《電磁兼容原理與技術(shù)》課件第5章

第5章屏蔽技術(shù)

5.1電磁屏蔽原理5.2屏蔽效能5.3電磁屏蔽的類型5.4屏蔽效能的計算5.5屏蔽材料5.6屏蔽完整性習題屏蔽技術(shù)用來抑制電磁噪聲沿著空間的傳播,即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來,使屏蔽體內(nèi)外的“場”相互隔離。如果目的是防止噪聲源向外輻射場,則應該屏蔽噪聲源,這種方法稱主動屏蔽。如果目的是防止敏感設備受噪聲輻射場的干擾,則應該屏蔽敏感設備,這種方法稱被動屏蔽。電磁噪聲沿空間的傳播是以“場”的方式進行的,場有近場和遠場之分。在考慮同一設備內(nèi)部各部分之間的相互干擾時,大多數(shù)都按近場干擾來分析,近場又包含電場和磁場。當噪聲源是高電壓、小電流時,其輻射場主要表現(xiàn)為電場。當噪聲源具有低電壓和大電流性能時,其輻射場主要表現(xiàn)為磁場。如果噪聲波長和兩者距離滿足條件

(5-1)

則噪聲源的輻射場為遠場。在考慮系統(tǒng)之間的干擾時常常以電磁場即遠場形式來分析。5.1電磁屏蔽原理抑制以場的形式造成干擾的有效方法是電磁屏蔽。所謂電磁屏蔽,就是以某種材料(導電或?qū)Т挪牧?制成的屏蔽殼體(實體的或非實體的)將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來,形成電磁隔離,即其內(nèi)的電磁場不能越出這一區(qū)域,而外來的輻射電磁場不能進入這一區(qū)域(或者進出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減)。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用,而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關的。5.2屏蔽效能屏蔽體的好壞用屏蔽效能來描述。屏蔽效能表現(xiàn)了屏蔽體對電磁波的衰減程度。由于屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至萬分之一,因此通常用分貝(dB)來表述。一般的屏蔽體的屏蔽效能可達40dB,軍用設備的屏蔽體的屏蔽效能可達60dB,TEMPEST設備的屏蔽體的屏蔽效能可達80dB以上。對于電場、磁場、電磁場等不同的輻射場,由于屏蔽機理不同,因此采用的方法也不盡相同。對于屏蔽作用的評價可以用屏蔽效能來表示:(5-2)式中:E0、H0分別為屏蔽前某點的電場強度與磁場強度;ES、HS分別為屏蔽后某點的電場強度與磁場強度。在工程計算中常采用dB計算,其表示式為(5-3)對于電路來說,屏蔽效能可用屏蔽前后電路某點的電壓或電流之比來定義,由于電屏蔽能有效地屏蔽電場耦合,而磁屏蔽能有效地屏蔽磁場耦合,對于輻射近場或低頻場,由(5-2)式或(5-3)式給出的SEE和SEH一般是不相等的。而對于輻射遠場,電磁場是統(tǒng)一的整體,E與H比值(波阻抗)為常數(shù),電磁屏蔽之屏效SEE

＝SEH。另外,還可以用屏蔽系數(shù)η表示屏蔽效果,它是指被干擾電路加屏蔽體后所感應的電壓US與未加屏蔽體時所感應的電壓U0之比,即

(5-4)傳輸系數(shù)(或透射系數(shù))TE是指存在屏蔽體時某處的電場強度ES與不存在屏蔽體時同一處的電場強度E0之比;或者是指存在屏蔽體時某處的磁場強度HS與不存在屏蔽體時同一處的磁場強度H0之比,即傳輸系數(shù)(或透射系數(shù))與屏蔽效能互為倒數(shù)關系,即

(5-5)或(5-6)5.3電磁屏蔽的類型電磁屏蔽按其屏蔽原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽;磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。電磁屏蔽的類型如圖5-1所示。圖5-1電磁屏蔽的類型5.3.1電場屏蔽電場屏蔽是抑制噪聲源和敏感設備之間由于存在電場耦合而產(chǎn)生的干擾。電場有靜電場和交變電場,以下分別討論這兩種電場的屏蔽技術(shù)。

1.靜電場的屏蔽設一孤立導體A帶有正電荷,則其周圍有靜電場存在,電力線是從導體A向空間發(fā)散。如圖5-2(a)所示。如果用一金屬球殼B把導體A包圍起來,如圖5-2(b)所示,在金屬球殼外仍有靜電場存在。因為根據(jù)靜電感應原理,金屬球殼內(nèi)壁感應有負電荷,球殼外壁感應有正電荷。球殼外壁的正電荷總量等于球內(nèi)孤立導體的正電荷總量,所以金屬球沒有起到屏蔽作用。如果把金屬球外殼接地,如圖5-2(c)所示,則球殼外壁的正電荷被引入地中,球殼外壁電位為零,金屬球周圍就不再存在靜電場了,可以認為靜電場被封閉在金屬球殼內(nèi),金屬球殼對孤立導體起到了電場屏蔽作用。這是個主動屏蔽的例子,靜電場屏蔽的條件是金屬體和接地。圖5-2靜電場的主動屏蔽如果空間存在一靜電場,把一金屬球殼放在該靜電場中。根據(jù)靜電感應原理球殼外壁兩側(cè)分別感應出等量的正負電荷,其電力線分布如圖5-3所示。金屬球殼內(nèi)部沒有電荷,是等電位的,不論球殼接地與否球殼內(nèi)部都不存在由外界感應的靜電場,所以金屬殼起到了屏蔽外界靜電場的作用,這是被動屏蔽的例子。這里接地似乎并非靜電場屏蔽的必要條件,但是在實際應用中屏蔽殼體不可能是全封閉的,總可能存在孔、縫等。如果不接地電力線就容易通過孔縫侵入屏蔽殼體內(nèi)部,從而影響屏蔽性能,所以金屬屏蔽體接地仍是靜電場屏蔽的必要條件。圖5-3靜電場的被動屏蔽

2.交變電場的屏蔽交變電場的屏蔽原理是采用電路理論加以解釋較為方便、直觀,因為干擾(騷擾)源與接收器之間的電場感應耦合可用它們之間的耦合電容進行描述。設干擾(騷擾)源g上有一交變電壓Ug,在其附近產(chǎn)生交變電場,置于交變電場中的接收器s通過阻抗ZS接地,干擾(騷擾)源對接收器的電場感應耦合可以等效為分布電容Cj的耦合,于是形成了由Ug、Zg、Cj和Zs構(gòu)成的耦合回路,如圖5-4所示。接收器上產(chǎn)生的騷擾電壓Us為

(5-7)圖5-4交變電場的耦合從上式可以看出,干擾(騷擾)電壓Us的大小與耦合電容Cj的大小有關。分布電容Cj越大,則接收器上產(chǎn)生的騷擾電壓Us越大。為了減小騷擾,可使騷擾源與接收器盡量遠離,從而減小Cj,使騷擾電壓Us減小。如果騷擾源與接收器間的距離受空間位置限制無法加大時,則可采用屏蔽措施。為了減少干擾(騷擾)源與接收器之間的交變電場耦合,可在兩者之間插入屏蔽體,如圖5-5所示。插入屏蔽體后,原來的耦合電容Cj的作用現(xiàn)在變?yōu)轳詈想娙軨1、C2和C3的作用。由于干擾(騷擾)源和接收器之間插入屏蔽體后,它們之間的直接耦合作用非常小,所以耦合電容C3可以忽略。圖5-5有屏蔽時交變電場的耦合設金屬屏蔽體的對地阻抗為Z1,則屏蔽體上的感應電壓為

(5-8)

從而接收器上的感應電壓為

(5-9)由此可見,要使US減小,則必須使Z1減小,而Z1為屏蔽體阻抗和接地線阻抗之和。這一事實表明,屏蔽體必須選用導電性能好的材料,而且必須良好地接地,只有這樣才能有效地減少干擾。一般情況下,要求接地的接觸阻抗小于2mΩ,比較嚴格的場合要求小于0.5mΩ,若屏蔽體不接地或接地不良,則由于C1>Cj(因為平板電容器的電容量與兩極板間距成反比,與極板面積成正比),這將導致加屏蔽體后,干擾變得更大,因而對于這點應特別引起注意。從上面的分析可以看出,電屏蔽的實質(zhì)是在保證良好接地的條件下,將干擾源發(fā)生的電力線終止于由良導體制成的屏蔽體,從而切斷了干擾源與受感器之間的電力線交連。5.3.2磁場屏蔽磁場屏蔽是抑制噪聲源和敏感設備之間由于磁場耦合所產(chǎn)生的干擾。磁場屏蔽必須對不同的頻率采取不同的措施。

1.低頻磁場屏蔽當線圈中通過電流時線圈周圍即存在磁場,磁力線是閉合的,如圖5-6(a)所示。磁力線分布在整個空間可能對附近的敏感設備產(chǎn)生干擾。在磁場頻率比較低時(100kHz以下)通常采用鐵磁性材料,例如:鐵、硅鋼片、坡莫合金等進行磁場屏蔽。鐵磁性物質(zhì)的磁導率比周圍空氣的磁導率大得多,一般約為103～104倍,所以可把磁力線集中在其內(nèi)部通過,不致于大量發(fā)散在空氣中。如果將線圈繞在由鐵磁性材料組成的閉合環(huán)中,如圖5-6(b)所示,則磁力線主要在該閉合環(huán)的磁路中通過,漏磁通很小。根據(jù)磁路定律可知主磁路中的磁通為(5-10)

式中:φ——磁通;

Fm——磁通勢,Fm=NI,I為線圈中的電流,N為線圈的匝數(shù);

R——磁阻,,l為磁路長度,s為磁路截面積,μ為磁導率。圖5-6磁場的主動屏蔽鐵磁材料的磁導率越高、磁路截面積越大,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,因此鐵磁材料起到磁場屏蔽作用,其實質(zhì)是對騷擾源的磁力線進行了集中分流。以上例子是磁場的主動屏蔽,同樣鐵磁性材料做成的屏蔽殼也能進行被動屏蔽,如圖5-7所示。把屏蔽殼體放入外磁場中,磁力線將集中在屏蔽體內(nèi)通過,不致于漏泄到屏蔽殼體包圍的內(nèi)部空間中去,從而保證該空間不受外磁場的影響。圖5-7磁場的被動屏蔽在低頻情況下單層鐵磁材料的屏蔽效能可用下式表示

(5-11)

式中:SEH——磁場屏蔽效能;

μr——鐵磁材料的相對磁導率;

t——屏蔽體的厚度;

r——同屏蔽體相同容積的等效半徑。由式(5-5)可知,單層鐵磁材料的磁場屏蔽效能最大不超過20lg(0.22μr)。鐵磁材料的磁導率越大屏蔽效能越高,此外還可以看出屏蔽層的厚度增加也會加大屏蔽效能。但是采用單層屏蔽,增加屏蔽層的厚度的做法并不經(jīng)濟,最好采用多層屏蔽的方法。由式(5-5)可算出如果要獲得最大屏蔽效能的一半即20lg(0.11μr),則要求屏蔽層厚度t為等效球半徑的1／5,這將使屏蔽層又厚又重。以下舉一多層屏蔽的例子來說明。電源變壓器存在泄漏磁通,對周圍的CRT、顯像管會產(chǎn)生干擾。把變壓器裝入鐵板殼體中可以減少漏磁通,但是實驗表明盡管用1.5mm厚的鐵板殼體將變壓器屏蔽起來,漏磁通也只能減少40％～50％。如果采用多層屏蔽方法效果要好得多。用帶狀鐵板,在變壓器的側(cè)面繞若干層,如圖5-8(a)所示,漏磁通將大大減少,其在X、Y、Z方向上的屏蔽效果如圖5-8(b)所示。圖5-8多層屏蔽的實例在使用鐵磁性材料做屏蔽殼體時,如果要在殼體上開縫則一定要注意開縫的方向。圖5-9是用一屏蔽罩包圍一低頻線圈的情況,屏蔽罩同時起到主動屏蔽和被動屏蔽的作用。圖5-9(a)是主動屏蔽,在殼體上磁力線是垂直流動的,所以橫向的縫隙會阻擋磁力線,使磁阻增加,從而使屏蔽性能變壞。縱向的縫隙不會阻擋磁力線,但應注意開縫不能太寬。圖5-8(b)是被動屏蔽,如外磁場的磁力線如圖所示,則同樣不能開橫向的縫隙。圖5-9磁屏蔽體上的開縫低頻磁場屏蔽的方法在高頻時并不適用,主要原因是鐵磁性材料的磁導率隨頻率的升高而下降,從而使屏蔽效能變壞。同時,高頻時鐵磁性材料的磁損增加。磁損包括由于磁滯現(xiàn)象引起的磁滯損失以及由于電磁感應而產(chǎn)生的渦流損失。磁損是消耗功率的,相當于增加了被屏蔽線圈的電阻值,造成線圈的Q值大大下降,所以利用鐵磁性材料的高μ特性來集中分流干擾磁力線的方法只適用于100kHz以下的低頻磁場屏蔽。

2.高頻磁場屏蔽高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導體,如銅、鋁等。當高頻磁場穿過金屬板時,在金屬板上產(chǎn)生感應電動勢。由于金屬板的電導率很高,因此產(chǎn)生很大的渦流,如圖5-10(a)所示渦流又產(chǎn)生反磁場,與穿過金屬板的原磁場相互抵消,同時又增加了金屬板周圍的原磁場?？偟男Ч鞘勾帕€在金屬板四周繞行而過,如圖5-10(b)所示。如果做一個金屬盒把一線圈包圍起來,則線圈電流產(chǎn)生的高頻磁場在金屬盒內(nèi)壁產(chǎn)生渦流,從而把原磁場限制在盒內(nèi),不致于向外泄漏,起到了主動屏蔽作用,如圖5-11(a)所示。圖5-10金屬板的高頻磁場屏蔽金屬盒外的高頻磁場同樣由于渦流作用只能繞過金屬盒,而不能進入盒內(nèi),起到了被動屏蔽作用,如圖5-11(b)所示。如果需要在屏蔽盒上開縫,則縫的方向必須頂著渦流方向,并且縫的寬度要盡可能地縮小。如果開縫切斷了渦流的通路則將大大影響金屬盒的屏蔽效果。圖5-11(a)中金屬盒垂直面上的渦流是水平方向的,所以水平開縫是正確的,而垂直開縫是不正確的。圖5-11高頻磁場的主動屏蔽和被動屏蔽金屬盒的高頻磁場屏蔽效能與高頻磁場在盒體上產(chǎn)生的渦流大小有關。線圈和金屬盒的關系可以看成是變壓器,線圈視為變壓器初級,金屬盒視為一匝短路線圈,作為變壓器的次級,如圖5-12(a)所示。根據(jù)變壓器的原理,金屬盒上的渦流可用下式表示

式中:iS——金屬盒上的渦流;

M——線圈與金屬盒之間的互電感;

i——線圈上的電流;

LS——金屬盒的電感;

rS——金屬盒的電阻。(5-12)在頻率較高時LSω>>rS,式(5-12)可表達為

在頻率較低時LSω>>rS,式(5-12)可表達為渦流和頻率的關系如圖5-12(b)所示。由圖可知在低頻時渦流很小,因此渦流產(chǎn)生的反磁場不足以完全排斥原干擾磁場,可見這種方法不適用于低頻磁場屏蔽。隨著頻率升高,渦流也增大,到一定頻率后渦流不再隨著頻率而升高,說明在高頻情況下盒上的渦流產(chǎn)生的反磁場已足以排斥原有的干擾磁場,從而起到屏蔽作用。圖5-12金屬屏蔽盒上的渦流計算由式(5-12)還可知屏蔽材料的電阻rs越小則產(chǎn)生的渦流越大,屏蔽效果越好,所以高頻磁場屏蔽材料應該用導電性能強的良導體。此外,高頻電流具有集膚效應,渦流只在金屬表面的薄層中流過,所以金屬屏蔽體無需像低頻磁場屏蔽那樣采用較厚的材料,薄薄一層(0.2～0.8mm)金屬良導體就能起到良好的高頻磁場屏蔽作用。在上述的分析中并沒有要求金屬屏蔽體接地,但是在實際使用中金屬屏蔽體都要求接地,因為這樣可以同時屏蔽高頻磁場也能屏蔽電場。5.3.3電磁屏蔽通常所說的屏蔽,一般指的是電磁屏蔽,即對電場和磁場同時加以屏蔽。電磁屏蔽一般是用來防止高頻電磁場的影響的。在交變場中,電場分量和磁場分量總是同時存在的,只是在頻率較低的范圍內(nèi),干擾一般發(fā)生在近場,而近場中隨著干擾源的特性不同,電場分量和磁場分量有很大差別。高壓低電流源以電場為主,磁場分量可以忽略,這時就可以只考慮電場的屏蔽;而低壓大電流干擾源則以磁場為主,電場分量可以忽略,這時就可以只考慮磁場的屏蔽。隨著頻率增高,電磁輻射能力增加,產(chǎn)生輻射電磁場,并趨向于遠場干擾,遠場中的電場、磁場均不能忽略,因而就要對電場和磁場同時屏蔽即電磁屏蔽。高頻時即使在設備內(nèi)部也可能出現(xiàn)遠場干擾,因此需要電磁屏蔽。如前所述,采用良導電材料,就能同時具有對電場和磁場(高頻)屏蔽的作用。由于高頻集膚效應,對于良導體而言其集膚深度很小,因此電磁屏蔽體無須做得很厚,其厚度僅由工藝結(jié)構(gòu)及機械性能決定便可。當頻率在500kHz～30MHz范圍內(nèi),屏蔽材料可選用鋁,而當頻率大于30MHz時,則選用鋁、銅、銅鍍銀等。值得注意的是,電磁屏蔽在完成電磁隔離的同時,可能會給屏蔽體內(nèi)的場源或保護對象帶來一些不良影響。若屏蔽體內(nèi)是接在電壓源上的線圈,則電壓源所產(chǎn)生的電流隨著屏蔽體的出現(xiàn)而改變,這是由于線圈產(chǎn)生的場在屏蔽體內(nèi)表面上感應出電流及電荷,這些電流和電荷產(chǎn)生的二次場反作用于線圈上,在線圈中產(chǎn)生附加感應電動勢,該附加感應電動勢使線圈中的電流發(fā)生改變。若屏蔽體內(nèi)是無源的線圈閉合電路,則在外部場感應電動勢的作用下,電路內(nèi)將產(chǎn)生感應電流。改變外場使有屏蔽及無屏蔽的電動勢保持不變,在這兩種情況下,線圈中的電流是不同的,這是因為線圈中電流產(chǎn)生的場作用于屏蔽體,屏蔽體上電流、電荷產(chǎn)生的二次場反作用于線圈,或者說屏蔽體把復阻抗引入線圈內(nèi),從而改變了線圈中的電流。如果把線圈與外電路斷開,使線圈內(nèi)電流始終為零而不產(chǎn)生電磁場,這時屏蔽體只起電磁隔離的作用而對其內(nèi)的線圈無影響。5.4屏蔽效能的計算屏蔽有兩個目的:一是限制屏蔽體內(nèi)部的電磁騷擾越出某一區(qū)域;二是防止外來的電磁干擾(騷擾)進入屏蔽體內(nèi)的某一區(qū)域。屏蔽的作用通過一個將上述區(qū)域封閉起來的殼體實現(xiàn)。這個殼體可以做成金屬隔板式、盒式,也可以做成電纜屏蔽和連接器屏蔽。屏蔽體一般有實芯型、非實芯型(例如,金屬網(wǎng))和金屬編織帶等幾種類型,后者主要用作電纜的屏蔽。各種屏蔽體的屏蔽效果均用該屏蔽體的屏蔽效能來表示。計算和分析屏蔽效能的方法主要有解析方法、數(shù)值方法和近似方法。解析方法是基于存在屏蔽體及不存在屏蔽體時,在相應的邊界條件下求解麥克斯韋方程。解析方法求出的解是嚴格解,在實際工程中也常常使用。但是,解析方法只能求解幾種規(guī)則形狀屏蔽體(例如,球殼、柱殼、平板屏蔽體)的屏蔽效能,且求解比較復雜。隨著計算機和計算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值方法顯得越來越重要。從原理上講,數(shù)值方法可以用來計算任意形狀屏蔽體的屏蔽效能。然而,數(shù)值方法又可能成本過高。為了避免解析方法和數(shù)值方法的缺陷,各種近似方法在評估屏蔽體屏蔽效能中就顯得非常重要,在實際工程中獲得了廣泛應用。5.4.1金屬平板屏蔽效能的計算由理論分析得出,當屏蔽體兩側(cè)媒質(zhì)相同時,總的磁場傳輸系數(shù)(或透射系數(shù))TH與總的電場傳輸系數(shù)(或透射系數(shù))TE相等,即

(5-13)

由(5-6)式,得(5-14)式中,

是電磁波在屏蔽體中的傳輸損耗(或吸收損耗);是電磁波在屏蔽體的表面產(chǎn)生的反射損耗;是電磁波在屏蔽體內(nèi)多次反射的損耗。如圖5-13所示,屏蔽體的屏蔽效能由兩部分構(gòu)成,吸收損耗和反射損耗。當電磁入射到不同媒質(zhì)的分界面時,就會發(fā)生反射,于是減小了繼續(xù)傳播的電磁波的強度。反射的電磁波稱為反射損耗,當電磁波在屏蔽材料中傳播時,會產(chǎn)生損耗,這構(gòu)成了吸收損耗。SE=R+A+B(dB)

(5-15)圖5-13金屬平板屏蔽效能計算

1.傳輸損耗(吸收損耗)A的計算

吸收損耗是電磁波通過屏蔽體所產(chǎn)生的熱損耗引起的,電磁波在屏蔽體內(nèi)的傳播常數(shù)為

(5-16)

式中,為趨膚深度;α=1/δ為衰減常數(shù);β=1/δ為相移常數(shù)。由于k0<<α,因而吸收損耗可忽略因子。因此以dB為單位吸收損耗表達式為:

(5-17)

式中,f為頻率(Hz);μr、σr為屏蔽體材料相對于銅的相對磁導率和相對電導率(銅的μ0=4π×10－7H/m,σ0=5.82×107/Ω·m);l為壁厚(cm)。從(5-17)式可以看出,在頻率較高時,吸收損耗是相當大的,表5-1給出了幾種金屬材料在吸收損耗分別為A=8.68dB、20dB、40dB時所需的屏蔽平板厚度l。由表5-1可以看出:①當f≥1MHz時,用0.5mm厚的任何一種金屬板制成的屏蔽體,能將場強減弱為原場強的1/100左右。因此,在選擇材料與厚度時,應著重考慮材料的機械強度、剛度、工藝性及防潮、防腐等因素。②當f≥10MHz時,用0.1mm厚的銅皮制成的屏蔽體能將場強減弱為原場強的1/100甚至更低。因此,這時的屏蔽體可用表面貼有銅箔的絕緣材料制成。③當f≥100MHz時,可在塑料殼體上鍍或噴以銅層或銀層制成屏蔽體。表5-1幾種金屬的電導率σ、磁導率μ及屏蔽厚度表5-2列出了常用金屬材料對銅的相對電導率和相對磁導率。根據(jù)要求的吸收衰減量可求出屏蔽體的厚度,由式(5-17)得

(5-18)表5-2常用金屬材料對銅的相對電導率和相對磁導率

2.反射損耗R的計算反射損耗是由屏蔽體表面處阻抗不連續(xù)性引起的,計算為

(5-19)

(5-20)

式中,Zw為干擾場的特征阻抗,即自由空間波阻抗;為屏蔽材料的特征阻抗。通常，則有

(5-21)

自由空間波阻抗在不同類型的場源和場區(qū)中,其數(shù)值是不一樣的。①在遠場（）平面波的情況下Zw=120π=377(Ω)

(5-22(a))②在低阻抗磁場源的近場（）

(5-22(b))

③在高阻抗電場源的近場（）

(5-22(c))

式中,r為場源至屏蔽體的距離(m),把(5-22)式代入(5-21)式,可得出三種情況下的反射損耗,見表5-3。表5-3反射損耗從表5-3可以看出,屏蔽體的反射損耗不僅與材料自身的特性(電導率、磁導率)有關,而且與金屬板所處的位置有關,因而在計算反射損耗時,應先根據(jù)電磁波的頻率及場源與屏蔽體間的距離確定所處的區(qū)域。如果是近區(qū),還需知道場源的特性,若無法知道場源的特性及干擾的區(qū)域(無法判斷是否為遠、近場)時,為安全起見,一般只選用RH的計算公式,因為RH、RE、Rp存在以下關系:RE>RP>RH

3.多次反射損耗B的計算

式中,Zw為干擾場的特征阻抗;為屏蔽材料的特征阻抗。(5-23)多次反射損耗是電磁波在屏蔽體內(nèi)反復碰到壁面所產(chǎn)生的損耗。當屏蔽體較厚或頻率較高時,導體吸收損耗較大,這樣當電磁波在導體內(nèi)經(jīng)一次傳播后到達屏蔽體的第二分界面時已很小,再次反射回金屬的電磁波能量將更小。多次反射的影響很小,所以在吸收損耗大于15dB時,多次反射損耗B可以忽略,但在屏蔽體很薄或頻率很低時,吸收損耗很小,此時必須考慮多次反射損耗。5.4.2非實芯型的屏蔽體屏蔽效能的計算金屬屏蔽體孔陣所形成的電磁泄漏,仍可采用等效傳輸線法來分析,其屏蔽效能表達式為

式中,Aa為孔的傳輸衰減;Ra為孔的單次反射損耗;Ba為多次反射損耗;K1為與孔個數(shù)有關的修正項;K2為由趨膚深度不同而引入的低頻修正項;K3為由相鄰孔間相互耦合而引入的修正項。(5-24)式中各參數(shù)的單位均為分貝(dB)。(5-24)式前三項分別對應于實芯型屏蔽體的屏蔽效能計算式中的吸收損耗、反射損耗和多次反射損耗。后三項是針對非實芯型屏蔽引入的修正項目。各項的計算公式如下。

(1)Aa項:當入射波頻率低于孔的截止頻率fc(按矩形或圓形波導孔截止頻率計算)時,可按下述兩式計算:矩形孔

圓形孔式中,Aa為孔的傳輸衰減(dB);l為孔深(cm);W

為與電場垂直的矩形孔寬度(cm);D為圓形孔的直徑(cm)。(5-25(a))(5-25(b))

(2)Ra項:取決于孔的形狀和入射波的波阻抗,其值由下式確定:

(5-26)式中,p為孔的特征阻抗與入射波的波阻抗之比,根據(jù)波導理論可知,在截止情況下矩形孔的特征阻抗為圓形孔的特征阻抗為(5-27(a))(5-27(b))各種入射波的波阻抗由(5-22)式給出,對于低阻抗場的矩形孔有

(5-28(a))

對于低阻抗場的圓形孔有

(5-28(b))同理可得,對于高阻抗場的矩形孔

(5-29(a))

對于高阻抗場的圓形孔:

(5-29(b))對于平面波場矩形孔:

(5-30(a))

對于平面波場圓形孔:

(5-30(b))

上式中,W為矩形孔寬邊長度(m),D為圓形孔的直徑(m),r

是干擾源到屏蔽體的距離(m),f

是頻率(Hz),λ為波長(m)。

(3)Ba項:當Aa<15dB時,多次反射修正項由下式確定

(5-31)

式中,p與(5-24)式中的p

的意義相同;Aa由(5-23)式給出。

(4)K1項:當干擾源到屏蔽體的距離比孔間距大得多時,孔數(shù)的修正項由下式確定K1=－10lg(an)(5-32)式中,a為單個孔的面積(cm2);n

為每平方厘米面積上的孔數(shù)。如果干擾源非常靠近屏蔽體,則K1可忽略。

(5)K2項:當趨膚深度接近孔間距(或金屬網(wǎng)絲直徑)時,屏蔽體的屏蔽效能將有所降低,用趨膚深度修正項表示這種效應的影響。K2=－20lg(1+35P－2.3)(5-33)式中,P為孔間隔導體寬度與集膚深度之比。

(6)K3項:當屏蔽體上各個孔眼相距很近,且孔深比孔徑小得多時,由于相鄰孔之間的耦合作用,屏蔽體將有較高的屏蔽效能。相鄰孔耦合修正項由下式確定:

(5-34)5.4.3多層屏蔽體屏蔽效能的計算在屏蔽要求很高的情況下,單層屏蔽往往難以滿足要求,這就需要采用多層屏蔽。圖5-14給出了三層屏蔽體的示意圖。圖5-14三層平板屏蔽示意圖理論分析得出,三層屏蔽的屏蔽效能為

(5-35)

式中,An、Rn、Bn分別為單層屏蔽的吸收損耗、反射損耗和多次反射損耗,其單位均為dB。同理,可得出多層(n層)屏蔽體的屏蔽效能為

(5-36)

值得注意的是,一般多層屏蔽體大多是如圖5-15所示的結(jié)構(gòu),其間的夾層為空氣,此時應用三層屏蔽體屏蔽效能的公式(設兩個實體金屬屏蔽體為同一種金屬,且厚度相等為l)。則有(5-37)(5-38)(5-39)(5-40)由于B2在一定的頻率范圍內(nèi)為負值,說明采用如圖5-15所示的雙層屏蔽體的屏效可能小于兩個單層屏蔽體屏蔽效能之和。這是由于穿透第一層屏蔽體的電磁波在兩壁之間的空間內(nèi)多次反射后,仍會有相當一部分穿透第二層屏蔽體進入屏蔽空間,造成屏蔽效能降低。圖5-15中間為空氣夾層的雙層屏蔽體同時還應注意到,在頻率很高時,電磁波在兩屏蔽層間會產(chǎn)生諧振。當兩屏蔽層間距l(xiāng)2=(2n－1)λ/4(n＝1,2,3,…),即兩層間距為1/4波長的奇數(shù)倍時,雙層屏蔽具有最大的屏蔽效能,約為(2SE+6dB),其中SE為單層屏效。當l2=2nλ/4,即間距為1/4波長的偶數(shù)倍時,屏蔽效能最小,約為(2SE－R),其中R為單層屏蔽的反射損耗。5.4.4導體球殼屏蔽效能的計算上面所用的分析方法是將實際具有各種形狀的屏蔽體作為無限大平板處理,所得屏蔽效能僅僅是屏蔽體材料、厚度以及頻率的函數(shù),而忽略了屏蔽體形狀的影響。這種處理方法只適用于屏蔽體的幾何尺寸比干擾波長大,以及屏蔽體與干擾源間距離相對較大這種情況,即只適用于頻率較高的情況。當需考慮屏蔽體的形狀和計算低頻情況的屏蔽效能時,上述等效傳輸線法往往不能滿足要求。利用電磁場邊值問題的各種解法,可求出屏蔽前后某點的場強,從而可以進行屏蔽效能計算。電磁場邊值問題的解法很多,其中有解析方法(分離變量法、格林函數(shù)法等)和數(shù)值解法(矩量法、有限差分法等),對于求解導體球殼的屏蔽問題,可用嚴格解析法來計算,也可用似穩(wěn)場解法。首先求解出低頻場的屏蔽效能,然后推廣給出高頻情況下的屏蔽效能公式。為了避免冗長的數(shù)學推導,這里直接給出,利用似穩(wěn)場解法所求得的導體薄壁空心球殼在電屏蔽和磁屏蔽兩種情況下的屏蔽效能公式。

(1)電屏蔽情況導體球殼在低頻和高頻的屏蔽效能SELFE和SEHFE,分別為

(5-41(a))

(5-41(b))

(2)磁屏蔽情況導體球殼在低頻和高頻的屏蔽效能SELFE和SEHFE,分別為

在上式中,a為球殼的半徑;d為殼壁的厚度,且a>>d;σ為導電率;δ為集膚深度;μr為屏蔽材料的相對導磁率。(5-42(a))

(5-42(b))例如,將一個半徑為457mm,壁厚為1.6mm的鋁制球殼,分別置于頻率為1～105Hz的均勻交變電場和磁場中,利用(5-41)式計算出各頻率上的電屏蔽的屏蔽效能如圖5-16(a)所示。利用(5-42)式所計算出的各頻率上磁屏蔽的屏蔽效能如圖5-16(b)所示。圖5-16中還給出了利用嚴格解析法所計算的理論曲線,由圖可見(5-41)式和(5-42)式具有較好的精度。這些公式還可用于近似計算正立方體殼作為屏蔽體時的屏效,其方法是首先求出與該正方體等體積的等效球殼的相應尺寸,而后再利用(5-41)式和(5-42)式。圖5-16球殼屏蔽5.4.5圓柱形殼體低頻磁屏蔽效能的近似計算

當圓柱形屏蔽殼體的內(nèi)半徑為a、外半徑為b、平均值re＝(a+b)/2且re>>d(屏蔽殼的厚度),干擾磁場方向垂直圓柱形屏蔽殼體的軸向時,屏蔽效能可近似計算為

(5-43)5.5屏蔽材料5.5.1導磁材料根據(jù)磁屏蔽理論,磁屏蔽是利用由高導磁材料制成的磁屏蔽體,提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽體上的分流,來達到屏蔽的目的。因而磁導率成為選擇磁屏蔽材料的主要依據(jù)。表2-1和表2-2給出的常用材料的電特性能參數(shù)中,μr值是直流情況下的相對磁導率,事實上磁屏蔽所采用的鐵磁性材料,其相對磁導率μr不是常數(shù),而是外加磁場強度及場的變化頻率的函數(shù)。通常磁性材料分為弱磁性材料和強磁性材料兩種。弱磁性材料:順磁性物質(zhì)(如鋁等金屬);抗磁性物質(zhì)(如銅等金屬)。強磁性材料:鐵磁性物質(zhì)(如鐵、鎳等金屬)。弱磁性材料的特點是:相對磁導率μr＝1,B與H是線性關系,μr在任意頻率的環(huán)境中,始終保持常數(shù)。鐵磁性材料的特點是:B與H為非線性關系,頻率增高,磁導率μr降低。因而在進行磁屏蔽設計時,應根據(jù)實際情況選定μr,否則就會產(chǎn)生過大的誤差,使屏蔽的定量設計失去了應有的作用。鐵磁性材料的磁化曲線及μr隨頻率的變化關系曲線分別如圖5-17及圖5-18所示。圖5-17鐵磁材料的μr－H曲線圖5-18鐵磁材料的μr－f曲線從圖5-18可以看出,鐵磁性材料在頻率很高時,由于發(fā)生嚴重的磁損耗,使磁導率大為降低,因此只能采用導電性能良好的材料做為屏蔽體。此外,鐵磁性材料尤其是高磁導率材料,對機械應力較為敏感,這類材料在加工時,受到機械力的作用,使磁疇的排列方向混亂,導致磁導率大為降低。例如,坡莫合金經(jīng)機械加工后未經(jīng)退火處理的磁導率僅為退火后磁導率的5％左右。因此磁屏蔽體在經(jīng)機械加工后,必須進行退火處理,使磁疇排列方向一致,以提高材料的磁導率,其退火工序安排在屏蔽罩的機械加工全部完成之后進行。5.5.2導電材料根據(jù)屏蔽理論,電屏蔽和電磁屏蔽是利用由導電材料制成的屏蔽體并結(jié)合接地,來切斷干擾源與感受器之間的耦合通道,以達到屏蔽的目的,因而電導率成為選擇屏蔽材料的主要依據(jù)。由于電導率是一常數(shù),不隨場強及頻率的變化而變化,因此電屏蔽和電磁屏蔽設計較磁屏蔽要簡單得多,只需根據(jù)應用情況及經(jīng)濟成本選擇盡可能好的導電材料即可。5.5.3薄膜材料與薄膜屏蔽現(xiàn)代電子設備,尤其是計算機、通信與數(shù)控設備廣泛地采用了工程塑料機箱,它的加工工藝性能好,通過注塑等工藝,機箱具有造型美觀、成本低、重量輕等優(yōu)點。為了具備電磁屏蔽的功能,通常在機箱上采用噴導電漆、電弧噴涂、電離鍍、化學鍍、真空沉積、貼導電箔(鋁箔或銅箔)及熱噴涂工藝,在機箱上產(chǎn)生一層導電薄膜,稱為薄膜材料。假定導電薄膜的厚度為1,電磁波在導電薄膜中的傳播波長為λ。若1<λ/4,則稱這種屏蔽層的導電薄膜為薄膜材料,這種屏蔽為薄膜屏蔽。由于薄膜屏蔽的導電層很薄,吸收損耗幾乎可以忽略,因此薄膜屏蔽的屏效主要取決于反射損耗,表5-4給出了銅薄膜在頻率為1MHz和1GHz時,不同厚度的屏蔽效能計算值。表5-4銅薄膜屏蔽層的屏蔽效能由表5-4可見,薄膜的屏效幾乎與頻率無關。只有在屏蔽層厚度大于λ/4時,由于吸收損耗的增加,多次反射損耗才趨于零,屏蔽效能才隨頻率升高而增加。表5-5給出了各類方法所形成的薄膜屏蔽層的電阻、厚度及所能達到的電磁屏蔽效能值。表5-5各種噴涂方法可達到的屏蔽效能5.5.4導電膠與導磁膠導電膠和導磁膠是電子工業(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體,故所有的導電、導磁膠都是在普通膠粘劑中添加導電、導磁填料配制而成的。

1.導電膠粘劑導電膠粘劑是由樹脂、固化劑和導電填料配制而成的。常用的樹脂是環(huán)氧樹脂、聚氨脂、酚醛樹脂、丙烯樹脂等。導電填料主要有銀粉、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置換或電解沉淀法制成的超細銀粉。為達到良好的導電性,一般銀粉添加量為樹脂的2.5倍左右,乙炔炭黑或石墨粉等用量為樹脂的0.5～1倍左右。

2.導磁膠粘劑

導磁膠粘劑是由樹脂、固化劑和導磁鐵粉(羰基鐵粉)等組成。導磁膠主要用于各種變壓器鐵芯和磁芯的膠接。表5-6給出了常用導電、導磁膠粘劑的參數(shù)。表5-6常用導電、導磁膠粘劑隨著技術(shù)的發(fā)展,新型導電、導磁膠粘劑也不斷產(chǎn)生,如硅脂導電膠(CHO-BOND-1030)、環(huán)氧導電膠(CHO-BOND-0584-29)等。導電膠的選用也應注意不同材料接觸所引起的電化學腐蝕。導電膠對于某些環(huán)境因素(如水浸、潮熱等)比較敏感,導致膠接接頭強度下降,電阻率增高,但對溫度不敏感。5.6屏蔽完整性設備的外殼對內(nèi)部易受干擾的組件進行屏蔽保護,此時設備的外殼要按屏蔽要求來設計。但其殼體為了設備的正常工作,還必須為電源線、控制線,信號線的輸入/輸出線等留下引線孔,基于散熱、通風等原因,還需在殼體上開孔開窗,這就造成電氣不連續(xù),使屏蔽效能大大降低,造成外殼泄漏或易受干擾。完全屏蔽是理想情況,但在實際的屏蔽中很難做到。要使一個機殼在從直流到可見光電磁波頻率范圍內(nèi)提供110dB的屏蔽效能或達到我們的設計要求,往往是非常不現(xiàn)實的,這就需要設計者根據(jù)實際情況制定殼體屏蔽設計方案。對屏蔽進行完整性設計是完全必要的。在屏蔽的設計中需要考慮以下的一些因素:蓋板、通風孔、測量儀表的指示窗、顯示窗、電位器軸、指示燈、保險絲、開關、門、各種線、電源線和信號線連接器。顯然,幾乎在所有實際應用中都需要對孔、縫隙進行屏蔽。雖然從理論上講,對殼體的所有邊進行很好的焊接就能提供極好的屏蔽,但這在實際中是不可能的。因此,就有必要考慮采用哪種材料來提高屏蔽的完整性。

1.蓋板為了儀器的維護、測試或校準,需要一次一次地打開儀器帶孔的蓋板。對于金屬蓋板來說,最常采用的方法是使用導電填料或硅樹脂填料。另一方法是指形物支撐,采用銅鈹合金指形支撐物時,由于它們比較容易損壞,小心使用非常必要。一般來講,最好的方法是采用編織導線網(wǎng)或加有金屬微粒的硅樹脂填料。如果出入口是臨時使用,那么可以考慮導電填料。當蓋板移去時,需要把已有的導電填料刮除報廢,露出配件干凈的接觸表面;當蓋板重新蓋上時,再仔細填入新的填料以保證接合的完整性。

2.通風孔通風孔的處理一般采用兩種方法,一種是采用屏蔽蓋板;另一種是采用蜂窩狀蓋板。通常,對于屏蔽室和屏蔽機殼,既需要對流通風也需要風扇強制通風。因為必須要從射頻衰減和對空氣流的阻力來綜合考慮通風口所用電磁屏的屏蔽材料。屏蔽蓋板相對較便宜,但它的屏蔽效能有限,并且由于紊流還會影響空氣的流動。蜂窩狀材料常常被采用,這是因為這種材料既能提供較高的屏蔽效能又能提供線形空氣流。在蜂窩狀結(jié)構(gòu)中,每一個六邊形單元都是一個截止波導,用于提高屏蔽效能。設計者可用蜂窩狀材料來密封可能成為RF干擾信號通道的散熱孔、通風孔和光線孔。這種材料具有重量輕、空氣流阻力小、屏蔽效能高等優(yōu)點。面板是根據(jù)用戶的要求做成預先鉆孔或有固定鉤扣的剛性鋁結(jié)構(gòu)。

3.縫隙屏蔽體上的接縫處由于結(jié)合表面不平、清洗不干凈、有油污或焊接質(zhì)量不好、緊固螺釘之間、鉚釘之間存在空隙等原因會在接縫處造成縫隙。若電磁波垂直入射穿過縫隙,則它在縫隙的傳輸特性和自由空間的傳輸特性是不一樣的,這是因為縫隙形狀窄長且較深。當縫長小于1/4波長時,根據(jù)波導理論可以認為,在平面波作用下,縫隙中的波阻抗將大于自由空間波阻抗。在縫隙入口處由于波阻抗的突變而引起反射損耗。入射波通過縫隙時會發(fā)生反射損耗與傳輸損耗,從而產(chǎn)生屏蔽作用,縫隙中的電磁傳播過程既不同于金屬整體內(nèi)部傳播,又不同于自由空間傳播,因此它會造成帶有縫隙的金屬屏蔽體的屏蔽效能下降。當金屬屏蔽體縫隙的縫長大約等于三倍金屬板的集膚深度時,縫隙的吸收損耗和金屬板的吸收損耗相等,縫隙基本上不降低屏蔽效能。若縫長大于三倍金屬板的集膚深度時,則縫隙屏蔽效能就會減小,因此我們可以采用以下幾種方法來提高屏蔽效能。

(1)增加縫隙深度:盒箱殼體中活動端面的接合處存在著最常見的屏蔽體的縫隙,縫隙深度往往主要取決于屏蔽體的壁厚。若在連接處加上邊,不但增加接觸面,便于緊固,而且還增加了縫隙深度,這使吸收損耗增加,從而提高總的屏蔽效能。

(2)提高接合面加工精度:提高接合面的加工精度是減少漏縫的有效方法,但采用精密加工方法會使成本驟增,通常采用鑄造成型加工、端面磨平加工、電焊接加工等可以取得較好的效果。例如,在航空航天領域的機載設備,為提高屏蔽效能,其中不乏采用整體精密鑄造和焊接連接的機盒。

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