于電磁波，具有高頻容易通過、低頻衰減較大的特性。這與電路中的高通濾波器十分相象。與濾波器類似，波導(dǎo)管的頻率特性也可以用截

22、止頻率來描述，常用的波導(dǎo)管有矩形、圓形、六角形等，它們的截止頻率如下：n截止波導(dǎo)管：截止波導(dǎo)管：如果選擇適當(dāng)?shù)拈_口尺寸，使波導(dǎo)管相對于所感興趣的頻率處于截止區(qū)，這個波導(dǎo)管就稱為截止波導(dǎo)管。截止波導(dǎo)管對低于截止頻率以下的電磁波衰減很大。利用這個特性就可以實現(xiàn)電磁屏蔽和保持物理連通的雙重作用。n矩形波導(dǎo)管的截止頻率：矩形波導(dǎo)管的截止頻率：n fc = 15 fc = 15 109 109 / l / ln式中：l是矩形截止波導(dǎo)管的開口最大尺寸，單位是cm ， fc的單位Hz 。n圓形波導(dǎo)管的截止頻率：圓形波導(dǎo)管的截止頻率：n fc = 17.6 fc = 17.6 109 109 / d / dn

23、式中：d是圓形截止波導(dǎo)管的內(nèi)直徑，單位是cm， fc的單位Hz 。n六角形波導(dǎo)管的截止頻率：六角形波導(dǎo)管的截止頻率：n fc = 15 fc = 15 109 109 / W / Wn式中：W是六角形截止波導(dǎo)管的開口最大尺寸，單位是cm， fc的單位Hz 。截止波導(dǎo)管的屏效截止波導(dǎo)管 屏蔽效能=反射損耗：遠(yuǎn)場區(qū)計算公式近場區(qū)計算公式+吸收損耗圓形截止波導(dǎo)：32 t / d矩形截止波導(dǎo)：27.2 t / l孔洞計算屏蔽效能公式n截止波導(dǎo)管的吸收損耗：截止波導(dǎo)管的吸收損耗：當(dāng)電磁波穿過截止波導(dǎo)管時，會發(fā)生衰減，這種衰減稱為截止波導(dǎo)管的吸收損耗。截止波導(dǎo)管的吸收損耗計算公式如下：n SE =1.8 fc t 10