第四章屏蔽技術(shù)

第四章屏蔽技術(shù)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

第四章

屏蔽技術(shù)董積平第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日

屏蔽的含義

屏蔽是用導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧蠈⒛骋粎^(qū)域隔離，使其內(nèi)部的輻射電磁場不能越出這一區(qū)域，外面的輻射電磁場不能進(jìn)入這一區(qū)域（或受到很大的衰減）。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。因?yàn)槠帘误w對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。按照屏蔽作用原理，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁場屏蔽。這些作用與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流及極化現(xiàn)象密切相關(guān)。第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日屏蔽體材料選擇的原則：（1）當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日

電場屏蔽

包括靜電屏蔽和交變電場（高阻抗電場源的近場）的屏蔽。

1.靜電屏蔽導(dǎo)體在靜電場中處于靜電平衡時，有下列性質(zhì)：（1）導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)的電場為零；（2）導(dǎo)體表面上任何一點(diǎn)的電場方向與該點(diǎn)的導(dǎo)體表面垂直；（3）整個導(dǎo)體是一個等位體；（4）導(dǎo)體內(nèi)部沒有靜電荷時，電荷只分布在導(dǎo)體的表面上。

即使其內(nèi)部存在空腔的導(dǎo)體，在靜電場中也有上述性質(zhì)。因此，如果把有空腔的導(dǎo)體引入電場，由于導(dǎo)體的內(nèi)表面無靜電荷，空腔中也無電場，外電場對空腔沒有影響。如果把導(dǎo)體接地，即使空腔內(nèi)有帶電體產(chǎn)生的電場，在腔體外也無電場。第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日孤立導(dǎo)體球第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日靜電放電第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日導(dǎo)體球殼第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日導(dǎo)體球殼內(nèi)部有帶電體第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日導(dǎo)體球殼內(nèi)部有帶電體外殼接地第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日殼體對外場的屏蔽，由于一般來說殼體不可能完全封閉，所以殼體仍需接地，防止靜電耦合引起的干擾。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.交變電場的屏蔽對于交變電場的屏蔽原理，采用電路理論比較方便。干擾源與感受器之間的電場感應(yīng)可以用分布電容來進(jìn)行描述。干擾源與感受器之間的分布電容越大，則干擾越大。為了減小干擾，應(yīng)盡量使干擾源與感受器遠(yuǎn)離，當(dāng)無法滿足要求時，則需屏蔽。屏蔽體必須選用導(dǎo)電性能好的材料，而且必須良好接地。一般來說，接地阻抗小于2mΩ

，比較嚴(yán)格的情況小要求接地阻抗小于0.5mΩ

。若屏蔽體不接地或接地不良，將導(dǎo)致干擾變得更大。如在變壓器兩個繞組之間加導(dǎo)體屏蔽板，以減小分布電容耦合干擾。第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日

磁場屏蔽包括靜磁、低頻（100KHz以下）和高頻磁屏蔽（低阻抗磁場源近區(qū)感應(yīng)磁場的屏蔽）。低頻磁場屏蔽的機(jī)理主要是依賴高磁導(dǎo)率材料（鐵、硅鋼片、坡莫合金等）所具有的低磁阻起磁分路作用，也就是由磁屏蔽體為磁場提供一條低磁阻通路，使屏蔽體內(nèi)部空間的磁場大大減小。其屏效遠(yuǎn)不如電場屏蔽和電磁場屏蔽。在工程上抑制低頻磁場干擾是一個十分棘手的問題。

磁場屏蔽第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日高導(dǎo)磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0RsSE=1+R0/RS第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日鐵磁材料正確不正確在垂直于磁力線的方向上不應(yīng)該有開口或縫隙，這樣會切割磁力線，使磁阻加大，影響磁屏蔽效果。第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日

應(yīng)該說明的是，鐵磁材料的屏蔽不能用于高頻磁場的屏蔽。高頻時鐵磁材料的磁損耗很大（包括磁滯損耗和渦流損耗），從而造成線圈的Q值下降等不利因素。而且高頻時鐵磁材料的導(dǎo)磁率明顯下降，其屏蔽效能也大大下降。151015坡莫合金金屬鎳鋼冷軋鋼0.010.11.010100kHzr103第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日

高頻磁場的屏蔽采用的是低電阻率的良導(dǎo)體材料，如銅、鋁等。其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽殼體表面產(chǎn)生的渦流的反磁場來抵消屏蔽體外的干擾磁場達(dá)到屏蔽的目的。如果將良導(dǎo)體屏蔽體接地，則它就同時具有電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的作用。頻率在500kHz～30MHz范圍內(nèi)，屏蔽材料可選用鋁，而當(dāng)頻率大于30MHz時，可可選用鋁、銅、銅鍍銀等。

高頻磁場的屏蔽第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日良導(dǎo)體材料正確不正確

屏蔽體上的開口或縫隙盡量不切斷電流，影響磁屏蔽效果。第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日磁導(dǎo)率隨場強(qiáng)的變化磁通密度B磁場強(qiáng)度H飽和起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率=B/H第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日強(qiáng)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)磁率材料高導(dǎo)磁率材料第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日怎樣屏蔽低頻磁場？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)電材料第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日高導(dǎo)磁率材料使用場合：當(dāng)干擾電磁波是頻率為1kHz以下的磁場時，要使用高導(dǎo)磁率材料來進(jìn)行屏蔽。例如CRT顯示器的圖象在外界磁場的作用下發(fā)生抖動或顏色失真時，就需要對顯示管或整個顯示器進(jìn)行屏蔽。馬達(dá)或變壓器產(chǎn)生的低頻磁場對周圍電路產(chǎn)生影響，就需要將馬達(dá)或變壓器屏蔽起來。使用時應(yīng)注意的問題：首先加工會降低高導(dǎo)磁率材料的導(dǎo)磁率，導(dǎo)致屏蔽效能下降；因此屏蔽體加工后要進(jìn)行熱處理，恢復(fù)導(dǎo)磁率，并且在安裝、搬運(yùn)屏蔽體時要避免敲擊、振動等操作。另外，高導(dǎo)磁率材料的焊接要使用母料做填充料，以保證焊縫的導(dǎo)磁率。屏蔽體越小，屏蔽效能越高。因此在容積足夠的前提下，屏蔽體的體積要盡量小。第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日

電磁屏蔽與電場、磁場屏蔽不同。電磁屏蔽是用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施，電磁場在通過金屬或?qū)﹄姶艌鲇兴p作用的阻擋層時，會受到一定程度的衰減，既產(chǎn)生屏蔽作用。其機(jī)理是電磁波在穿過屏蔽體時能量有了損耗，這種損耗可以分為兩部分：反射損耗和吸收損耗。反射損耗是當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時，就會發(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。吸收損耗是電磁波在屏蔽材料中傳播時，會有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電磁能量損失，損失的這部分能量稱為屏蔽材料的吸收損耗。

電磁屏蔽第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

導(dǎo)電媒質(zhì)中電磁波的衰減，隨著頻率、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率的增大而增大。在良導(dǎo)體中電磁波只存在于表面。集膚深度：

集膚效應(yīng)第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日電磁屏蔽屏蔽前的場強(qiáng)E1屏蔽后的場強(qiáng)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=20lg(E1/E2

)dB第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日屏蔽效能

原始場強(qiáng)

屏蔽后場強(qiáng)

衰減量20dB10．190%40dB10．0199%60dB10．00199．9%80dB10．000199．99%100dB10．0000199．999%120dB10．00000199．9999%屏蔽效能與衰減量的關(guān)系

第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算入射波場強(qiáng)距離吸收損耗AR1R2SE＝R1＋R2＋A＋B，R1，R2代表兩個表面的反射損耗，A代表屏蔽體的吸收損耗，B代表多次反射損耗，A越大，B越小。B第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

對與電磁波大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實(shí)際工程中，要達(dá)到８０dB以上的屏蔽效能是十分困難的。因?yàn)槠帘误w的屏蔽效能不僅取決于構(gòu)成屏蔽體的材料，而且取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽體要滿足電磁屏蔽的兩個基本原則:1.屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性：指的是整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來十分困難。因?yàn)橐粋€完全封閉的屏蔽體是沒有任何實(shí)用價(jià)值的。一個機(jī)箱上會有很多如顯示窗、通風(fēng)口、不同部分結(jié)合的縫隙等。由于這些導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素存在，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體：一個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，其屏蔽效能就會損失99．9％(60dB)以上。但是，實(shí)際機(jī)箱上總是會有電纜穿出、穿入，至少會有一條電源電纜存在，如果沒有對這些電纜進(jìn)行妥善的處理(屏蔽和濾波)，這些電纜會極大的損壞屏蔽體。妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。(穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時比孔縫的危害更大)。

電磁屏蔽與接地?zé)o關(guān)：對于靜電場屏蔽，屏蔽體是必須接地的。但是對于電磁屏蔽，屏蔽體的屏蔽效能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。

第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日實(shí)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)旋鈕實(shí)際機(jī)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第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日A.孔縫的屏蔽措施

一般情況下，屏蔽機(jī)箱上不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸，只能在某些點(diǎn)接觸上，這構(gòu)成了一個孔洞陣列?？p隙是造成屏蔽機(jī)箱屏蔽效能降級的主要原因之一。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?？p隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高?？p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)于一個電阻，沒有接觸的點(diǎn)相當(dāng)于一個電容，整個縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)。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(jī)箱的屏蔽效能有時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。第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日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))、接觸面的材料(一般較軟的材料接觸電阻較小)、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力(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.解決縫隙泄漏的措施：

1)增加接觸面的重合面積，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)

第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日使用電磁密封襯墊處理縫隙電磁密封襯墊縫隙第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日電磁密封襯墊的種類

凡是有彈性且導(dǎo)電良好的材料都可以用做電磁密封襯墊。按照這個原理制造的電磁密封襯墊有:導(dǎo)電橡膠：在硅橡膠內(nèi)填充占總重量70～80％比例的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀鋁鍍銀玻璃球等。這種材料保留一部分硅橡膠良好彈性的特性，同時具有較好的導(dǎo)電性。金屬編織網(wǎng)：用鈹銅絲、蒙乃爾絲或不銹鋼絲編織成管狀長條，外形很像屏蔽電纜的屏蔽層。但它的編織方法與電纜屏蔽層不同，電纜屏蔽層是用多根線編成的，而這種屏蔽襯墊是由一根線織成的。打個形象的比喻，就像毛衣的袖子一樣。為了增強(qiáng)金屬網(wǎng)的彈性，有時在網(wǎng)管內(nèi)加入橡膠芯。指形簧片：鈹銅制成的簧片，具有很好的彈性和導(dǎo)電性。導(dǎo)電性和彈性。多重導(dǎo)電橡膠：由兩層橡膠構(gòu)成，內(nèi)層是普通硅橡膠，外層是導(dǎo)電橡膠。這種材料克服了傳統(tǒng)導(dǎo)電橡膠彈性差的缺點(diǎn)，使橡膠的彈性得以充分體現(xiàn)。它的原理有些像帶橡膠芯的金屬絲網(wǎng)條。第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日襯墊種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場合導(dǎo)電橡膠同時具有環(huán)境密封和電磁密封作用;高頻屏蔽效能高。需要的壓力大價(jià)格高需要環(huán)境密封和較高屏蔽效能的場合金屬絲網(wǎng)條成本低不易損壞高頻屏蔽效能低，不適合1GHz以上的場合。沒有環(huán)境密封作用。干擾頻率為1GHz以下的場合指形簧片屏蔽效能高允許滑動接觸形變范圍大價(jià)格高沒有環(huán)境密封作用有滑動接觸的場合；屏蔽性能要求較高的場合不同種類的電磁密封襯墊的特點(diǎn)第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日螺旋管屏蔽效能高價(jià)格低復(fù)合型能同時提供環(huán)境密封和電磁密封過量壓縮時容易損壞屏蔽性能要求高的場合有良好壓縮限位的場合；需要環(huán)境密封和很高屏蔽效能的場合。多重導(dǎo)電橡膠彈性好價(jià)格低可以提供環(huán)境密封。表層導(dǎo)電層較薄，在反復(fù)磨擦的場合容易脫落。需要環(huán)境密封和一般屏蔽性能的場合；不能提供較大壓力的場合。導(dǎo)電布襯墊柔軟，需要壓力?。粌r(jià)格低濕熱環(huán)境中容易損壞。不能提供較大壓力的場合第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日

很小的發(fā)光器件，如發(fā)光二極管，只需要在面板上開很小的小孔，一般不會造成什么問題。如果有問題，可以在小孔上安裝一只截止波導(dǎo)管，用一個導(dǎo)光柱，也可以使用兩個饋通式濾波器，將發(fā)光器件直接安裝在屏蔽箱外。對于面積較大的發(fā)光器件，如液晶顯示板，可以采用以下兩種方法：A.在顯示窗前面使用透明屏蔽材料。透明屏蔽材料有兩種，一種是金屬網(wǎng)夾在兩層玻璃之間構(gòu)成的，另一種是在玻璃或透明塑料膜上鍍上一層很薄的導(dǎo)電層構(gòu)成的。前一種材料的優(yōu)點(diǎn)是屏蔽效能高，缺點(diǎn)是由于，莫爾條紋造成的視覺不適。后一種材料則正好相反。透明屏蔽材料安裝注意事項(xiàng)：首先，透明屏蔽材料與屏蔽體基體之間實(shí)現(xiàn)良好搭接，減小縫隙的泄漏。使用導(dǎo)電突涂覆層屏蔽材料時，導(dǎo)電層不能直接暴露在外面，防止檫傷。使用金屬絲網(wǎng)夾層的屏蔽材料時，如果出現(xiàn)條紋導(dǎo)致視覺不適，可以將金屬網(wǎng)旋轉(zhuǎn)一定角度（10°~30°），會有所改善。

B.顯示窗/器件的處理第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日B.用隔離艙將顯示器件與設(shè)備的其它電路隔離開，使內(nèi)部電路輻射的能量不會穿出機(jī)箱，外部的干擾不會侵入到內(nèi)部電路。隔離艙安裝注意事項(xiàng)：隔離艙與屏蔽體基體之間使用性能良好的電磁密封襯墊，導(dǎo)線經(jīng)過饋通式低通濾波器穿出。兩種方法的特點(diǎn)和適用場合：用透明屏蔽材料屏蔽的方法最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單，缺點(diǎn)是視覺效果、設(shè)備內(nèi)部有磁場輻射源或磁場敏感電路時不適合（透明屏蔽材料對磁場的屏蔽效能很低甚至沒有），成本較高；適合于顯示器件本身產(chǎn)生輻射或外界干擾敏感的場合。隔離艙的方法最大優(yōu)點(diǎn)是顯示器件的視覺效果幾乎不受影響、對磁場有較高的屏蔽效能，缺點(diǎn)是如果顯示器件本身產(chǎn)生電磁輻射或?qū)ν饨绺蓴_敏感，則沒有效果；適合于顯示器件本身不產(chǎn)生干擾或?qū)ν饨珉姶鸥蓴_敏感的場合。如果顯示器件會產(chǎn)生輻射，并且機(jī)箱內(nèi)有電磁輻射源，可以將兩個方法結(jié)合起來。

第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日C.通風(fēng)口的處理穿孔金屬板截止波導(dǎo)通風(fēng)板第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

孔洞的電磁泄漏與孔洞的最大尺寸有關(guān)，因此，在屏蔽機(jī)箱的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)上，往往采用與一個大孔相同開口面積的多個小孔構(gòu)成的孔陣代替一個大孔。這樣做的好處有以下幾個：提高孔的截止頻率，提高了單個孔的屏蔽效能；增加輻射源到孔的相對距離（與孔的尺寸相比），減小孔的泄漏（孔的泄漏與輻射源到孔的距離有關(guān)）；如果穿孔板有一定的厚度，可以增加截止波導(dǎo)的衰減作用。當(dāng)屏蔽體的屏蔽效能要求不高，并且對通風(fēng)量的要求不高時，可以采用穿孔金屬板，穿孔金屬板的優(yōu)點(diǎn)是成本低。但屏蔽效能與通風(fēng)量之間的矛盾突出。

第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日金屬網(wǎng)：在通風(fēng)孔上安裝一塊金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)與屏蔽體之間要可靠的搭接，防止縫隙泄漏。金屬網(wǎng)的經(jīng)線和緯線之間要可靠搭接，否則屏蔽效能很低。截止波導(dǎo)板：如果對屏蔽效能和通風(fēng)量的要求都較高，可以使用截止波導(dǎo)通風(fēng)板。這種通風(fēng)板由許多六角形截止波導(dǎo)管構(gòu)成，由于截止波導(dǎo)管的屏蔽效能較高，并且每個波導(dǎo)管的壁厚很薄，因此這種通風(fēng)板兼有良好的通風(fēng)特性和電磁屏蔽特性。使用截止波導(dǎo)板時，同樣要注意與機(jī)箱基體之間的搭接，一般使用焊接或電磁密封襯墊連接。

第四十五頁，共五十一頁，