電磁兼容之屏蔽

電磁兼容之屏蔽技術(shù)控制工程專業(yè)

主講內(nèi)容1、屏蔽理論及屏蔽效能2、屏蔽的分類3、屏蔽材料的特性4、電磁密封處理5、屏蔽設(shè)計(jì)1、屏蔽理論及屏蔽效能1.1

屏蔽理論（1）屏蔽的含義

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧蠈⑿枰雷o(hù)區(qū)域封閉起來(lái)，以抑制和控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。（2）屏蔽的目的①

限制內(nèi)部能量泄漏出內(nèi)部區(qū)域（主動(dòng)屏蔽）②防止外來(lái)的干擾能量進(jìn)入某一區(qū)域（被動(dòng)屏蔽）（3）屏蔽的原理①二次場(chǎng)理論（一次場(chǎng)作用下，產(chǎn)生極化、磁化形成二次場(chǎng));②反射衰減理論1.2屏蔽效能

屏蔽效能是指不存在屏蔽體時(shí)某處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0與存在屏蔽體時(shí)同一處的電場(chǎng)強(qiáng)度E1之比，常用分貝(dB)表示，稱為電場(chǎng)屏蔽效能，即或者不存在屏蔽體時(shí)某處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0與存在屏蔽體時(shí)同一處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1之比，稱為磁場(chǎng)屏蔽效能，即定義：電屏蔽效能或或磁屏蔽效能E0、H0——未加屏蔽時(shí)空間中某點(diǎn)的電（磁）場(chǎng)；E1、H1——加屏蔽后空間中該點(diǎn)的電（磁）場(chǎng)；衰減量與屏蔽效能的關(guān)系例：40dB,衰減比＝1/100屏蔽效能的要求綜合屏蔽效能(0.5mm鋁板)低頻：趨膚深度大，吸收損耗小，屏蔽決于反射損耗。電場(chǎng)>電磁波>磁場(chǎng)。高頻：電場(chǎng)的反射損耗降低，磁場(chǎng)的反射損耗增加；頻率升高，吸收損耗增加，頻率高到一定程度時(shí)，屏蔽主要由吸收損耗決定。屏蔽的難度按電場(chǎng)波、平面波、磁場(chǎng)波的順序依次增加。特別是頻率較低的磁場(chǎng)，很難屏蔽。150250平面波000.1k1k10k100k1M10M電場(chǎng)D=0.5m磁場(chǎng)D=0.5m屏蔽效能（dB）頻率高頻時(shí)電磁波種類的影響很小2、屏蔽的分類電磁屏蔽的類型電磁屏蔽電場(chǎng)屏蔽靜電屏蔽交變電場(chǎng)屏蔽磁場(chǎng)屏蔽低頻磁場(chǎng)屏蔽高頻磁場(chǎng)屏蔽電磁場(chǎng)屏蔽

2.1靜電場(chǎng)屏蔽

靜電平衡:①導(dǎo)體內(nèi)部任何一點(diǎn)的電場(chǎng)為零；②導(dǎo)體表面任何一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向與該點(diǎn)的導(dǎo)體表面垂直；③整個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)等位體；④導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有靜電荷存在，電荷只能分布在導(dǎo)體的表面上。靜電屏蔽必須具有兩個(gè)基本要點(diǎn)：完整的屏蔽導(dǎo)體和良好的接地?？涨?/p>

2.2交變電場(chǎng)的屏蔽

因?yàn)榈皖l交變電場(chǎng)的騷擾源與接受器之間的電場(chǎng)感應(yīng)耦合可以用它們之間的耦合電容進(jìn)行描述，低頻交變電場(chǎng)的屏蔽可采用電路理論加以解釋。直觀、方便。干擾電壓（場(chǎng)）與耦合電容成正比。減少耦合電容是屏蔽低頻交變電場(chǎng)的關(guān)鍵。增多騷擾源與接受器之間距離，或利用金屬板接地抑制干擾。利用金屑板接地抑制干擾接地金屬屏蔽體接地金屑板切斷干擾途徑。如不接地則可能產(chǎn)生更嚴(yán)重的干擾。無(wú)論是靜電場(chǎng)或交變電場(chǎng)，屏蔽的必要條件是金屬體接地。

2.3低頻磁場(chǎng)屏蔽

低頻：100kHz以下屏蔽原理：利用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料(例如鐵、硅鋼片，其磁導(dǎo)率約為）對(duì)騷擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，把磁力線集中在其內(nèi)部通過(guò)，限制在空氣中大量發(fā)散。

H1R0Rm

磁路方程H0H2H0R0H2RmH1磁力線集中在其內(nèi)部(Rm)通過(guò)

結(jié)論：

磁導(dǎo)率越高、截面積越大，則磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，在空氣中的漏磁通就大大減少。用鐵磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力線方向不應(yīng)開(kāi)口或有縫隙。因?yàn)槿艨p隙垂直于磁力線，則會(huì)切斷磁力線，使磁阻增大，屏蔽效果變差。

2.4高頻磁場(chǎng)屏蔽

法拉第電磁感應(yīng)定律，楞次定律，高頻磁場(chǎng)的屏蔽采用的是低電阻率的良導(dǎo)體（銅、鋁）屏蔽原理:利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到屏蔽的目的，即利用了渦流反向磁場(chǎng)對(duì)于原騷擾磁場(chǎng)的排斥作用，抑制或抵消屏蔽體外的磁場(chǎng)。另一種解釋，趨膚效應(yīng)－熱損耗H＝0渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)增強(qiáng)了金屬板側(cè)面的磁場(chǎng)使磁力線在金屬板側(cè)面繞行而過(guò)。屏蔽是利用感應(yīng)渦流的反磁場(chǎng)排斥原騷擾磁場(chǎng)而達(dá)到屏蔽的目的，渦電流的大小直接影響屏蔽效果。屏蔽體電阻越小產(chǎn)生的感應(yīng)渦流越大而且屏蔽體自身的損耗也越小。

所以高頻磁屏蔽材料需用良導(dǎo)體。注：因?yàn)楦哳l時(shí)鐵磁材料的磁性損耗(包括磁滯損耗和渦流損耗)很大，導(dǎo)磁率明顯下降。

鐵磁材料的屏蔽不適用于高頻磁場(chǎng)屏蔽。屏蔽盒上縫的方向必須順著渦流方向并且要盡可能地縮小縫的寬度。如果開(kāi)縫切斷了渦流的通路則將大大影響金屬盒的屏蔽效果。

2.5

電磁屏蔽

時(shí)變電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是同時(shí)存在的，通常所說(shuō)的屏蔽，多指電磁屏蔽。電磁屏蔽是指同時(shí)抑制或削弱電場(chǎng)和磁場(chǎng)。電磁屏蔽一般也是指高頻交變電磁屏蔽(10kHz-40GHz)。在頻率較低（近場(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)隨著騷擾源的性質(zhì)不同，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小有很大差別。高電壓小電流騷擾源以電場(chǎng)為主（電準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)－忽略了感應(yīng)電壓），磁場(chǎng)騷擾較小（有時(shí)可忽略）。低電壓高電流騷擾源以磁場(chǎng)騷擾為主（磁準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)－忽略了位移電流），電場(chǎng)騷擾較小。隨著頻率增高，電磁輻射能力增加，產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)，并趨向于遠(yuǎn)場(chǎng)騷擾。遠(yuǎn)場(chǎng)騷擾中的電場(chǎng)騷擾和磁場(chǎng)騷擾都不可忽略，因此需要將電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)屏蔽，即電磁屏蔽。

3、磁屏蔽材料的特性

3.1導(dǎo)磁材料根據(jù)磁屏蔽理論，磁屏蔽是利用由高導(dǎo)磁材料制成的磁屏蔽體，提供低磁阻的磁通路得大部分磁通在磁屏蔽體上的分流，來(lái)達(dá)到屏蔽的目的。因而磁導(dǎo)率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據(jù)。磁性材料通常分為弱磁性材料和強(qiáng)磁性材料兩種。弱磁性材料：順磁性物質(zhì)（如鋁等金屬）。強(qiáng)磁性材料：鐵磁性物質(zhì)（如鐵、鎳等金屬）。3.2導(dǎo)磁材料的特點(diǎn)弱磁性材料的特點(diǎn)是：相對(duì)磁導(dǎo)率μr，B與H是線性關(guān)系，μr在任意頻率的環(huán)境中，始終保持常數(shù)。強(qiáng)磁性材料的特點(diǎn)是：B與H是非線性關(guān)系，頻率增高，磁導(dǎo)率降低。因而在進(jìn)行磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選定μr，否則就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的誤差，使屏蔽的定量設(shè)計(jì)失去了應(yīng)有的作用。強(qiáng)磁性材料的磁化曲線及μr隨頻率的變化而變化。磁屏蔽材料的頻率特性磁屏蔽材料手冊(cè)上給出的導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)大多是直流情況下的，隨著頻率增加，導(dǎo)磁率會(huì)下降,當(dāng)頻率大于10kHz時(shí)，導(dǎo)磁率更低。151015坡莫合金金屬鎳鋼冷軋鋼0.010.11.010100kHzr1033.3導(dǎo)電膠與導(dǎo)磁膠。2導(dǎo)電膠、導(dǎo)磁膠是電子工業(yè)專用膠粘劑。由于目前用作膠粘劑的主體材料都是電磁的非導(dǎo)體，故所有的導(dǎo)電膠、導(dǎo)磁膠都是在普通膠粘劑中添加導(dǎo)電、導(dǎo)磁填料配制而成的。①導(dǎo)電膠導(dǎo)電膠是由樹(shù)脂、固化劑和導(dǎo)電填料配制而成的。常用的樹(shù)脂是環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨脂、酚醛樹(shù)脂、丙烯樹(shù)脂等。導(dǎo)電填料主要有銀粉、銅粉、鍍銀粒子、乙炔炭黑、石墨、碳纖維等，導(dǎo)電填料用的最多的是電阻率低、抗氧化好的銀粉。這種銀粉一般是由化學(xué)置換或電解沉淀法制成的超細(xì)銀粉。為達(dá)到良好的導(dǎo)電性，一般銀粉添加量為樹(shù)脂的2.5倍左右，乙炔炭黑或石墨粉等用量為樹(shù)脂的0.5倍到1倍左右。②導(dǎo)磁膠導(dǎo)磁劑是由樹(shù)脂、固化劑和導(dǎo)磁鐵粉等組成。導(dǎo)磁膠主要用于各種變壓器鐵芯和磁芯的膠接。

4、電磁密封處理4.1使用電磁密封襯墊的主要優(yōu)點(diǎn):

①降低對(duì)機(jī)械加工的要求，允許接觸面有較低的平整度②減少結(jié)合處的緊固螺釘，增加設(shè)備美觀性和可維護(hù)性③在縫隙處不會(huì)產(chǎn)生高頻泄漏

4.2

使用電磁密封襯墊的場(chǎng)合

①要求機(jī)箱的屏蔽效能大于40dB②機(jī)箱結(jié)合面的縫隙長(zhǎng)度超過(guò)λ/20③設(shè)備的發(fā)射或敏感頻率超過(guò)100MHz④無(wú)法采用機(jī)械加工來(lái)得到更好的導(dǎo)電連續(xù)性⑤結(jié)合面采用了不同材料，而且設(shè)備要在惡劣環(huán)境下工作⑥需要對(duì)環(huán)境采取密封措施

4.3

使用電磁密封襯墊的關(guān)鍵

①選用導(dǎo)電性能好的襯墊材料②保持接觸面清潔，且沒(méi)有非導(dǎo)電保護(hù)層③對(duì)襯墊施加足夠的壓力④襯墊有足夠的厚度⑤注意襯墊與屏蔽體接觸表面間的電化學(xué)腐蝕⑥當(dāng)需要活動(dòng)接觸時(shí)，應(yīng)使用指形簧片

4.4

電磁密封襯墊的主要性能指標(biāo)

①屏蔽效能(關(guān)系到總體屏蔽效能)②回彈力（關(guān)系到蓋板的剛度和螺釘間距）③最小密封壓力（關(guān)系到最小壓縮量）④最大形變量（關(guān)系到最大壓縮量）⑤壓縮永久形變（關(guān)系到允許蓋板開(kāi)關(guān)次數(shù)）⑥電化學(xué)相容性（關(guān)系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）

4.5電磁密封襯墊的種類

①金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的)②導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的)③指形簧片(不同表面涂覆層的)④螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的)⑤導(dǎo)電布

4.6不同襯墊材料的特點(diǎn)比較

5、屏蔽設(shè)計(jì)5.1確定屏蔽效能可根據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)確定5.2材料的選擇根據(jù)電磁特性：近場(chǎng)電屏蔽——高導(dǎo)電率金屬，接地；近場(chǎng)低頻磁場(chǎng)屏蔽——高導(dǎo)磁率材料，不接地；近場(chǎng)高頻磁場(chǎng)屏蔽——高導(dǎo)電率金屬，可不接地；遠(yuǎn)