電磁屏蔽技術(shù)

1、電磁干擾及其屏蔽1、 屏蔽的基本概念 屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮?、殼、板、柵等結(jié)構(gòu)形式, 將電磁千擾場限制在一定的空間范圍內(nèi), 使干擾場經(jīng)過屏蔽體時受到很大衰減,從而抑制電磁干擾源對相關(guān)設(shè)備或空間的干擾。屏蔽是抑制電磁干擾源的有力措施之一。從屏蔽的側(cè)重范圍可大體分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁場屏蔽三種： （1）電屏蔽, 即對靜電或電場的屏蔽, 防止或抑制寄生電容禍合, 隔離靜電或電場干擾。 （2）磁屏蔽, 即磁場屏蔽。用于防止磁感應(yīng),抑制寄生電感藕合, 隔離磁場干擾。 （3）電磁場屏蔽, 用于防止和抑制高頻電磁場電磁波的屏蔽。 （4）屏蔽效能, 即屏蔽前后空間某點(diǎn)的電磁場強(qiáng)度之比, 常用分貝數(shù)

2、表示。2、 電場屏蔽 2.1 靜電屏蔽 靜電干擾分為靜電場感應(yīng)作用和靜磁場藕合作用。當(dāng)某電子元器件或電路上具有電荷時, 在其空間就會產(chǎn)生電場當(dāng)這些電荷流動時, 在其周圍空間還同時產(chǎn)生磁場。這種電場和磁場作用到其周圍鄰近的電路或元件時就將產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓, 這些感應(yīng)電流和電壓又反過來影響原來電路或元件中的電流或電壓。在用電設(shè)備中通過電場和磁場產(chǎn)生的寄生感應(yīng)干擾, 統(tǒng)稱為靜電干擾。 靜電干擾可通過靜電屏蔽來抑制。設(shè)導(dǎo)體A帶有正電荷, 則其鄰近導(dǎo)體B將由于靜電感應(yīng)而帶負(fù)電荷, 如圖1（a）。 如圖1（b）, 如果將導(dǎo)體A屏蔽, 屏蔽體外側(cè)將感應(yīng)出與A等量的正電荷, 導(dǎo)體A不直接影響導(dǎo)體B, 但導(dǎo)體

3、B同樣因屏蔽體的電場感應(yīng)而帶負(fù)電, 導(dǎo)體B如何才能避免導(dǎo)體A的靜電干擾呢? 如圖(C), 將屏蔽體接地, 消除屏蔽體的外電場,導(dǎo)體B才能免受導(dǎo)體A的靜電干擾。可見, 將屏蔽體良好接地是防止靜電干擾的關(guān)鍵, 接地電阻愈低愈好。 2.2 近場電屏蔽近場電屏蔽的一種方法就是在感應(yīng)源與受感器之間加一接地良好的金屬板, 把感應(yīng)源的寄生電容短接到地, 通過抑制寄生電容禍合, 達(dá)到電場屏蔽的目的。 3、 磁場屏蔽 磁場屏蔽可分低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽兩類。任何載流導(dǎo)體或線圈周圍都會產(chǎn)生磁場, 磁場隨導(dǎo)體電流的變化而變化, 這種變化的磁場常對周圍的電子線路或敏感器件造成干擾。電子線路中常存在有環(huán)形布線（如線

4、圈、信號環(huán)路等）, 強(qiáng)信號環(huán)路易形成磁場發(fā)射, 弱信號環(huán)路則更易受周圍交變磁場的干擾。 3.1低頻磁場的屏蔽原理 對于低頻磁場（含恒定磁場）, 其屏蔽體的屏蔽效能遠(yuǎn)不如電屏蔽和電磁屏蔽。當(dāng)磁場頻率低于時, 屏蔽措施主要有賴于高磁導(dǎo)率材料所起到的磁分路作用, 利用鐵氧體材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等的高磁導(dǎo)率特性對千擾磁場進(jìn)行磁場分路, 渦流在其中所起到的屏蔽作用很小。 電場有電力線, 磁場有磁力線, 磁力線通過的路徑稱為磁路。磁路與電路有類似的特征。磁路具有磁阻, 磁阻與磁路的長短、磁路的截面積及相對磁導(dǎo)系數(shù)（相對磁導(dǎo)率金屬的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率之比）有關(guān)。磁導(dǎo)率越大, 磁阻就越小, 磁通主要選

5、擇通過高磁導(dǎo)率材料。如果磁場中存在高磁導(dǎo)率的磁場通路, 則磁通相對通過周圍空氣的部分就大為減小, 使得周圍空間的磁場干擾也同時大為減少, 客觀上起到了磁場屏蔽作用。如圖5所示,屏蔽體c由高磁導(dǎo)材料構(gòu)成, 屏蔽了A的磁場對B的干擾。 3.2高頻磁場的屏蔽 高頻磁場的屏蔽原理是屏蔽體利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象所產(chǎn)生的渦流反磁場對原干擾磁場的排斥作用來達(dá)到屏蔽目的的。屏蔽體材料采用的是低電阻率的良好導(dǎo)體, 如銅、銅鍍銀等。由法拉第電磁感應(yīng)定律, 閉合回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢等于穿過該回路的磁通量的變化率。感應(yīng)電勢伴生感應(yīng)電流, 感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通要阻礙原來磁通的變化, 與原來的磁通方向相反, 即反磁場。如圖, 如

6、果選擇產(chǎn)生感生電勢的載體為良導(dǎo)體的金屬板, 則感應(yīng)電流阻抗近乎于短路而產(chǎn)生渦流, 此渦流產(chǎn)生的反磁場將抵消穿過此金屬板的原磁場。反磁場的作用增強(qiáng)了金屬板四周的磁場, 看起來就像原磁場從金屬板四周繞行而過。如圖, 使金屬板右側(cè)的空間得到屏蔽。 高頻磁場的屏蔽材料需要用良導(dǎo)體, 以減小渦流阻抗, 減小發(fā)熱和損耗。同時, 要盡量避免在垂直于渦流的方向上有縫隙, 以免阻礙渦流電流的流動, 影響屏蔽效能。由于高頻電流的集膚效應(yīng), 高頻屏蔽盒無需太厚。此外, 屏蔽體是否接地不影響屏蔽效果, 但由于電場屏蔽必須接地, 故若將屏蔽體接地, 就同時具有了電場屏蔽和高頻磁場屏蔽的雙重作用。4、 電磁干擾的種類 電

7、磁干擾，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。5、 電磁干擾的產(chǎn)生 各種無線電通信、廣播、電視節(jié)目的傳送等，都是利用電磁波的傳播而工作的。有時收音機(jī)中收到的電臺附近有頻率相近的干擾信號，則收到的廣播中將同時伴有討厭的干擾聲；電視信號如果收到頻率相近的電磁波干擾或汽車打火、電吹風(fēng)啟動等都將會使圖像跳動，畫面出現(xiàn)干擾條紋

8、或斑點(diǎn)、聲音失真等，這就是由電磁波輻射照成的一種噪聲干擾現(xiàn)象。由于產(chǎn)生電磁波的電流頻率較高，因而由此產(chǎn)生的電磁場除了具有一般電場和磁場的特性外，還具有高頻電磁場的特殊特性。 6、 電磁場的屏蔽原理 設(shè)有一塊厚度為t的無限大金屬板，將空間分為兩部分，諾設(shè)定入射場在左部，發(fā)出電磁波自左向右傳播至板的右表面，由于空氣與金屬是兩種不同的介質(zhì)，再板的表面產(chǎn)生反射，使一部分電磁波反射會左邊，即反射波。另一部分電磁波射入金屬內(nèi)部，向右繼續(xù)傳播，經(jīng)過金屬板t后，由于金屬對電磁波的吸收，磁場強(qiáng)度被消弱。到達(dá)金屬板右邊界面的電磁波，又有一部分反射會金屬向左傳播；另一部分穿過右界面向右繼續(xù)傳播。 電磁波在金屬內(nèi)的損

9、耗表現(xiàn)為渦流損耗。渦流的密度隨著進(jìn)入金屬內(nèi)部深度的增加而按指數(shù)規(guī)律減小，且隨電磁波的頻率不同而變，頻率越高，渦流再表面的損耗就越大。實際上，板厚t并不需要很厚，經(jīng)計算：當(dāng)f1MHz時,用0.5mm厚的任何一種金屬板做屏蔽物,就可以使場強(qiáng)減弱到1/100;當(dāng)f10MHz是,用0.1mm的銅箔制成的屏蔽物,可以使場強(qiáng)減弱到1/100;當(dāng)f100MHz時,可以在絕緣材料上鍍銅或銀,即可達(dá)到要求.4、屏蔽導(dǎo)線端頭的加工 屏蔽導(dǎo)線是一只公在絕緣導(dǎo)線外面套上一層銅編織套的特殊導(dǎo)線。其加工過程分為下面幾個步驟。 4.1 導(dǎo)線的剪裁和外絕緣層的剝離 用尺和剪刀（或斜口鉗）剪下規(guī)定尺寸的屏蔽線。導(dǎo)線長度只允許5

10、%10%的正誤差，不允許有負(fù)誤差。 4.2 剝?nèi)ザ瞬客饨^緣護(hù)套（1）熱剝法 在需要剝?nèi)ネ庾o(hù)套的地方，用熱剝皮器燙一圈，深度直達(dá)銅編織層，再順著斷裂圈到端口燙一條槽，深度也要達(dá)到銅編織層。再用尖嘴鉗或醫(yī)用鑷子夾持外護(hù)套，撕下外絕緣層，如下圖： （2）刀截法 基本方法同熱剝法，但需要用刀刃代替溫控剝皮器。具體做法是；從端頭開始用刀刃劃開外絕緣層，再從根部劃一圈后用收或鑷子鉗住，即可剝離絕緣層。注意，刀刃要斜切，劃切時，不要傷到屏蔽層。 4.3銅編織套的加工 （1）較細(xì)、較軟屏蔽線銅編織套的加工 左手拿住屏蔽線的外絕緣層，用右手指向左推編織線，使之成為圖4-13a 所示的形狀。 用針或鑷子夾在銅編織

11、套上撥開一個孔，彎曲屏蔽層，從孔中取出線芯，如圖4-13b所示，用手指捏住已抽出的線芯的銅屏蔽編織套向端部捋一下，根據(jù)要求剪取適當(dāng)?shù)拈L度，端部擰緊。（2）較粗，較硬的屏蔽線編織套的加工 先剪去適當(dāng)長度的屏蔽層，在屏蔽層下面纏黃蠟綢布23層（或用適當(dāng)直徑的玻璃纖維），再用直徑0.50.8mm的鍍銀銅線密繞在屏蔽層的端頭，寬度為26mm，然后用電烙鐵將繞好的銅線焊在一起后，空繞一圈并留出一定的長度，最后套上熱縮套管。 (3)屏蔽層不接地時的端頭加工 將編制套推成球狀后用剪刀剪去，仔細(xì)修剪干凈即可。如圖4-14a所示，若要求較高的場合，則在編制套剪去后，將剩下的編織線翻過來，如圖4-14b所示，再套

12、上熱縮套管如圖4-14c。電子設(shè)備的減震與緩沖1、振動的危害 1.1、元器件或材料機(jī)械破壞：疲勞損壞、強(qiáng)度破壞 ； 1.2、結(jié)構(gòu)變形或松動； 1.3、電氣參數(shù)變化； 1.4、接觸不良等。具體表現(xiàn)在： 1)接插裝置會從插座中跳出來，并碰撞其他元器件而造成破壞。 2)電真空器件的電極變形、短路、折斷；或者由于各電極作過多的相對運(yùn)動而產(chǎn)生噪聲，不能正常工作。 3)振動引起彈性元件產(chǎn)生變形，使具有觸點(diǎn)的元件（電位器、波段開關(guān)、插頭座等）產(chǎn)生接觸不良或開路。 4)指示燈忽亮忽暗，儀表指針不斷抖動（或指針脫落），使觀察人員讀數(shù)不準(zhǔn)，視覺疲勞。 5)當(dāng)零部件的固有頻率和激振頻率相同時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 6)

13、安裝導(dǎo)線變形及位移，使其相對位置改變，引起電感量和分布電容發(fā)生變化，從而使電感電容的耦合發(fā)生變化。 7)機(jī)殼和基礎(chǔ)變形，脆性材料（如玻璃、陶瓷、膠木、聚苯乙烯）斷裂。 8)防潮和密封措施受到破壞。 9)錫焊和熔焊處斷開，焊錫屑掉落在電路中間而造成短路故障。 10)螺釘、螺母松開甚至脫落，并撞擊其它零部件，造成短路和破壞。有些用來調(diào)整電氣特性的螺絲受振后會產(chǎn)生偏移 。2、減振原理 隔振就是通過在設(shè)備或器件上安裝減振裝置，隔離或減少它們與外界間的機(jī)械振動傳遞 主動隔振 隔振對象是振源，在振動物體與安裝基礎(chǔ)之間安裝隔振器，減少機(jī)器振動力向基礎(chǔ)的傳遞量。（2）被動隔振隔振對象是設(shè)備，在儀器設(shè)備與基礎(chǔ)之

14、間安裝隔振器，以減少基礎(chǔ)的振動對儀器設(shè)備的影響3、 緩沖隔沖的基本原理： 在支撐基座與電子設(shè)備之間裝一減振器進(jìn)行沖擊隔離，當(dāng)外界沖擊力作用在支撐基座上時，由于減振器中的彈性元件和阻尼元件產(chǎn)生變形，吸收能量并延長沖擊力作用的接觸時間，使傳遞給設(shè)備的沖擊力減小了很多，達(dá)到緩沖的目的。 沖擊減振器實際上是一個儲能裝置。 減振器的剛度越小，阻尼越大，則沖擊力的作用接觸時間愈長，減振器的變形愈大，設(shè)備受到的沖擊力也就愈小，緩沖的效果愈好。什么是阻尼？阻尼：阻尼是指阻礙物體的相對運(yùn)動、并把運(yùn)動能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他可以耗散能量的一種作用。4、減振器的類型 4.1.橡膠-金屬減振器 優(yōu)點(diǎn)：阻尼比較高(0.02

15、0.13)，不能長時間承受較大的變形，能承受沖擊作用，隔沖性能好；缺點(diǎn)： 怕高溫、油污、酸、光照等 4.2.金屬彈簧減振器 金屬彈簧減振器用彈簧鋼板或鋼絲繞制而成。優(yōu)點(diǎn)：對環(huán)境條件反應(yīng)不敏感，耐高溫、高寒、油污等；工作性能穩(wěn)定，不易老化；剛度變化范圍寬，可以制作很軟，也可很硬 缺點(diǎn)：阻尼比很?。?.005），共振時很危險。因此必要時還應(yīng)另加阻尼器。5、減振器的合理布置 5.1. 應(yīng)使各減振元件受力均勻，靜壓縮量基本一致； 5.2. 將減振器安裝在設(shè)備底部四角較為方便，但為了提高穩(wěn)定性，減振器的安裝平面應(yīng)盡可能提高，最好是在設(shè)備重心所在的平面； 5.3. 同一設(shè)備的減振器最好選用同一型號的產(chǎn)品。

16、電子設(shè)備的散熱1、 熱的傳導(dǎo)方式 傳熱的基本方式有三種，即傳導(dǎo)，對流和輻射。 a ） 熱傳導(dǎo)是指通過物體內(nèi)部或物體間直接接觸來傳播熱能的過程。熱傳導(dǎo)是通過物體內(nèi)部或物體接觸面間的原子，分子以及自由電子的運(yùn)動來實現(xiàn)能量傳播的。 b ）熱對流是依靠發(fā)熱物體（或高溫物體）周圍的流體（氣體或液體）將熱能轉(zhuǎn)移的過程。 c ）熱輻射是一種以電磁波（紅外波段）輻射形式來傳播能量的現(xiàn)象。熱輻射是由于溫度升高，物體原子振動的結(jié)果引起的。2、 散熱防熱的主要措施 利用熱傳導(dǎo)、對流及輻射，把產(chǎn)品中的熱量散發(fā)到周圍的環(huán)境中去稱為散熱。 電子產(chǎn)品常用的散熱方法有：自然散熱； 強(qiáng)迫通風(fēng)散熱； 液體冷卻； 蒸發(fā)冷卻； 半導(dǎo)

17、體制冷。 2.1. 自然散熱 自然散熱是利用產(chǎn)品中各元件及機(jī)殼的自然熱傳導(dǎo)，自然熱對流，自然熱輻射來達(dá)到散熱的目的。2.2. 機(jī)殼自然散熱 電子產(chǎn)品的機(jī)殼是接受產(chǎn)品內(nèi)部熱量并將其散到周圍環(huán)境中去的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它在自然散熱中起著重要作用。 機(jī)殼自然散熱以下問題： 選擇導(dǎo)熱性能好的材料做機(jī)殼，加強(qiáng)機(jī)箱內(nèi)外表面的熱傳導(dǎo)。 為了提高機(jī)殼的熱輻射能力，可在機(jī)殼內(nèi)外表面涂粗糙的黑漆。 在機(jī)殼上，合理地開通風(fēng)孔，可以加強(qiáng)氣流的對流換熱作用。 2.3. 強(qiáng)制散熱 強(qiáng)制風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)或抽風(fēng)，提高產(chǎn)品內(nèi)空氣流動的速度，增大散熱面的溫差，達(dá)到散熱的目的。 液體冷卻。由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和比熱都

18、比空氣大，利用它作為散熱介質(zhì)其效果比空氣要好。 蒸發(fā)冷卻。每一種液體都有一定的沸點(diǎn)，當(dāng)液體溫度達(dá)到沸點(diǎn)時就會沸騰而產(chǎn)生蒸汽，從沸騰到形成蒸汽的過程稱為液體的汽化。液體汽化時要吸收熱量。蒸發(fā)冷卻就是利用液體在汽化時能吸收大量熱量的原理來冷卻發(fā)熱器件的。 2.4. 功率晶體管及集成電路芯片的散熱 晶體管和集成電路在工作時要產(chǎn)生功耗，即集電極功耗Pc，其產(chǎn)生的熱量會使結(jié)溫度升高。如果沒有良好的散熱，結(jié)溫度將超過最大允許結(jié)溫度TjM，就會縮短管子壽命，甚至有燒壞的危險。一般采用的散熱器散熱，下圖為常用的散熱器 。3、防熱措施 電阻主要通過傳導(dǎo)散熱。因此在裝配電阻時，引線應(yīng)盡可能短一些，并且要加大與其它

19、元件的距離。其它元器件類似于電阻。 變壓器主要依靠傳導(dǎo)散熱，要求鐵心與支架、支架與固定面都要良好接觸，使其熱阻最小。 晶體管依靠管殼及引線的對流、輻射和傳導(dǎo)散熱。大功率的晶體管應(yīng)該采用散熱器散熱。集成電路主要依靠外殼及引線的對流、輻射和傳導(dǎo)散熱。當(dāng)集成電路的熱流密度超過0.6W/2時 ，應(yīng)裝散熱裝置，以減少外殼與周圍環(huán)境的熱阻。 保持足夠的距離，以利于空氣流動，增強(qiáng)對流散熱。 將功率大、發(fā)熱量大本身又耐熱的元器件放在氣流的下游（出口處），將功率小、發(fā)熱量小又不耐熱的元器件放在氣流的上游（入口處）。 如上述原則安排有困難，可發(fā)熱量大元器件和熱敏感元件進(jìn)行熱屏蔽。 電子設(shè)備的氣候防護(hù) 電子設(shè)備在生

20、產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸和使用過程中，無可避免地受到各種環(huán)境和氣候的影響，如溫度、濕度、氣壓及空氣中的各種化學(xué)物質(zhì)等。不良?xì)夂驅(qū)⑹巩a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料遭受不同程度的腐蝕、老化及霉?fàn)€等破壞形式，從而引起產(chǎn)品內(nèi)部元器件性能變化，絕緣程度下降，甚至發(fā)生漏電和短路，直到完全失效。1、金屬的防護(hù)方法 （1）改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。例如，把鉻、鎳等加入普通鋼里制成的不銹鋼。 （2）表面覆蓋。就是在零件的表面覆蓋致密的金屬或非金屬覆蓋層。表面覆蓋層按其性質(zhì)可分為以下三類：金屬覆蓋層、化學(xué)覆蓋層、涂料覆蓋層。 1 金屬覆蓋：金屬覆蓋層是用電鍍、化學(xué)鍍、噴鍍和熱浸等方法，在本體金屬表面鍍上一層有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（即抗腐蝕性）

21、和某些物理性能（如導(dǎo)電性、耐磨性）的金屬。 2 化學(xué)覆蓋：化學(xué)覆蓋是用化學(xué)或電化學(xué)的方法在金屬表面形成一層致密而穩(wěn)定的金屬化合物?；瘜W(xué)覆蓋有：發(fā)藍(lán)（黑）、氧化、鈍化、陽極氧化和磷化等。 3 涂料覆蓋：涂料覆蓋是在金屬表面涂油漆、礦物性油脂或覆蓋搪瓷、塑料等物質(zhì)。 （3）電化學(xué)保護(hù)法。因金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，所以，只要能夠把引起金屬電化學(xué)腐蝕的原電池反應(yīng)消除，金屬的腐蝕自然就可以防止了。 2、防潮濕措施 防潮濕措施有憎水處理、浸漬、灌封、密封等方法。 憎水處理是利用憎水物質(zhì)，通過一定方法，在元件、零件表面形成憎水性膜，或者使某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而使材料變成憎水性。 浸漬是將被處理的元件或材料浸入不吸濕的絕緣液中，經(jīng)過一段時間，使絕緣液進(jìn)入材料的小孔、毛細(xì)管、縫隙和結(jié)構(gòu)間的空隙，從而提高了元件材料的防潮濕性能以