高速系統(tǒng)的屏蔽技術(shù)-g資料課件

屏蔽技術(shù)電磁屏蔽是抑制輻射干擾的最有效手段1屏蔽的基本理論2屏蔽效能3屏蔽性能的惡化4屏蔽材料5屏蔽加固措施

一、基本理論1.1、電磁波的形成

當(dāng)導(dǎo)線有振蕩電流時(shí),它的周圍就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)的周圍又會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這種不斷交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)向周圍空間傳播形成了電磁波。電磁波就是在空間傳播的電磁場(chǎng)。他們的電場(chǎng)和磁場(chǎng)永遠(yuǎn)垂直，又都垂直于電磁波的傳播方向，所以電磁波是一種橫波。屏蔽就是抑制電磁場(chǎng)對(duì)受害者的危害。1.2、輻射源在球坐標(biāo)的感應(yīng)點(diǎn)或面

1.3、電磁場(chǎng)的特性和波阻抗

近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)

波阻抗的定義：1、r=λ/2π(約1/6波長(zhǎng))時(shí)，定義為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間的邊界。2、r＞＞λ/2π時(shí)、定義為遠(yuǎn)場(chǎng)。波阻抗

Z0=Eθ/Hφ=377Ω。3、r＜＜λ/2π時(shí)、定義為近場(chǎng)。1.4、輻射源阻抗

＜＜λ1、高阻抗－電場(chǎng),波阻抗Zw=Eθ/Hφ=Z0(λ/2πr)2、低阻抗－磁場(chǎng),波阻抗Zw=Eθ/Hφ=Z0/(λ/2πr)3、自由空間－波阻抗Zw=Eθ/Hφ=120π=377Ω1.5、波阻抗隨距離的變化關(guān)系1.6均質(zhì)金屬材料阻抗Zm1.6、均質(zhì)金屬材料阻抗Zm二、屏蔽效能屏蔽體對(duì)入射平面波的屏蔽過(guò)程2.1、反射損耗

反射是由于空氣和金屬界面阻抗不匹配引起的。K>>1近場(chǎng)－高阻抗近場(chǎng)－低阻抗

遠(yuǎn)場(chǎng)其中公共項(xiàng)是特征反射損耗項(xiàng)。所以非磁性材料比磁性材料反射損耗大。2.2、吸收損耗

K>>1吸收損耗是由金屬材料中的電阻損耗引起并轉(zhuǎn)化為熱能。其中公共項(xiàng)是特征吸收損耗項(xiàng)吸收損耗與呈線性關(guān)系。所以磁性材料比非磁性材料的吸收損耗大。2.3、再反射損耗K>>1

2.2.5低頻磁屏蔽效能非磁性材料低頻磁屏蔽效能很差2.4、屏蔽效能及其曲線屏蔽效能與四個(gè)參數(shù)有關(guān)：源至屏蔽體距離r；場(chǎng)的類型；屏蔽材料性能，；屏蔽材料厚度t。近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽效能遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能近場(chǎng)磁場(chǎng)屏蔽效能。吸收損耗區(qū)始發(fā)于屏蔽材料厚度一個(gè)趨膚深度處。r=1m(>>),在48MHz拐角處近場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能逼近遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能。要特別注意的是：屏蔽效能較低約40dB時(shí)，理論和實(shí)際很接近；40～100dB時(shí)，理論和實(shí)際從好到壞一般實(shí)際值低于理論值；>100dB以上，理論和實(shí)際的對(duì)應(yīng)關(guān)系很差。對(duì)應(yīng)關(guān)系取決材料偏離均質(zhì)程度、頻率和泄漏補(bǔ)救程度。對(duì)磁性材料，所有公式只適用額定磁導(dǎo)率的情況。磁導(dǎo)率隨頻率變化當(dāng)幾千赫至1兆赫以上時(shí)趨于1。（r=1米）銅材屏蔽效能與頻率的關(guān)系三、屏蔽效能的惡化

前面基礎(chǔ)部分是建立在均質(zhì)材料基礎(chǔ)上的

而實(shí)際屏蔽是由于：接縫、門、蓋板、孔洞、非均質(zhì)表面引起的泄漏效應(yīng)；金屬突然轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)的場(chǎng)的增強(qiáng)（駐波）；機(jī)殼中局部起微波腔體作用，其諧振效應(yīng)使局部屏蔽效能變差。等效屏蔽效能為：為了計(jì)算泄漏效應(yīng)引起屏蔽效能的下降將屏蔽效能和泄漏效應(yīng)合成為：式中：對(duì)數(shù)四、提高屏蔽效能的關(guān)鍵在于控制泄漏4.1孔洞的屏蔽效能

實(shí)際設(shè)備機(jī)箱的屏蔽受到各種孔洞的破壞，如必須為電源線、按鍵、控制軸、冷卻等開孔時(shí)，應(yīng)考慮孔洞造成的屏蔽泄漏。計(jì)算單、多孔引起屏蔽惡化的公式為：

式中：K：是各項(xiàng)修正量。1、吸收損耗A：電磁場(chǎng)在通過(guò)波導(dǎo)和孔洞時(shí)受到衰減。對(duì)于圓孔AC=32L/D

對(duì)于矩形孔Ar=27.3L/W

式中：

L=孔的長(zhǎng)度；D=圓的直徑；W=矩形孔的最大寬度2、反射損耗R：反射損耗取邊界上阻抗的不匹配。

R=20Log10(J/4+1/2+1/4J)

式中：

J=ZA/ZW孔的特性阻抗與入射波特性阻抗之比

K1=-10Log10

an5低頻場(chǎng)穿透的修正因數(shù)K2：

6孔間耦合K3K3

=20Log10[1/tanh(A/8.686)]場(chǎng)穿透的修正低頻因數(shù)K2：

3、反射修正量B：當(dāng)吸收損耗<10dB時(shí)采用4、多孔修正量K1：由孔的總數(shù)引起總屏蔽效能的惡化

K1=-10Log10an式中：a=全部孔的面積n=每平方面積上的孔數(shù)是5、低頻場(chǎng)穿透的修正因數(shù)K2：低頻時(shí)金屬的趨膚深度大，K2是計(jì)算低頻場(chǎng)穿透的經(jīng)驗(yàn)公式式中：d=孔的直徑，采用絲網(wǎng)時(shí)用CW代替d2(CW=孔與孔之間的導(dǎo)體寬度）6、孔間耦合K3：孔間相互耦合相當(dāng)于增加整個(gè)孔結(jié)構(gòu)的阻抗，使總屏蔽效能的增加式中：A是吸收損耗五、屏蔽加固措施

通常采用上述辦法列出清單計(jì)算屏蔽效能，然后采取最壞情況。5.1、接縫和接頭配合構(gòu)件在界面上的屏蔽完整性損失是屏蔽效能受損的主要原因。當(dāng)屏蔽構(gòu)件是由螺釘、鉚釘、點(diǎn)焊等直接連接時(shí)，就得到物理非均質(zhì)的界面接合。這時(shí)界面連接是不連續(xù)的，而且在連接的構(gòu)件之間產(chǎn)生彎曲或波紋效應(yīng)，會(huì)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生窄縫或間隙，在窄縫或間隙的尺寸逼近0.01λ的頻率下，將導(dǎo)致輻射或穿透。假設(shè)上述間隙的衰減AdB遵循波導(dǎo)過(guò)度準(zhǔn)則，則：

式中：L=搭接構(gòu)件的間隙深度或接構(gòu)件的材料厚度，吋

fc=間隙截止頻率對(duì)于矩形間隙：fc=5900/g；對(duì)于圓形間隙：fc=6920/gfMHz=工作頻率

g=間隙最大橫向尺寸，吋當(dāng)＞＞時(shí)對(duì)于矩形間隙：

對(duì)于圓形間隙：

圖5.1表示對(duì)于所指出的參數(shù)，接頭的屏蔽效能是螺釘間距的函數(shù)。同時(shí)要注意若應(yīng)用典型的電磁干擾網(wǎng)狀襯墊會(huì)獲得很大改善。圖2.13表示對(duì)于所指出的參數(shù)，接頭的屏蔽效能是螺釘間距的函數(shù)。同時(shí)要注意若應(yīng)用典型的電磁干擾網(wǎng)狀襯墊會(huì)獲得很大改善。

圖5.2表示這種方法中的一些。在構(gòu)件不必拆卸或分離的場(chǎng)合最好是沿配合表面四周進(jìn)行連續(xù)縫焊。這種焊接要求不高只要它是連續(xù)的，無(wú)焊接氣孔就行。圖5.3所示的一種替換技術(shù)是搭接接縫。在卷邊之前必須從配合的表面上清除掉全部非導(dǎo)電材料（例如油漆、銹斑、涂復(fù)等)。必須在足夠的壓力下進(jìn)行卷邊，以保證全部配合表面之間的可靠接觸。圖5.3

圖5.25.2、通風(fēng)孔-1

大部分屏蔽外殼或機(jī)殼需要對(duì)流冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷。但開孔將損害屏蔽基材的完整性，所以必須安裝適當(dāng)?shù)碾姶欧雷o(hù)罩。電磁防護(hù)罩要提供相當(dāng)大的射頻衰減而又不顯著妨礙機(jī)械的空氣流動(dòng)?？赡艿姆椒ㄓ袃煞N：絲網(wǎng)罩和蜂窩孔罩。絲網(wǎng)罩是解決此問題的廉價(jià)方法，但屏蔽效能有限且傾向于破壞平滑的空氣流，從而降低了冷卻系統(tǒng)的效率。所以，通常使用蜂窩罩材料，因?yàn)樗饶芴峁┹^高的屏蔽效能，又能維持流線型的空氣流動(dòng)從而提高了冷卻系統(tǒng)的效率。這是降低冷卻系統(tǒng)功率所需要的。圖5.4典型蜂窩結(jié)構(gòu)圖5.5蜂窩罩典型屏蔽效能

通風(fēng)孔-2典型蜂窩結(jié)構(gòu)中，六角形元素（“六角蜂房”）是利用波導(dǎo)過(guò)度截止的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽效能要求的。但是對(duì)蜂窩而言，在充分低于截止頻率時(shí)，其屏蔽效能會(huì)因板內(nèi)波導(dǎo)元件的總數(shù)N而減小，因從每個(gè)六角蜂房透出的場(chǎng)會(huì)彼此相參合并。因此對(duì)蜂窩通風(fēng)罩而言，屏蔽效能可近似表示為當(dāng)通風(fēng)蓋板用于對(duì)流冷卻時(shí)，一般做法常是在板上打許多孔而不是用蜂窩或絲網(wǎng)?？资怯们懈钌w板的模具在板上沖出。對(duì)于這種情況，屏蔽效果AdB是：式中：對(duì)于方孔：k=27；對(duì)于圓孔：k=32L=蓋板厚度，吋（或厘米）g=方孔寬度或圓孔直徑，吋（或厘米）。C=孔的中心距，吋（或厘米）D=方孔邊長(zhǎng)或圓孔直徑，吋（或厘米）。5.3、觀察孔-1觀察孔是包括在屏蔽機(jī)殼上或殼體內(nèi)的儀表板、數(shù)字顯示器、示波器及其它類型的狀態(tài)監(jiān)視器或讀出顯示的需要。觀察孔同樣損害屏蔽基材的完整性，它的加固措施是由夾層迭絲網(wǎng)窗或?qū)щ姽鈱W(xué)基片實(shí)現(xiàn)的。（1）絲網(wǎng)窗必須使用的屏蔽窗是用來(lái)防止射頻穿透。絲網(wǎng)構(gòu)造有兩種（a）類似于屏蔽室或普通窗戶用的窗紗，其中各絲網(wǎng)元件或線股在交叉接點(diǎn)上被焊接在一起；（b）由夾在兩層聚丙烯或玻璃之間的編織細(xì)金屬絲壓制而成。絲網(wǎng)的特點(diǎn)是金屬厚度對(duì)空氣隙面積之比約為0.05。空氣隙間距g可從0.51毫米變到約5.1厘米。近似描述遠(yuǎn)場(chǎng)中絲網(wǎng)類性能的屏蔽效能模型是：絲網(wǎng)的屏蔽效能在沒有顯著的吸收損耗的情況下，主要由反射損耗獲得。對(duì)于米制單位使用下列關(guān)系式：對(duì)于gcm<15000/fMHz

對(duì)于gcm≥15000/fMHz觀察孔-2圖5.6表示，絲網(wǎng)的屏蔽效能在1兆赫以下非常大。對(duì)于近場(chǎng)r＜λ/2π，電場(chǎng)的屏蔽效能會(huì)比圖5.6給出的值大，而對(duì)于近場(chǎng)的磁場(chǎng)則它會(huì)較小。

第二種絲網(wǎng)窗是由夾在兩層聚丙烯或玻璃之間的編織細(xì)絲金屬絲網(wǎng)壓制而成。，金屬絲可以是鉬絲，典型規(guī)格為直徑0.05毫米。這相當(dāng)于低遮擋面積（15-20%的遮蔽給出良好的可見度）。典型的屏蔽效能示于圖5.7。這種方法因不大美觀不如導(dǎo)電光學(xué)基片來(lái)得流行。

圖5.6

圖5.7觀察孔-3（2）導(dǎo)電光學(xué)基片窗可用來(lái)對(duì)需要進(jìn)行光學(xué)觀察或其它光傳輸?shù)目锥刺峁┢帘芜@種方法涉及到使用導(dǎo)電窗，一種將金屬薄膜真空沉積在光學(xué)基片上的技術(shù)。它是按用途建立起的幾個(gè)或全部六個(gè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)得出的，這六個(gè)參數(shù)是：窗的材料、導(dǎo)電涂復(fù)、光學(xué)鍍膜與拋光、刻線要求、電磁干擾襯墊、框架與固定。大部分塑料與玻璃的光學(xué)儀表板材料適合作涂敷導(dǎo)電金屬膜的基片。導(dǎo)電涂敷能應(yīng)用于幾乎所有的固體基片上，它能導(dǎo)電以后，用作電磁干擾屏蔽、開關(guān)元件、濾波器或其它有源的低載流器件圖5.8圖5.95.4、控制軸的孔-1

損害設(shè)備外殼或儀表板屏蔽完整性的另一類孔洞是由電位器、調(diào)諧度盤和控制元件的軸造成的。外部的金屬前面板或機(jī)殼，通常是按照對(duì)控制軸有足夠的間隙公差來(lái)進(jìn)行鉆孔或穿孔的，因而造成有泄漏的孔洞。面板孔的孔壁成為位于其中控制軸（即內(nèi)導(dǎo)體）的同軸外導(dǎo)體。換句話說(shuō)，潛在的電磁干擾可通過(guò)這種實(shí)際的短同軸線進(jìn)出，而伸出面板的軸則起到接收或輻射天線的作用。為了維護(hù)有泄漏控制軸的屏蔽完整性，使屏蔽效能惡化減到最小的一種方法，是設(shè)計(jì)一個(gè)起圓形過(guò)度截止波導(dǎo)衰減器作用的支持襯套延伸器（參見方程式65與67）。對(duì)于圓波導(dǎo)的100dB衰減，波導(dǎo)長(zhǎng)度（L）必須比其直徑的三倍略多一點(diǎn),即方程式（67）中L/g>3.圖5.10表示金屬管搭接到含有間隙的控制軸孔的壁面時(shí)所允許的用法。在實(shí)現(xiàn)前述情況時(shí)，若不考慮控制軸性能和附加金屬管的關(guān)系，則對(duì)于典型的金屬軸可能得不到什么改善。為了消除這種情況，可使用以下的兩種技術(shù)之一：（1）如圖5.10所示用非導(dǎo)電軸代替金屬控制軸；（2）在軸和管之間使用圓柱面的電磁干擾襯墊。后一方法無(wú)需改變現(xiàn)有控制軸?？刂戚S的孔-2

圖2.22用圓波導(dǎo)管控制通過(guò)永久性孔洞的控制軸的電磁干擾泄漏

控制軸的孔-2圖5.10用圓波導(dǎo)管控制通過(guò)孔洞的控制軸所造成的電磁干擾泄漏5.5、指示器按鍵和燈

有些儀器或設(shè)備需要使用按鍵、狀態(tài)指示燈按鍵和指示燈。由于需要在前面板或外殼上開孔，這些元件也會(huì)使屏蔽的完整性受到損害。有兩種技術(shù)可用來(lái)減輕通過(guò)這類器件的電磁干擾泄漏：當(dāng)它們?nèi)鐖D5.11所示安裝時(shí)，要將它們封裝在前面板后面的屏蔽盒里。穿心電容器或插針濾波連接器被用作從屏蔽盒外到按鍵或指示燈的硬連線，因?yàn)樵谄帘误w的任一邊都可能存在傳導(dǎo)電磁干擾。

圖5.11

5.6、電磁兼容襯墊-1

當(dāng)損耗不是由永久固定方法而是由接縫與接合面產(chǎn)生時(shí)，襯墊是用來(lái)恢復(fù)原屏蔽完整性的極重要技術(shù)。為了便于討論和比較，電磁干擾襯墊被分成下列幾種：（1）編織絲網(wǎng)；（2）定向埋置金屬絲；（3）導(dǎo)電塑料與導(dǎo)電橡膠；（4）梳形簧片；（5）壓敏背襯泡沫箔。后兩種與前三種不同，工作原理也不大相同。1、編織絲網(wǎng)襯墊它們由導(dǎo)電金屬絲編織而成，有些像電纜外套。幾乎所有能以細(xì)絲形式生產(chǎn)的金屬都可以加工這種電磁干擾襯墊。使用的典型材料有：鋁，鍍銀黃銅及鍍錫的包銅鋼。這種襯墊可采用空氣芯或?yàn)楂@最大彈性而使用泡沫氯丁橡膠或硅酮芯子。截面可以使圓形、矩形或園形帶安裝凸緣。它們通常應(yīng)用于截面在0.063～0.75吋之間、周邊大于4吋的屏蔽接合面。2、定向埋置金屬絲它們由無(wú)數(shù)橫向?qū)щ姷慕饘偌?xì)絲并聯(lián)制成，所以跨接在襯墊界面的并聯(lián)阻抗很小。每根卷繞的金屬絲彼此絕緣，其密度約為每平方吋100根金屬絲。使用的典型材料是蒙乃爾合金或鋁絲，它們埋入實(shí)心硅酮制成硬襯墊或泡沫硅酮制成軟襯墊的彈性體中。這種襯墊可同時(shí)提供電磁干擾和壓力密封，埋入的金屬絲在兩側(cè)都上凸幾密爾，以突破構(gòu)件的配合表面上殘存的油脂膜和氧化物。截面有效范圍從而0.125×0.125吋到0.625×0.625吋，并可制成任何長(zhǎng)度。電磁兼容襯墊-2

3、導(dǎo)電塑料與導(dǎo)電橡膠襯墊它們常常由無(wú)數(shù)細(xì)小銀珠或鍍銀黃銅珠埋置在硅酮橡膠或乙烯基彈膠體的粘結(jié)載體中制成，襯墊同時(shí)提供電磁干擾和氣密密封。這種襯墊提供0.001～0.01歐-米的體電阻率，并在很寬的溫