電磁屏蔽基本原理介紹

之袁州冬雪創(chuàng)作在電子設備及電子產品中，電磁干擾（ElectromagneticInterference）能量通過傳導性耦合和輻射性耦合來停止傳輸?為知足電磁兼容性要求，對傳導性耦合需采取濾波技術，即采取EMI濾波器件加以抑制；對輻射性耦合則需采取屏蔽技術加以抑制.在當前電磁頻譜日趨密集、單位體積內電磁功率密度急劇增加、高低電平器件或設備大量混合使用等因素而導致設備及系統(tǒng)電磁環(huán)境日益惡化的情況下，其重要性就顯得更為突出.屏蔽是通過由金屬制成的殼、盒、板等屏蔽體，將電磁波局限于某一區(qū)域內的一種方法?由于輻射源分為近區(qū)的電場源、磁場源和遠區(qū)的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據輻射源的分歧，在資料選擇、布局形狀和對孔縫泄漏節(jié)制等方面都有所分歧?在設計中要達到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明白頻率范圍，再根據各個頻段的典型泄漏布局，確定節(jié)制要素，進而選擇恰當的屏蔽資料，設計屏蔽殼體.屏蔽體對輻射干擾的抑制才能用屏蔽效能SE（ShieldingEffectiveness）來衡量，屏蔽效能的定義：沒有屏蔽體時，從輻射干擾源傳輸到空間某一點（P）的場強丘1（召1）和加入屏蔽體后，輻射干擾源傳輸到空間同一點（P）的場強豆2（沖2）之比，用dB（分貝）暗示.圖1屏蔽效能定義示意圖屏蔽效能表達式為(dB)5?=20log屏蔽效能表達式為(dB)5?=20log10￡1(dB)工程中，實際的輻射干擾源大致分為兩類：近似于對稱振子天線的非閉合載流導線輻射源和近似于變壓器繞組的閉合載流導線輻射源.由于電偶極子和磁偶極子是上述兩類源的最基本形式，實際的輻射源在空間某點發(fā)生的場，都可由若干個基根源的場疊加而成（圖2）.因此通過對電偶極子和磁偶極子所發(fā)生的場停止分析，便可得出實際輻射源的遠近場及波阻抗和遠、近場的場特性，從而為屏蔽分類提供杰出的實際依據.圖2兩類基根源在空間所發(fā)生的疊加場遠近場的劃分是根據兩類基根源的場隨1/r（場點至源點的間隔）的變更而確定的，廠二仏為遠近場的分界點，兩類源在遠近場的場特征及傳播特性均有所分歧.表1兩類源的場與傳播特性場源類型近場（"S遠場（廣>血）場特性傳播特性場特性傳播特性電偶極子非平面波1以八衰減平面波1以廣衰減磁偶極子非平面波1以八衰減平面波1以廣衰減波阻抗氐|為空間某點電場強度與磁場強度之比，場源分歧、遠近場分歧，則波阻抗也有所分歧，表2與圖3分別用圖表給出了必I的波阻抗特性.表2兩類源的波阻抗場源類型7波阻抗w（。）近場（八％）遠場（八％“）電偶極子幾120n2曲120n磁偶極子2JET120n兄120n能量密度包含電場分量能量密度和磁場分量能量密度，通過對由同一場源所發(fā)生的電場、磁場分量的能量密度停止比較，可以確定場源在分歧區(qū)域內何種分量占主要成份，以便確定詳細的屏蔽分類.能量密度的表達式由下列公式給出：1一亠17電場分量能量密度％=嚴小礦網1亠一1亠2磁場分量能量密度囲廠呼尹同場源總能量密度 爵皿汀陷表3兩類源的能量密度場源類型能量密度比較近場（八弘）遠場（于V電偶極子%譏磁偶極子%認陷表3給出了兩種場源在遠、近場的能量密度?從表中可以看出，兩類源的近場有很大的區(qū)別，電偶極子的近場能量主要為電場分量，可忽略磁場分量；磁偶極子的近場能量主要為磁場分量，可忽略電場分量；兩類源在遠場時，電場、磁場分量均必須同時思索.屏蔽類型依據上述分析可以停止以下分類：表4屏蔽分類場源類型近場（廣＜汕）遠場（八）電偶極子（非閉合載流導線）電屏蔽（包含靜電屏蔽）電磁屏蔽磁偶極子（閉合載流導線）磁屏蔽（包含恒定磁場屏蔽）電磁屏蔽電屏蔽的實質是減小兩個設備（或兩個電路、組件、元件）間電場感應的影響?電屏蔽的原理是在包管杰出接地的條件下，將干擾源所發(fā)生的干擾終止于由良導體制成的屏蔽體?因此，接地杰出及選擇良導體做為屏蔽體是電屏蔽可否起作用的兩個關鍵因素.磁屏蔽的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場停止分流，因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導率的資料和設計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關鍵因素.電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場，即同時屏蔽場源所發(fā)生的電場和磁場分量?由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關鍵的節(jié)制要素.屏蔽體的泄漏耦合布局與所需抑制的電磁波頻率緊密親密相關，三類屏蔽所涉及的頻率范圍及節(jié)制要素如表5所示：表5泄漏耦合布局與節(jié)制要素屏蔽類型磁屏蔽電屏蔽電磁屏蔽頻率范圍10kHz?500kHz1MHz?500MHz500MHz?40GHz泄漏耦合布局屏蔽體殼體屏蔽體殼體及接地孔縫及接地節(jié)制要素合理選擇殼體資料合理選擇殼體資料，杰出接地抑制孔縫泄漏，杰出接地實際屏蔽體上同時存在多個泄漏耦合布局（n個），設機箱接縫、通風孔、屏蔽體壁板等各泄漏耦合布局的單獨屏蔽效能（如只思索接縫）為SEi（i=1,2,…，n）,則屏蔽體總的屏蔽效能由上式可以看出，屏蔽體的屏蔽效能是由各個泄漏耦合布局中發(fā)生最大泄漏耦合的布局所決議的，即由屏蔽最單薄的環(huán)節(jié)所決議的.因此停止屏蔽設計時，明白分歧頻段的泄漏耦合布局，確定最大泄漏耦合要素是其首要的設計原則.在三類屏蔽中，磁屏蔽和電磁屏蔽的難度較大.尤其是電磁屏蔽設計中的孔縫泄漏抑制最為關鍵，成為屏蔽設計中應重點思索的首要因素.圖4典型機柜布局示意圖根據孔耦合實際，決議孔縫泄漏量的因素主要有兩個：孔縫面積和孔縫最大線度尺寸.二者皆大，則泄漏最為嚴重；面積小而最大線度尺寸大則電磁泄漏仍然較大.圖4所示為一典型機柜示意圖，上面的孔縫主要分為四類：?機箱（機柜）接縫該類縫雖然面積不大，但其最大線度尺寸即縫長卻非常大，由于維修、開啟等限制，致使該類縫成為電子設備中屏蔽難度最大的一類孔縫，采取導電襯墊等特殊屏蔽資料可以有效地抑制電磁泄漏.該類孔縫屏蔽設計的關鍵在于：合理地選擇導電襯墊資料并停止適當的變形節(jié)制.?通風孔該類孔面積和最大線度尺寸較大，通風孔設計的關鍵在于通風部件的選擇與裝配布局的設計.在知足通風性能的條件下，應盡可以選用屏效較高的屏蔽通風部件.?觀察孔與顯示孔該類型孔面積和最大線度尺寸較大，其設計的關鍵在于屏蔽透光資料的選擇與裝配布局的設計.?毗連器與機箱接縫這類縫的面積與最大線度尺寸均不大，但由于在高頻時導致毗連器與機箱的接觸阻抗急劇增大，從而使得屏蔽電纜的共模傳導發(fā)射變大，往往導致整個設備的輻射發(fā)射出現超標，為此應采取導電橡膠等毗連器導電襯墊.綜上所述，孔縫抑制的設計要點歸納為：?合理選擇屏蔽資料；?合理設計裝置互連布局.電磁屏蔽電磁屏蔽是處理電磁兼容問題的重要手段之一.大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來處理.用電磁屏蔽的方法來處理電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作，因此不需要對電路做任何修改.選擇屏蔽資料屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強E1與有屏蔽時該位置的場強E2的比值，它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目標的屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一，因此通常常使用分貝來表述屏蔽效能，這時屏蔽效能的定義公式為：SE=20lg(E1/E2)(dB)用這個定義式只能測試屏蔽資料的屏蔽效能，而無法確定應該使用什么資料做屏蔽體.要確定使用什么資料制造屏蔽體，需要知道資料的屏蔽效能與資料的什么特性參數有關.工程中實用的表征資料屏蔽效能的公式為：SE=A+R(dB)式中的A稱為屏蔽資料的吸收損耗，是電磁波在屏蔽資猜中傳播時發(fā)生的，計算公式為：A=3.34t (f|iror) (dB)t=資料的厚度，^r=資料的磁導率,or=資料的電導率，對于特定的資料，這些都是已知的.f=被屏蔽電磁波的頻率.式中的R稱為屏蔽資料的反射損耗，是當電磁波入射到分歧媒質的分界面時發(fā)生的，計算公式為：R=20lg(ZW/ZS) (dB)式中，Zw二電磁波的波阻抗，Zs=屏蔽資料的特性阻抗.電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值：Zw=E/H.在間隔輻射源較近(〈入/2n，稱為近場區(qū))時，波阻抗的值取決于輻射源的性質、觀測點到源的間隔、介質特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低)，則發(fā)生的電磁波的波阻抗小于377，稱為低阻抗波，或磁場波.若輻射源為高電壓，小電流(輻射源電路的阻抗較高)，則波阻抗大于377，稱為高阻抗波或電場波.關于近場區(qū)內波阻抗的詳細計算公式本文不予闡述，以免沖淡主題，感興趣的讀者可以參考有關電磁場方面的參考書?當間隔輻射源較遠(＞入/2n,稱為遠場區(qū))時，波波阻抗僅與電場波傳播介質有關，其數值等于介質的特性阻抗， 空氣為 377Q.屏蔽資料的阻抗計算方法為：IZSI=3.68X107(fur/or) (Q)f二入射電磁波的頻率(Hz),^r二相對磁導率，"二相對電導率從上面幾個公式，便可以計算出各種屏蔽資料的屏蔽效能了，為了方便設計，下面給出一些定性的結論.在近場區(qū)設計屏蔽時，要分別思索電場波和磁場波的情況；屏蔽電場波時，使用導電性好的資料，屏蔽磁場波時，使用導磁性好的資料；同一種屏蔽資料，對于分歧的電磁波，屏蔽效能使分歧的，對電場波的屏蔽效能最高，對磁場波的屏蔽效能最低，也就是說，電場波最容易屏蔽，磁場波最難屏蔽；一般情況下，資料的導電性和導磁性越好，屏蔽效能越高；屏蔽電場波時，屏蔽體盡可以接近輻射源，屏蔽磁場源時，屏蔽體盡可以遠離磁場源；有一種情況需要特別注意，這就是1kHz以下的磁場波這種磁場波一般由大電流輻射源發(fā)生，例如，傳輸大電流的電力線，大功率的變壓器等.對于這種頻率很低的磁場，只能采取高導磁率的資料停止屏蔽，常常使用的資料是含鎳80%左右的坡莫合金.孔洞和縫隙的電磁泄漏與對策一般除了低頻磁場外，大部分金屬資料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實際中，罕見的情況是金屬做成的屏蔽體，并沒有這么高的屏蔽效能，甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因為許多設計人員沒有懂得電磁屏蔽的關鍵.首先，需要懂得的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系.這與靜電場的屏蔽分歧，在靜電中，只要將屏蔽體接地，就可以夠有效地屏蔽靜電場.而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關，這是必須明白的.電磁屏蔽的關鍵點有兩個，一個是包管屏蔽體的導電持續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、持續(xù)的導電體.另外一點是不克不及有穿過機箱的導體.對于一個實際的機箱，這兩點實現起來都非常堅苦.首先，一個實用的機箱上會有很多孔洞和孔縫：通風口、顯示口、裝置各種調節(jié)桿的啟齒、分歧部分連系的縫隙等.屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫，同時不會影響機箱的其他性能（雅觀、可維性、靠得住性）.其次，機箱上總是會有電纜穿出（入），至少會有一條電源電纜.這些電纜會極大地危害屏蔽體，使屏蔽體的屏蔽效能降低數十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內容之一（穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害當電磁波入射到一個孔洞時，其作用相當于一個偶極天線（圖1）,當孔洞的長度達到入/2時，其輻射效率最高（與孔洞的寬度無關），也就是說，它可以將激勵孔洞的全部能量輻射出去.對于一個厚度為0資料上的孔洞，在遠場區(qū)中，最壞情況下（造成最大泄漏的極化方向）的屏蔽效能（實際情況下屏蔽效能可以會更大一些）計算公式為：SE=10020lgL20lgf+20lg[1+2.3lg(L/H)](dB)若 L鼻入/2， SE=0(dB)式中各量：L=縫隙的長度（mm），H=縫隙的寬度（mm） ，f=入射電磁波的頻率（MHz）在近場區(qū)，孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關.當輻射源是電場源時，孔洞的泄漏比遠場時?。ㄆ帘涡芨撸?，而當輻射源是磁場源時，孔洞的泄漏比遠場時要大（屏蔽效能低）.近場區(qū)，孔洞的電磁屏蔽計算公式為：若ZC＞（7.9/D?f）：SE=48+20lgZC20lgL?f+20lg[1+2.3lg(L/H)]若Zc<（7.9/D?f）：SE=20lg[(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H)]式中：Zc二輻射源電路的阻抗（Q）,D=孔洞到輻射源的間隔（m），L、H=孔洞長、寬（mm），f=電磁波的頻率（MHz）說明：?在第二個公式中，屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系.大多數情況下，電路知足第一個公式的條件，這時的屏蔽效能大于第二中條件下的屏蔽效能.第二個條件中，假設輻射源是純磁場源，因此可以認為是一種在最壞條件下，對屏蔽效能的守舊計算.對于磁場源，屏蔽效能與孔洞到輻射源的間隔有關，間隔越近，則泄漏越大.這點在設計時一定要注意，磁場輻射源一定要盡可以遠離孔洞.多個孔洞的情況當N個尺寸相同的孔洞擺列在一起，而且相距很近（間隔小于入/2）時，造成的屏蔽效能下降為20lgN1/2.在分歧面上的孔洞不會增加泄漏，因為其輻射方向分歧，這個特點可以在設計中用來防止某一個面的輻射過強.除了使孔洞的尺寸遠小于電磁波的波長，用輻射源盡可以遠離孔洞等方法減小孔洞泄漏以外，增加孔洞的深度也可以減小孔洞的泄漏，這就是截止波導的原理.一般情況下，屏蔽機箱上分歧部分的連系處不成能完全接觸，只能在某些點接觸上，這構成了一個孔洞陣列.縫隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一.減小縫隙泄漏的方法有：?增加導電接觸點、減小縫隙的寬度，例如使用機械加工的手段（如用銑床加工接觸概況）來增加接觸面的平整度，增加緊固件（螺釘、鉚釘）的密度；?加大兩塊金屬板之間的重疊面積；?使用電磁密封襯墊，電磁密封襯墊是一種彈性的導電資料.如果在縫隙處裝置上持續(xù)的電磁密封襯墊，那末，對于電磁波而言，就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發(fā)生液體泄漏一樣，不會發(fā)生電磁波的泄漏.穿過屏蔽體的導體的處理造成屏蔽體失效的另外一個主要原因是穿過屏蔽體的導體.在實際中，很多布局上很嚴密的屏蔽機箱（機柜）就是由于有導體直接穿過屏蔽箱而導致電磁兼容試驗失敗，這是缺乏電磁兼容經歷的設計師感到猜疑的典型問題之一.斷定這種問題的方法是將設備上在試驗中沒有需要毗連的電纜拔下，如果電磁兼容問題消失，說明電纜是導致問題的因素.處理這個問題有兩個方法：?對于傳輸頻率較低的信號的電纜，在電纜的端口處使用低通濾波器，濾除電纜上不需要的高頻頻率成分，減小電纜發(fā)生的電磁輻射（因為高頻電流最容易輻射）.這同樣也能防止電纜上感應到的環(huán)境噪聲傳進設備內的電路.?對于傳輸頻率較高的信號的電纜，低通濾波器可以會導致信號失真，這時只能采取屏蔽的方法.但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接，這往往是很難的.在電纜端口裝置低通濾波器有兩個方法?裝置在線路板上，這種方法的優(yōu)點是經濟，缺點是高頻濾波效果欠佳.顯然，這個缺點對于這種用途的濾波器是十分致命的，因為，我們使用濾波器的目標就是濾除容易導致輻射的高頻信號，或者空間的高頻電磁波在電纜上感應的電流.?裝置在面板上，這種濾波器直接裝置在屏蔽機箱的金屬面板上，如饋通濾波器、濾波陣列板、濾波毗連器等.由于直接裝置在金屬面板上，濾波器的輸入、輸出之間完全隔離，接地杰出，導線上的干擾在機箱端口上被濾除，因此濾波效果十分抱負.缺點是裝置需要一定的布局配合，這必須在設計初期停止思索.由于現代電子設備的工作頻率越來越高，對付的電磁干擾頻率也越來越高，因此在面板上裝置干擾濾波器成為一種趨勢.一種使用十分方便、性能十分優(yōu)越的器件就是濾波毗連器.濾波毗連器的外形與普通毗連器的外形完全相同，可以直代替換.它的每根插針或孔上有一個低通濾波器低通濾波器可以是簡單的單電容電路，也可以是較復雜的電路.處理電纜上干擾的一個十分簡單的方法是在電纜上套一個鐵氧體磁環(huán)，這個方法雖然往往有效，但是有一些條件.許多人對鐵氧體寄予了過高期望，只要一遇到電纜輻射的問題，就在電纜上套鐵氧體，往往會失望.鐵氧體磁環(huán)的效果預測公式為：共模輻射改善=20lg（加磁環(huán)后的共模環(huán)路阻抗/加磁環(huán)前的共模環(huán)路阻抗）例如，如果沒加鐵氧體時的共模環(huán)路阻抗為100Q，加了鐵氧體以后為1000Q,則共模輻射改善為20dB.說明：有時套上鐵氧體后，電磁輻射并沒有分明的改善，這其實紛歧定是鐵氧體沒有起作用，而可以是除了這根電纜以外，還有其他輻射源.在電纜上使用鐵氧體磁環(huán)時，要注意下列一些問題：?磁環(huán)的內徑盡可以小?磁環(huán)的壁盡可以厚?磁環(huán)盡 可以 長?磁環(huán)盡可以裝置在電纜的端頭處金屬屏蔽效率可用屏蔽效率（SE）對屏蔽罩的適用性停止評估，其單位是分貝，計算公式為SEdB=A+R+B其中A：吸收損耗（dB）R：反射損耗（dB）B：校正因子（dB）（適用于薄屏蔽罩內存在多個反射的情況）一個簡單的屏蔽罩會使所發(fā)生的電磁場強度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場合可以會要求將場強降至為最初的十萬分之一，即SE要等于100dB.吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量，吸收損耗計算式為AdB=1.314(fXoXu)1/2Xt其中f：頻率（MHz）U：銅的導磁率o：銅的導電率t：屏蔽罩厚度反射損耗（近場）的大小取決于電磁波發(fā)生源的性質以及與波源的間隔.對于桿狀或直線形發(fā)射天線而言，離波源越近波阻越高，然后隨著與波源間隔的增加而下降，但平面波阻則無變更（恒為377）相反，如果波源是一個小型線圈，則此時將以磁場為主，離波源越近波阻越低.波阻隨著與波源間隔的增加而增加，但當間隔超出波長的六分之一時，波阻不再變更，恒定在377處反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變更，因此它不但取決于波的類型，而且取決于屏蔽罩與波源之間的間隔這種情況適用于小型帶屏蔽的設備近場反射損耗可按下式計算R(電)dB=321.8(20Xlgr)(30Xlgf)[10Xlg(u/o)]R(磁)dB=14.6+(20Xlgr)+(10Xlgf)+[10Xlg(u/o)]其中r：波源與屏蔽之間的間隔.SE算式最后一項是校正因子B，其計算公式為B=20lg[exp(2t/o)]此式僅適用于近磁場環(huán)境而且吸收損耗小于10dB的情況.由于屏蔽物吸收效率不高，其外部的再反射會使穿過屏蔽層另外一面的能量增加，所以校正因子是個負數，暗示屏蔽效率的下降情況.EMI抑制戰(zhàn)略只有如金屬和鐵之類導磁率高的資料才干在極低頻率下達到較高屏蔽效率.這些資料的導磁率會隨著頻率增加而降低，別的