屏蔽效能的計(jì)算.ppt

抗干擾技術(shù)之屏蔽 濾波與保護(hù) EMC 電磁干擾源 電磁干擾的抑制方法 電磁干擾的主要抑制方法 屏蔽抑制輻射干擾 濾波抑制傳導(dǎo)干擾 接地最基本的干擾抑制方式 保護(hù)抑制能量型干擾 6 1屏蔽 屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁干擾沿空間的傳播 其實(shí)質(zhì)是將關(guān)鍵電路用屏蔽體包圍起來(lái) 是耦合到這個(gè)電路的電磁場(chǎng)通過(guò)反射和吸收被衰減 現(xiàn)場(chǎng)主要輻射源 無(wú)線電干擾射頻干擾移動(dòng)通訊干擾 900MHz 1 8GHz 雷達(dá)干擾交流干擾 小環(huán)天線與短單極天線的波阻抗Z與距離r的關(guān)系 6 1 1近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng) 電磁干擾沿空間的傳播是以電磁波的方式進(jìn)行的 可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng) 近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的判別條件為d 2 6 1 d為臨界距離 為輻射信號(hào)的波長(zhǎng) 例1如果屏蔽體局干擾源的距離d 1m 根據(jù)判別條件d 2 1m可求出相應(yīng)的臨界頻率f0 c 47 7MHz 那么此時(shí)對(duì)于頻率f f0的輻射可認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)平面波 而當(dāng)頻率f f0時(shí) 則可看作是近場(chǎng) 對(duì)于常見(jiàn)兩種天線 小環(huán)天線和短單極天線 兩者遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)分布特性是基本一致的 但其近場(chǎng)分布有較大的不同 小環(huán)天線 表現(xiàn)為低電壓 大電流 其輻射場(chǎng)主要為磁場(chǎng)短單極天線 表現(xiàn)為高電壓 小電流 其輻射場(chǎng)主要為電場(chǎng) 6 1 2屏蔽原理 上式中 E0H0為未屏蔽時(shí)測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng) E1H1為屏蔽后測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng) 金屬板的綜合屏蔽效能可表示為 SE A R B dB A 吸收損耗 R 反射損耗 B 多重反射修正因子 6 2 6 3 1 吸收系數(shù)A 2 反射系數(shù)R t 金屬板厚度 mm f 輻射頻率 r 金屬板相對(duì)導(dǎo)磁率 r 金屬板相對(duì)導(dǎo)電率 6 4 6 5 6 6 近場(chǎng) 遠(yuǎn)場(chǎng) 磁場(chǎng)屏蔽 電場(chǎng)屏蔽 可見(jiàn) 反射損耗主要取決于屏蔽體表面的導(dǎo)電率 例如金屬屏蔽體通常不宜取鋁材 因?yàn)闆](méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的鋁金屬表面極易氧化 使表面導(dǎo)電率下降 反射損耗降低 另外 不同的金屬表面處理也會(huì)對(duì)反射損耗產(chǎn)生不同的影響 高導(dǎo)電性鈍化處理不影響反射損耗 陽(yáng)極氧化處理 將增大金屬表面的電阻率 使反射損耗大幅度降低 絕緣涂層不會(huì)影響反射系數(shù) 含導(dǎo)電性顆粒的漆 對(duì)反射系數(shù)影響較大 式中 Z為空氣波阻抗 Zs為金屬波阻抗 3 多重反射修正因子B B為負(fù)值 將削弱屏蔽效能 當(dāng)A 10dB時(shí) 該修正因子可以忽略 Z 377 近場(chǎng)電場(chǎng) 近場(chǎng)磁場(chǎng) 遠(yuǎn)場(chǎng) 常用金屬屏蔽材料的 r和 r 銅 r 1 r 1 由于d 2 屬近場(chǎng)干擾 且干擾場(chǎng)強(qiáng)以磁場(chǎng)為主 例2設(shè)環(huán)狀輻射源頻率f 15kHz 在與輻射源相距50cm處有厚度t 0 5mm厚的鋁制屏蔽機(jī)箱 其屏蔽效能可作如下估計(jì) 所以 需考慮多重反射的影響 Z 0 06 Zs 5 8 10 5 B 2 3dB 故該屏蔽機(jī)箱的總屏蔽效能為SE A RH B 52 2dB 可見(jiàn) 在這種情況下 屏蔽是以吸收損耗為主的 6 1 3屏蔽的基本原則 近場(chǎng)電場(chǎng)輻射屏蔽的必要條件是采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體和接地 近場(chǎng)低頻磁場(chǎng)屏蔽可采用高導(dǎo)磁率材料進(jìn)行屏蔽或磁旁路 增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽 可提高屏蔽性能 屏蔽體不需接地 近場(chǎng)高頻磁場(chǎng) 應(yīng)采用高導(dǎo)電率金屬 因頻率較高時(shí) 磁損將增加 高磁導(dǎo)率材料的屏蔽效果并不理想 遠(yuǎn)場(chǎng)電磁屏蔽應(yīng)采用高導(dǎo)電率金屬并良好接地 實(shí)踐表明 低頻磁場(chǎng)是在線監(jiān)測(cè)中最難屏蔽的 主要因?yàn)?低頻 吸收損耗A小磁場(chǎng) 反射損耗R小 屏蔽低頻磁場(chǎng)主要采用高導(dǎo)磁率材料 以提高吸收損耗 但應(yīng)注意以下問(wèn)題 1 材料手冊(cè)上通常給出的是直流下的磁導(dǎo)率 但一般直流時(shí)磁導(dǎo)率越高 隨頻率的升高 下降的也越快 2 高導(dǎo)磁率材料在經(jīng)過(guò)加工或受到?jīng)_擊時(shí) 導(dǎo)磁率會(huì)明顯下降 3 高導(dǎo)磁率材料會(huì)在強(qiáng)磁場(chǎng)中飽和 喪失屏蔽效能 為解決強(qiáng)磁場(chǎng)下 屏蔽材料的磁飽和問(wèn)題 可采用雙層屏蔽 另一種較常用的復(fù)合屏蔽 是在高導(dǎo)磁材料表面涂覆高導(dǎo)電材料 這種屏蔽材料對(duì)高頻和低頻電磁干擾都有比較理想的屏蔽效能 6 1 3孔縫屏蔽 屏蔽效能的計(jì)算 通常認(rèn)為屏蔽體是一個(gè)完全封閉的金屬殼 但實(shí)際上任何屏蔽箱體都存在必要的穿孔和縫隙 因此屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如何保證屏蔽的完整性 使屏蔽效能盡量得以恢復(fù)到接近理論計(jì)算值 1 導(dǎo)電襯墊 屏蔽機(jī)箱上的永久性接縫都應(yīng)采用焊接工藝密封 非永久性結(jié)合面通常采用螺釘緊固 導(dǎo)電襯墊是減小接縫電磁泄漏的重要屏蔽材料 應(yīng)有足夠的彈性和厚度 應(yīng)耐腐蝕 移阻抗應(yīng)盡可能低 壓縮變形或壽命應(yīng)符合要求 2 截至波導(dǎo)式通風(fēng)板 為滿(mǎn)足屏蔽機(jī)箱的散熱要求 有時(shí)需要開(kāi)始通風(fēng)孔洞 如果處理不好 常常是屏蔽性能下降的重要原因 通常采用截至波導(dǎo)式蜂窩板 屏蔽效能在1GHz時(shí) 可達(dá)120dB 工作頻帶寬 直到微波頻段仍有較高的屏蔽效能 對(duì)空氣阻力小 風(fēng)壓損失少 機(jī)械強(qiáng)度高 工作可靠穩(wěn)定 3 屏蔽窗 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示器必須使用屏蔽窗以防止電磁穿透 目前工業(yè)控制中常用的剛性平面屏蔽窗在9kHz到1 5GHz頻率范圍內(nèi) 屏蔽效能可達(dá)80dB以上 4 操動(dòng)器件的處理 1 信號(hào)頻率較高時(shí) 可利用截至波導(dǎo)管設(shè)計(jì)操作通道 2 信號(hào)頻率較低時(shí) 可利用隔離艙將操作器件與其他電路隔離 5 穿過(guò)屏蔽體的導(dǎo)線 盡管當(dāng)屏蔽體的孔洞遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí) 不會(huì)嚴(yán)重影響屏蔽體的屏蔽效能 但當(dāng)有導(dǎo)線穿過(guò)這些孔洞時(shí) 就會(huì)導(dǎo)致屏蔽體屏蔽性能明顯下降 a 由屏蔽電纜與機(jī)箱構(gòu)成全密封體 注意電纜屏蔽層應(yīng)與機(jī)箱360 搭接 b 將導(dǎo)線中可能存在的電磁干擾濾除 6 1 4電纜輻射及其抑制 電纜是干擾出入屏蔽體的主要途徑 由于屏蔽機(jī)箱不允許有任何導(dǎo)線穿過(guò) 否則屏蔽效能將大幅度下降 雖然使用良好接地的電纜能夠有效的減小電纜的輻射 接收能力 但另一方面在很大程度上也取決于電纜端部的連接方式 為了阻止干擾電流流過(guò)電纜的芯線和屏蔽層 一種簡(jiǎn)單可行的方法就是采用濾波連接器 b 等效電路 a 等效電路 該連接濾波器能夠?qū)?0 300MHz頻率范圍內(nèi)的干擾電流產(chǎn)生30dB的衰減 使用濾波器時(shí)最重要的就是保證接地良好 使用板上濾波器時(shí)接地線應(yīng)盡量短 必須保證濾波器與屏蔽機(jī)箱有良好的接觸 6 2濾波 當(dāng)干擾頻譜成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí) 可以用濾波器將干擾加以濾除 濾波器將有用信號(hào)與干擾的頻譜隔離的越完善 它對(duì)減少有用信號(hào)中的干擾的效果就越理想 因此恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì) 選擇和正確地使用濾波器 對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾是非常重要的 6 2 1濾波器的構(gòu)造 在抗干擾設(shè)計(jì)中 濾波器通常是指低通濾波器 如電源濾波器和信號(hào)線濾波器等 濾波器的有效性取決于與濾波器連接的網(wǎng)絡(luò)阻抗 濾波器構(gòu)造與阻抗的關(guān)系 簡(jiǎn)單的電感濾波在低阻抗電路中 效果理想 衰減超過(guò)40dB 但在高阻抗電路中就效果很差 單電容濾波在高阻抗電路中效果很好 但對(duì)低阻電路效果很差 多元件構(gòu)成的濾波器 應(yīng)使電容器面對(duì)高阻抗 電感器面對(duì)低阻抗 基本構(gòu)造原則 但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是濾波器元件與其他電路元件一樣 也是非理想的 電感線圈上存在寄生電容 而電容引線上存在寄生電感 所以使用分立元件濾波器當(dāng)頻率超過(guò)10MHz時(shí) 將開(kāi)始性能下降 濾波器在屏蔽體內(nèi)的位置也很重要 其輸入輸出線之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離 最好在屏蔽體兩側(cè) 以使相互間耦合電容最小 所有連線 特別是地線 要盡量短 并按順序布置 濾波器的放置 濾波器不同放置方式 6 2 2濾波元件 在濾波器設(shè)計(jì)中 通常會(huì)使用一些專(zhuān)用的元件 1 三端電容器 除了簡(jiǎn)單的電感性濾波器之外 任何低通濾波器都要使用旁路電容 由于電容器引線電感的存在 濾波器的高頻性能將受到限制 如果將電容器的輸入和輸出端分開(kāi) 則引線電感可以得到利用 2 饋通電容器 對(duì)于信號(hào)線濾波器 當(dāng)在UHF或更高頻段內(nèi)要獲得更好的濾波效果 特別是為了保護(hù)屏蔽體不被導(dǎo)線穿透時(shí) 必須使用饋通濾波器 饋通電容器外表面直接用螺紋或焊接的方式連接到金屬屏蔽體構(gòu)成接地 由于地電流分散在中心導(dǎo)體的360 的范圍內(nèi) 以此實(shí)際上不存在電感 電容可以在超過(guò)1GHz的頻率范圍內(nèi) 保持良好特性 外形 等效電路 饋通電容器的結(jié)構(gòu) 3 片狀電容器 由于片狀電容器的引線電感幾乎為零 所以被認(rèn)為是作為旁路和去耦電容器的理想器件 其引線電感通常只是傳統(tǒng)電容器的1 3 1 5 因此它們的自諧振頻率可以達(dá)到同樣容量的帶引線電容器的2倍 為了避免走線引入附加電感 連接旁路和去耦電容器的引線要盡量短直 在實(shí)際工程應(yīng)用中 旁路和去耦電容是減小印制電路板和邏輯器件上產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾電流的有效方法 6 2 3電源濾波器 由于在現(xiàn)場(chǎng) 電源是許多設(shè)備公用的 同時(shí)公共電源通常也無(wú)屏蔽措施 所以在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的電源線是引入傳導(dǎo)干擾的主要來(lái)源 電源濾波器實(shí)際上是一種低通濾波器 它能夠毫無(wú)衰減地將直流 50Hz 400Hz的電源功率傳送給設(shè)備 卻大大衰減進(jìn)電源傳入的干擾信號(hào) a 電源濾波器外觀 b 等效電路 電源濾波器通常包括火線對(duì)地 L E 和零線對(duì)地 N E 兩個(gè)獨(dú)立端口間的低通濾波器 用以抑制電源系統(tǒng)內(nèi)存在的共模干擾 利用電感L1和L2之差和CX構(gòu)成火線對(duì)地 L N 端口的低通濾波器 用來(lái)抑制電源上存在的差模干擾 電源濾波器是無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 具有互易性 它既能有效抑制來(lái)自電源的干擾信號(hào) 同時(shí)也能衰減由測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的干擾傳向電源 1 插入損耗 電源濾波器的性能有插入損耗IL來(lái)表示IL 20log E1 E2 dB 上式中 E1為未接電源濾波器時(shí)接收機(jī)測(cè)得的信號(hào)源輸出電壓 E2為接入電源濾波器后接收機(jī)測(cè)得的信號(hào)源輸出電壓 產(chǎn)品說(shuō)明中所給出的插入損耗曲線 都是按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 在50 系統(tǒng)內(nèi)測(cè)得的 但在實(shí)際應(yīng)用中 通常濾波器的兩端阻抗都不一定是50 這種情況下應(yīng)對(duì)插入損耗進(jìn)行估計(jì) 上式中 Zs 源阻抗 ZL 負(fù)載阻抗 Zt 50 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移阻抗 由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)給出 2 失配端接 在實(shí)際用中 要達(dá)到有效抑制干擾的目的 必須對(duì)濾波器兩端的需連接的阻抗特性進(jìn)行很好的配合 因?yàn)楫?dāng)濾波器輸出阻抗與外部端接阻抗失配時(shí) 將在端口產(chǎn)生反射 反射系數(shù) 定義為 有意造成這種失配 利用反射現(xiàn)象 可以更加有效地抑制干擾信號(hào) 3 電源濾波器的安裝 在實(shí)際用中 濾波器的安裝是應(yīng)當(dāng)非常重視的 不恰當(dāng)?shù)陌惭b 將使濾波器失去其應(yīng)有的作用 不正確的安裝 一 最不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的是 在捆扎設(shè)備電纜時(shí) 把濾波器輸入端和輸出端引線捆扎在一起 這無(wú)疑將導(dǎo)致輸入端和輸出端的電磁耦合 破壞了濾波器的性能 不正確的安裝 二 安裝時(shí) 應(yīng)盡量避免使用過(guò)長(zhǎng)的接地引線 6 3保護(hù) 6 3 1瞬態(tài)能量型干擾 快速瞬變脈沖群雷擊浪涌靜電放電 6 3 2瞬態(tài)干擾吸收器 避雷管壓敏電阻TVS 1 避雷管 避雷管是一種氣體放電管 當(dāng)兩端出現(xiàn)較高的瞬變電壓時(shí) 管內(nèi)氣體電離 使避雷管連端電壓迅速將到一個(gè)很低的水平 使大部分瞬態(tài)能量被轉(zhuǎn)移掉 避雷管對(duì)瞬態(tài)干擾的抑制作用 避雷管具有很強(qiáng)的浪涌電流吸收能力 同時(shí)具有很高的絕緣電阻 104M 和很小的寄生電容 小于2pF 所以不會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備的正常工作 產(chǎn)生任何有害影響 非常適用于在線監(jiān)測(cè)的傳感器輸入保護(hù) 但避雷管對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)水平低 所以對(duì)快脈沖的保護(hù)不理想 2 壓敏電阻 壓敏電阻主要成分為氧化鋅 鉍 鈷等金屬氧化物 是 電壓敏感型器件 兩端電壓低于額定電壓時(shí) 其電阻無(wú)窮大 而兩端電壓稍微超過(guò)額定值后 電阻值便急劇下降 響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí) 壓敏電阻的電