《電磁兼容技術(shù)及其應(yīng)用》課件第3章

第三章電磁干擾的抑制

3.1接地與搭接3.2屏蔽3.3濾波

3.1接地與搭接

1.接地的基本概念

電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”；另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”。接地就是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)電位基準(zhǔn)面之間建立低阻的導(dǎo)電通路?！敖哟蟮亍笔且缘厍虻碾娢蛔鳛榛鶞?zhǔn)，并以大地作為零電位，把電子設(shè)備的金屬外殼、線路選定點(diǎn)等通過接地線、接地極等組成的接地裝置與大地相連接。“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”是指信號(hào)回路的基準(zhǔn)導(dǎo)體(電子設(shè)備通常以金屬底座、機(jī)殼、屏蔽罩或粗銅線等作為基準(zhǔn)導(dǎo)體)電位設(shè)為零電位，把線路選定點(diǎn)與基準(zhǔn)導(dǎo)體間的連接稱為“接地系統(tǒng)基準(zhǔn)”。理想的接地平面是一個(gè)零電位、零阻抗的物理體，任何干擾信號(hào)通過它都不會(huì)產(chǎn)生電壓降。但在實(shí)際上，理想的接地平面是不存在的。即使電阻率接近于零的超導(dǎo)體，其表面兩點(diǎn)之間渡越時(shí)間的延遲也會(huì)呈現(xiàn)某種電抗效應(yīng)。接地平面上點(diǎn)并非都經(jīng)常處于零電位，有高電位作用區(qū)或大電流作用區(qū)，也有高電位和大電流同時(shí)作用區(qū)，有時(shí)在兩接地點(diǎn)之間要產(chǎn)生幾微伏的電位差。

接地的目的主要有兩個(gè)：一是為了安全，稱為保護(hù)接地；二是為信號(hào)電壓提供一個(gè)穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)，稱為信號(hào)地或系統(tǒng)地。圖3.1-1機(jī)箱通過雜散阻抗而帶電一般電子設(shè)備的金屬外殼必須接大地，這樣可以避免因事故導(dǎo)致金屬外殼上出現(xiàn)過高的對(duì)地電壓而危及操作人員和設(shè)備的安全。例如，圖3.1-1所示的情況，如果設(shè)備外殼不接地，其內(nèi)部的高頻、高壓、大功率電路與機(jī)箱存在雜散阻抗。設(shè)備工作時(shí)，機(jī)箱上產(chǎn)生的電壓為

式中，U2為機(jī)箱上電壓，U1為電路中高壓部件的電壓，Z1為高壓部件與機(jī)箱間的雜散阻抗，Z2為機(jī)箱與大地間的阻抗。(3.1.1)機(jī)箱上的電壓U2取決于Z1和Z2的大小。若Z2比Z1大得多，則機(jī)箱上的電壓U2就接近高壓部件電壓U1，就會(huì)危及操作人員的安全；反之，若Z2比Z1小得多(外殼接地)，則U2<<U1，且U2近似等于零。

2.接地的方式

通常采用的接地方式有三種：浮地、單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。有時(shí)還采用另外一種接地方式，把單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地組合起來(lái)稱為混合接地。

1)浮地

浮地是指設(shè)備地線系統(tǒng)在電氣上與大地相絕緣，這樣可以減小由于地電流引起的電磁干擾。圖3.1-2(a)所示為系統(tǒng)地懸浮的情形，各個(gè)電路的系統(tǒng)與地連通，但與大地絕緣。若浮地系統(tǒng)對(duì)地的電阻很大，對(duì)地分布電容很小，則由外部共模干擾引起的流過電子線路的干擾電流就很小。圖3.1-2(b)所示為共模干擾作用下的等效電路，來(lái)自電源等的外部干擾電壓UN通過代表電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的等效阻抗R1加到電源變壓器、電纜屏蔽層或外殼上，在受干擾部分的阻抗R3、L3上產(chǎn)生干擾電壓U0，此電壓經(jīng)線路間的分布電容C1耦合到電子線路，經(jīng)對(duì)地電阻RK和對(duì)地電容CK流回大地，并使電子線路對(duì)地電位發(fā)生波動(dòng)。若RK很大、CK很小(即良好浮地)，則流過電子線路的干擾電流就很小，其影響可以忽略。此外，這種方式對(duì)直接進(jìn)入的傳導(dǎo)干擾同樣有抑制作用，并能避免因接地不當(dāng)而產(chǎn)生的干擾。圖3.1-2浮地系統(tǒng)及其干擾模式浮地的缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與大地相連，容易產(chǎn)生靜電積累現(xiàn)象，這樣積累起來(lái)的電荷達(dá)到一定程度后，在設(shè)備和大地之間會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)大放電電流的靜電擊穿現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，在設(shè)備與大地之間可以接入一個(gè)阻值很大的泄放電阻，以消除靜電積累的影響。另外，由于浮地的有效性取決于實(shí)際的對(duì)地懸浮程度，因此浮地方式不能適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。特別對(duì)于較大的電子系統(tǒng)，因?yàn)橛休^大的對(duì)地分布電容，所以很難保證真正的懸浮。當(dāng)系統(tǒng)基準(zhǔn)電位因受干擾不穩(wěn)定時(shí)，通過對(duì)地分布電容出現(xiàn)位移電流，使設(shè)備不能正常工作。一般地說(shuō)，低頻、小型電子設(shè)備，容易做到真正的絕緣，隨著絕緣材料的發(fā)展和絕緣技術(shù)的提高，比較普遍采用浮地方式。大型及高頻電子設(shè)備則不宜采用浮地方式。

2)單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是指在一個(gè)線路或整個(gè)電路系統(tǒng)中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接到這一點(diǎn)上，如圖3.1-3所示。圖3.1-3單點(diǎn)接地當(dāng)單點(diǎn)接地的幾條連接線的長(zhǎng)度與電路工作波長(zhǎng)相比很小時(shí)，可以采用這種方式接地。當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率很高，連線長(zhǎng)度可以和工作波長(zhǎng)相比擬時(shí)，就成為微波技術(shù)中講到的長(zhǎng)線，這時(shí)就相當(dāng)于一段終端短路的傳輸線，特別當(dāng)線長(zhǎng)等于1/4波長(zhǎng)時(shí)，連接電路端等效為開路，相當(dāng)于沒有接地。所以，單點(diǎn)接地僅適用于低頻設(shè)備系統(tǒng)中。

單點(diǎn)接地系統(tǒng)應(yīng)盡量避免使地線構(gòu)成回路，因此在配置上經(jīng)常是使地線成為樹杈狀，在結(jié)構(gòu)上有如下三種形式。

(1)用獨(dú)立接線排的單點(diǎn)接地系統(tǒng)。在設(shè)施中各系統(tǒng)均以一獨(dú)立的接地排連接在設(shè)施的主接地板上，如圖3.1-4所示。圖3.1-4采用獨(dú)立接線排的單點(diǎn)接地

(2)用公共母線的單點(diǎn)接地系統(tǒng)，如圖3.1-5所示，每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的各分系統(tǒng)是單點(diǎn)接地，然后利用單根絕緣導(dǎo)線把每個(gè)系統(tǒng)的接地點(diǎn)連接到樹杈狀的接地母線上。

(3)用主板接地和支路接地板的單點(diǎn)接地。在設(shè)施中心安接主接地板，設(shè)施中的各設(shè)備支路接地板都通過主干接地電纜接到該板上，而該板再與設(shè)施的大地電極連接。圖3.1-5采用公共母線的單點(diǎn)接地

3)多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指電子設(shè)備(或系統(tǒng))中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以使連接線的長(zhǎng)度最短，如圖3.1-6所示。這里所說(shuō)的接地平面可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的接地母線。在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架。

多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。因此，它是高頻信號(hào)電路的唯一實(shí)用的接地方式。但是多點(diǎn)接地使設(shè)備內(nèi)存在許多地線回路，因此，提高接地系統(tǒng)的質(zhì)量就變得十分重要。當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度超過λ/8時(shí)，多點(diǎn)接地就需要一個(gè)等電位接地平面。系統(tǒng)中每一級(jí)或每一裝置都各自用接地線分別單點(diǎn)就近接地，其每一級(jí)中的干擾電流就只能在本級(jí)中循環(huán)，而不會(huì)耦合到其他級(jí)中。圖3.1-6多點(diǎn)接地

4)混合接地

混合接地就是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的組合。單點(diǎn)接地的應(yīng)用頻率范圍一般為300kHz以下，在有些場(chǎng)合也可用3MHz以上；多點(diǎn)接地應(yīng)用頻率范圍一般為300kHz以上，在很多場(chǎng)合為500kHz~30MHz；混合接地的應(yīng)用頻率范圍為50kHz~10MHz。(1)電路混合接地。以一個(gè)圖像放大電路為例，該電路的工作頻率從低頻到高頻(6MHz)，如圖3.1-7所示。主放大器外殼直接接地；負(fù)載端的外殼則通過電容(有時(shí)利用分布電容)接地；同軸電纜屏蔽層經(jīng)同軸連接器與兩外殼相接。這樣，在低頻時(shí)，由于負(fù)載的外殼對(duì)地呈高阻抗，僅主放大器外殼一點(diǎn)接地。而在高頻時(shí)，由于負(fù)載端外殼被電容旁路到地，實(shí)現(xiàn)了混合接地。圖3.1-7電路的混合接地

(2)電子設(shè)備的混合接地。如圖3.1-8所示，在該電子設(shè)備中既有低頻電路又有高頻電路，這時(shí)應(yīng)使用混合接地方式。設(shè)備中各部分的電源地線都接到電源總地線上，所有的信號(hào)地都接到信號(hào)總地線上。兩根總線最后匯總到一個(gè)公共的入地點(diǎn)，即大地電極。在信號(hào)地中，根據(jù)不同的工作頻率采用相應(yīng)的接地方式。如射頻、中頻放大器及中放、視放部分采用多點(diǎn)接地方式；顯示器、掃頻電路、記錄儀等低頻電路則采用單點(diǎn)接地方式。圖3.1-8電子設(shè)備的混合接地

3.電路接地

1)電路接地的考慮

設(shè)備中電路接地平面應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的所有頻率都呈現(xiàn)可忽略的低阻抗，該接地平面作為電路的公共地回路。每個(gè)電路都會(huì)向接地平面送出它自身的電流。任何一個(gè)地回路，當(dāng)它繞過或穿過別的地回路時(shí)，就會(huì)引起電路之間或級(jí)之間的耦合而產(chǎn)生干擾。這個(gè)干擾電壓取決于接地平面上兩個(gè)電路接點(diǎn)之間的阻抗以及該接地平面內(nèi)的電流。為了減少由于接地平面引入的有害耦合影響，可以把電路元件分為幾組接地，以使回路盡量短而直，盡量避免交叉。此外，還可以利用隔離變壓器電路來(lái)抑制地電勢(shì)的影響。

2)單級(jí)電路的接地

如圖3.1-9所示，同一放大電路采用了兩種接地方式，即單點(diǎn)和多點(diǎn)接地。但是對(duì)于單級(jí)電路來(lái)說(shuō)，最好是一點(diǎn)接地，因?yàn)榈鼐€不是理想的零阻抗。當(dāng)多點(diǎn)接地時(shí)，三個(gè)接地點(diǎn)a、b、c的電位是不等的，這樣在晶體管的輸入端就引入了由地電流Ig形成的干擾電壓，使電路工作不穩(wěn)定甚至失誤。而單點(diǎn)接地時(shí)，地電流Ig對(duì)晶體管的輸入端沒有影響。圖3.1-9單級(jí)電路接地

3)多級(jí)電路的接地

多級(jí)電路接地點(diǎn)的選擇是十分重要的。圖3.1-10所示為多級(jí)電路的串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式，圖3.1-10(a)的接地點(diǎn)靠近高電平端，圖3.1-10(b)的接地點(diǎn)靠近低電平端。設(shè)A、B、C三級(jí)電路的電平依次為由低電平到高電平。當(dāng)接地點(diǎn)選在高電平端c點(diǎn)時(shí)，則低電平級(jí)a點(diǎn)的對(duì)地電位為

Ucg=ZabIa+Zbc(Ia+Ib)+Zcg(Ia+Ib+Ic)

(3.1.2)

式中，Zab為地線ab段的地阻抗；Zbc為地線bc段的地阻抗；Zcg為地線cg段的地阻抗。圖3.1-10多級(jí)電路的接地點(diǎn)選擇

(a)錯(cuò)誤；(b)正確當(dāng)接地點(diǎn)選擇在靠近多級(jí)電路的低電平端a點(diǎn)時(shí)，則低電平級(jí)a點(diǎn)的對(duì)地電位為

Uag=Zag(Ia+Ib+Ic)

(3.1.3)

式中，Zag為地線ag段的地阻抗。

設(shè)Zag=Zcg，比較式(3.1.2)和式(3.1.3)，可得到Ucg>Uag?？梢姡嗉?jí)電路的接地點(diǎn)選擇應(yīng)靠近低電平端，這時(shí)，地電位對(duì)電路的干擾最小。

4.電源接地

1)電源接地的考慮

為了減少電源母線上的負(fù)載感生噪聲，電流的一端必須很好地接地。圖3.1-11(a)所示為兩負(fù)載共用一個(gè)電源供電的情況，圖3.1-11(b)所示為兩負(fù)載采用各自獨(dú)立的電源供電的情況。這種分開的供電方法有助于減少通過公共電源母線上產(chǎn)生的負(fù)載感生干擾。

當(dāng)然，最理想的方法是每一個(gè)負(fù)載有一個(gè)單獨(dú)的電源，但通常是不允許的。比較經(jīng)濟(jì)又好的辦法是像圖3.1-11(b)那樣的負(fù)載分離法，或者在圖3.1-11(a)中接入去耦電路。一般去耦電路由電阻和電容器構(gòu)成，也可由電阻和齊納二極管等穩(wěn)壓器件構(gòu)成。去耦電路中的電容器和電阻值大小的選擇，應(yīng)滿足頻率f0=遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于去耦頻率。

圖3.1-11電源供電情況

2)電源回線

電源回線主要有兩種實(shí)施方式，即公共回線(通過接地系統(tǒng)或機(jī)殼)，或用一根導(dǎo)線作電源回線。雖然公共回路可以節(jié)省導(dǎo)線，但電流通過公共回線時(shí)，會(huì)在作為回線的接地平面或機(jī)殼上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降雖然比電源系統(tǒng)的各種供電電壓小得多，但可能高于電子系統(tǒng)中某些級(jí)的信號(hào)電平。所以在那些用框架和結(jié)構(gòu)作電源回線的電子系統(tǒng)中，就會(huì)碰到潛在的干擾問題。采用專用一根導(dǎo)線作為電源回線時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是可以提供一個(gè)比較完善的單點(diǎn)接地，而不構(gòu)成復(fù)雜的接地環(huán)路，從而減少了最容易引起不兼容的接地環(huán)路和公共阻抗。

5.信號(hào)接地

信號(hào)接地方式主要采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)電平相差較大時(shí)，要采用串并聯(lián)的接地方法，并按信號(hào)由小到大逐步移動(dòng)的原則。交流電源的地線不能作信號(hào)地線，因?yàn)橐话汶娫吹鼐€間的兩點(diǎn)間的電壓有幾百毫伏至幾伏的范圍，這對(duì)信號(hào)電平，尤其是低電平信號(hào)是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾。為了防止輻射干擾和降低地線阻抗，對(duì)信號(hào)接地線的長(zhǎng)度要有一定的限制。因?yàn)殡S著頻率的升高，地線阻抗要增加，特別當(dāng)?shù)鼐€的長(zhǎng)度是λ/4的奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗會(huì)變得很大(理論上為無(wú)窮大)；同時(shí)，地線還向外輻射干擾信號(hào)。圖3.1-12所示為信號(hào)接地的兩種基本形式：其一是信號(hào)地引至機(jī)殼外表面的連接點(diǎn)，并與機(jī)殼完全地單點(diǎn)連接，然后再通過分支和主接電纜單點(diǎn)信號(hào)接地；其二是信號(hào)地引至殼體外表面的連接點(diǎn)，在電氣上與機(jī)殼安全地絕緣，信號(hào)地再通過分支和主接地電纜單點(diǎn)信號(hào)接地。圖中的分支接地電纜和主接地電纜橫截面尺寸有以下兩點(diǎn)要求：

(1)當(dāng)主接地電纜的長(zhǎng)度在60m以下時(shí)，其橫截面積一般選240mm2；當(dāng)主接地電纜的長(zhǎng)度大于60m時(shí)，主接地電纜的橫堆面積應(yīng)按下式確定：

A=4l

(3.1.4)

式中，A為主接地電纜的橫截面積(mm2)，l為主接地電纜的長(zhǎng)度(m)。

(2)分支接地電纜的橫截面積按下式確定：

A1=2.5l1

(3.1.5)

式中，A1為分支接地電纜的橫截面積(mm2)，l1為分支接地電纜的長(zhǎng)度(m)。

當(dāng)A1<20mm2時(shí)，取其為20mm2。圖3.1-12信號(hào)地的兩種形式

6.屏蔽裝置接地

(1)信號(hào)電路屏蔽罩的接地。為了防止多級(jí)小信號(hào)放大器和高增益放大器自激，通常用屏蔽罩對(duì)它們進(jìn)行屏蔽。其屏蔽效能除了與屏蔽罩自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)外，其接地方式是一個(gè)很重要的因素，如圖3.1-13所示。

圖3.1-13(a)把接地點(diǎn)選在放大器輸入端的地線上，這樣雖然把寄生電容C25短路，但是放大器輸出端的信號(hào)電流經(jīng)寄生電容C25向輸入端流動(dòng)，會(huì)在輸入端地線上產(chǎn)生寄生電壓，形成反饋，破壞放大器的正常工作。圖3.1-13屏蔽罩接地形式圖3.1-13(b)的接地點(diǎn)選在放大器輸出端的地線上，這時(shí)寄生電容C25被短路，反饋通道也被消除，屏蔽罩既對(duì)放大器起到屏蔽作用，又不至于給放大器帶來(lái)寄生耦合。

圖3.1-13(c)的接地點(diǎn)選在放大器輸入和輸出的地線上，其結(jié)果可能在放大器輸入端引入了公共地阻抗干擾和地環(huán)路干擾。

(2)屏蔽電纜屏蔽層的接地。屏蔽電纜一般分為低頻電纜和高頻電纜。對(duì)于低頻信號(hào)電纜，屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地；對(duì)屏蔽的電力電纜和高頻電纜的屏蔽層至少應(yīng)在電纜兩端接地。當(dāng)電纜的長(zhǎng)度l<0.15λ時(shí)，則要求單點(diǎn)接地。無(wú)論是單芯還是多芯屏蔽電纜，在電源和負(fù)載電路中，一端為接地點(diǎn)，另一端與地絕緣，其中接地點(diǎn)就是屏蔽層的接地。

當(dāng)電纜長(zhǎng)度l>0.15λ時(shí)，則采用多點(diǎn)接地。一般屏蔽層按0.05λ或0.1λ的間隔接地，以降低地線阻抗，減少地電位引起的干擾電壓。對(duì)于輸入信號(hào)電纜的屏蔽層不能在機(jī)殼內(nèi)接地，只能在機(jī)殼的入口處接地，此時(shí)屏蔽層上的外加干擾信號(hào)直接在機(jī)殼入口處入地，避免屏蔽層上的外加干擾信號(hào)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的信號(hào)電路上。

對(duì)于高輸入或高輸出阻抗電路，尤其是在高靜電環(huán)境中，可能需要用雙層屏蔽的電纜。這時(shí)，內(nèi)屏蔽層可以在信號(hào)源端接地，外屏蔽層則在負(fù)載端接地。

7.搭接

搭接是指在兩金屬表面間建立低阻抗的通路。如果兩個(gè)金屬表面中的一個(gè)是接地平面，則這種搭接就是接地。如果接地是一個(gè)電路概念，搭接則是這個(gè)概念的物理實(shí)現(xiàn)。

1)搭接的目的和分類

搭接的目的在于為電流的流動(dòng)安排一個(gè)電氣上連續(xù)的結(jié)構(gòu)面，以避免在相互連接的兩金屬之間形成電位差，因?yàn)檫@種電位差會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。從一個(gè)設(shè)備的機(jī)殼到另一個(gè)設(shè)備的機(jī)殼，從設(shè)備的機(jī)殼到接地平面，在信號(hào)回線和地線之間，電纜屏蔽層與地線之間，接地平面與連接大地的地網(wǎng)或地樁之間，以及靜電屏蔽層與地之間，都可以進(jìn)行搭接。通過搭接可保證系統(tǒng)電氣性能的穩(wěn)定，有效地防止由雷電靜電放電和電沖擊造成的危害，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻干擾的抑制。

不良的搭接將給電路帶來(lái)危害，以如圖3.1-14所示的兩個(gè)例子加以說(shuō)明。圖3.1-14不良搭接的影響圖3.1-14(a)中的π型濾波器本應(yīng)在干擾源和敏感設(shè)備之間起隔離作用。但由于搭接不良，地線上形成高阻抗，使得傳導(dǎo)干擾電流不是像預(yù)期那樣沿路徑①流入地，而沿路徑②流到負(fù)載RL(設(shè)備的阻抗)。設(shè)濾波器的元件是L和C，因搭接不良而形成的阻抗為ZB=RB+jωLB，這里，RB為搭接條的電阻(還包括搭接條兩端的接觸電阻)，LB是搭接條的電感，不難看出，電流沿路徑②流動(dòng)的條件是

可見，要實(shí)現(xiàn)良好的搭接，就要想辦法減小搭接條本身的阻抗和搭接條與所接觸的金屬面之間的接觸電阻。(3.1.6)在圖3.1-14(b)中，由于搭接不良，會(huì)在地線上形成高阻抗。這樣，出現(xiàn)在電源線上射頻電流和天線拾取的射頻信號(hào)都以此阻抗為公共阻抗通路，造成對(duì)信號(hào)的干擾。

搭接通常按搭接的方式分成兩大類：直接搭接和間接搭接。直接搭接是在互連元件之間不使用輔助導(dǎo)體而建立一條有效的電氣通路，其具體方法是：把互連部分放在一起使它們直接接觸，再通過熔焊或釬焊在其接合處建立起一種熔接的金屬橋接，或者利用螺栓、鉚釘或夾箍使配接表面之間保持強(qiáng)大的壓力，以獲得電氣的良好接觸。直接搭接的例子：母線條帶之間的疊接；雷電引下導(dǎo)體與大地電極分系統(tǒng)間的連接；設(shè)備前面板與設(shè)備機(jī)架的配接；連接器殼體在設(shè)備面板上的安裝等等。

正確的直接搭接，其直流電阻很低，并能獲得一個(gè)與主搭接部分結(jié)構(gòu)所允許的射頻阻抗。直接搭接往往是最好的連接方式，但是只有當(dāng)兩個(gè)互連元件能夠連接在一起，并且沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能使用直接搭接。

間接搭接是利用中間過渡導(dǎo)體(搭接條或搭接片)把欲搭接的兩金屬構(gòu)件連接在一起。當(dāng)一個(gè)綜合設(shè)備的各部分之間，或者綜合設(shè)備與其參考平面之間必須在結(jié)構(gòu)上分離時(shí)，就必須引入輔助導(dǎo)體作為搭接條。安裝防震設(shè)備時(shí)，通常用搭接條把設(shè)備搭接至結(jié)構(gòu)的接地參考系統(tǒng)上。另外，還可用搭接條旁路某些結(jié)構(gòu)元件，如配電箱蓋板或設(shè)備蓋板上的鉸鏈，以防止這些元件在受到強(qiáng)電磁場(chǎng)照射或通過高電平電流時(shí)產(chǎn)生寬帶噪聲。

2)搭接的一般原則

對(duì)搭接的設(shè)計(jì)必須納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)遵循以下原則：(1)在信號(hào)接地母線網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體之間，在設(shè)備與接地線網(wǎng)絡(luò)之間，電纜層及其部件與接地參考面之間，箱柜屏蔽層與接地參考面之間，構(gòu)件之間，以及雷電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)各單元之間，等等，都應(yīng)規(guī)定具體的注意事項(xiàng)，在設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工中，除了機(jī)械和工作要求之外，還必須考慮信號(hào)通路、人身安全和雷電保護(hù)搭接的要求。

(2)搭接必須實(shí)現(xiàn)并保護(hù)金屬表面之間的緊密接觸。連接表面必須光滑、清潔，并且沒有非導(dǎo)電的表面處理層。緊固件必須能施加足夠的壓力，以便在有關(guān)設(shè)備和周圍環(huán)境出現(xiàn)變形應(yīng)力、沖擊和振動(dòng)時(shí)仍能保持表面的良好接觸。

(3)接點(diǎn)的有效性不僅取決于其結(jié)構(gòu)及其所承載電流的頻率和幅值，還取決于它所處的環(huán)境條件。

(4)搭接條僅是直接搭接的替代連接件。搭接條應(yīng)能盡量保持最小的長(zhǎng)度比和最低的電阻。

(5)接點(diǎn)最好由相同金屬連接而成。如不能實(shí)現(xiàn)相同金屬的連接，則必須特別注意，要通過選擇連接材料和選擇輔助元件(如墊圈)來(lái)控制接點(diǎn)的腐蝕，以保證腐蝕作用僅影響可替換的元件。同時(shí)還要采用保護(hù)性的表面處理層來(lái)控制接點(diǎn)的腐蝕。

(6)必須對(duì)接點(diǎn)提供保護(hù)，以便防潮和防其他腐蝕因素。(7)在設(shè)備、系統(tǒng)或設(shè)施的整個(gè)壽命期間，必須對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試和維修保養(yǎng)，以確保接點(diǎn)能夠完成其使命。

3.2屏蔽

1.屏蔽的基本概念

屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或減小電磁能傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。從電磁場(chǎng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，兩個(gè)電磁場(chǎng)分界面上存在有物體，如果該物體能將這兩個(gè)場(chǎng)看成是互相獨(dú)立存在的，那么這種現(xiàn)象就稱為屏蔽，分界面上的物體就稱為屏蔽體。

1)屏蔽的目的和作用

屏蔽有兩個(gè)目的：一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域；二是防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入內(nèi)部區(qū)域。屏蔽的作用是通過一個(gè)將上述區(qū)域封閉起來(lái)的殼體實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)殼體可以是板式、網(wǎng)狀式以及金屬編織帶式等，其材料可以是導(dǎo)電的、導(dǎo)磁的、介質(zhì)的，也可以是帶有非金屬吸收材料的。

2)屏蔽的分類

根據(jù)屏蔽的工作原理，可將屏蔽分為三大類：

(1)靜電屏蔽。靜電屏蔽的屏蔽體用良導(dǎo)體制作，并有良好的接地。這樣就把電場(chǎng)終止于導(dǎo)體表面，并通過地線來(lái)中和導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷，從而防止由靜電耦合產(chǎn)生的相互干擾。

(2)磁屏蔽。磁屏蔽主要用于低頻，屏蔽體用高導(dǎo)磁率材料構(gòu)成低磁阻通路，把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，從而阻擋內(nèi)部磁場(chǎng)向外輻射或外界磁場(chǎng)干擾，有效防止低頻磁場(chǎng)的干擾。

(3)電磁屏蔽。電磁屏蔽主要用于高頻，利用電磁波在導(dǎo)體表面上的反射和在導(dǎo)體中傳播的急劇衰減來(lái)隔離時(shí)變電磁場(chǎng)的相互耦合，從而防止高頻電磁場(chǎng)的干擾。

此外，屏蔽還根據(jù)不同的屏蔽對(duì)象分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽的對(duì)象是干擾源，主要限制由干擾源產(chǎn)生的有害電磁能量向外擴(kuò)散；被動(dòng)屏蔽的對(duì)象是敏感體，主要防止外部電磁干擾對(duì)它產(chǎn)生的有害影響。

3)屏蔽效能

屏蔽效能反映了屏蔽體對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱程度，定義為空間某點(diǎn)上未加屏蔽時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度E0(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H0)與加屏蔽后該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E1(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H1)的比值，表示為

用分貝表示為

一個(gè)設(shè)備或組件屏蔽體的屏蔽效能由若干個(gè)參數(shù)決定，最值得注意的是，入射波的頻率和阻抗、屏蔽材料的固有特性以及屏蔽不連續(xù)性的形式和數(shù)量。(3.2.1)(3.2.2)

2.屏蔽的基本理論

1)反向感應(yīng)場(chǎng)

電磁波遇到金屬表面總要發(fā)生屏蔽效應(yīng)。干擾源發(fā)出的電磁能量的一部分受到金屬面的影響向干擾源方向反射；另一部分在金屬內(nèi)耗散，剩余部分穿過該金屬面向前傳播。這種屏蔽效應(yīng)可分別看做是入射電場(chǎng)與磁場(chǎng)使屏蔽體表面感應(yīng)電荷，并在屏蔽體內(nèi)感應(yīng)出電流的結(jié)果。感應(yīng)電荷和電流的極性與方向應(yīng)使其產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)抵消入射場(chǎng)，從而削弱了穿過屏蔽體的電磁場(chǎng)。雖然這種屏蔽理論不能有效地計(jì)算實(shí)際屏蔽體的屏蔽質(zhì)量，但它可以為屏蔽提供一個(gè)清晰的物理概念。例如，從這一觀點(diǎn)可以看出，屏蔽體上的裂口假設(shè)切斷了感應(yīng)電流的流通，則它比順著電流流通方向的裂口更易使屏蔽效能降低。所以當(dāng)平面波投射到具有很長(zhǎng)狹縫的導(dǎo)電屏蔽體上時(shí)，垂直于電場(chǎng)矢量的狹長(zhǎng)縫比平行于電場(chǎng)的狹長(zhǎng)縫更容易漏過能量，如圖3.2-1所示。圖3.2-1電磁波通過狹縫圖3.2-2屏蔽體的傳輸線模型

2)傳輸線模型

最適用于工程計(jì)算的屏蔽理論是根據(jù)傳輸線理論所建立的模型。按謝昆諾夫的平面波理論，當(dāng)電磁波波前與電磁屏蔽體邊界的形狀相一致時(shí)，它在數(shù)學(xué)上可用雙線傳輸線中傳輸?shù)碾娏骱碗妷耗M。假設(shè)有一功率為Pin的入射電磁波照射到如圖3.2-2所示的屏蔽板上，當(dāng)波碰到屏蔽板的這一個(gè)表面時(shí)，入射功率的一部分Pr1向場(chǎng)源反射，剩余部分Pt1進(jìn)入屏蔽板并穿過它繼續(xù)傳播。反射功率與入射功率的比值(稱為反射損耗，用R表示)取決于屏蔽材料的本征阻抗和入射波的波阻抗，這就像兩個(gè)特性阻抗不同的傳輸線接合處的情況一樣。當(dāng)電磁波通過屏蔽體時(shí)，進(jìn)入屏蔽的功率Pt1有一部分隨著波的傳播轉(zhuǎn)換成熱能，這一能量損失稱為屏蔽體的吸收損耗，用A表示。

當(dāng)屏蔽體內(nèi)傳播的電磁波到達(dá)屏蔽體的第二界面時(shí)，一部分Pr2被反射回屏蔽體內(nèi)部，剩余一部分Pout則通過第二界面穿出屏蔽層。如果屏蔽體內(nèi)吸收損耗很小(小于10dB)，則有很大一部分功率會(huì)在第二界面上反射并傳回第一界面。在第一界面，部分功率再次反射回屏蔽體并傳到第二界面而成為再次穿出屏蔽體功率的一部分，形成多次反射現(xiàn)象，用多次反射修正因子B表示這種現(xiàn)象。可見，屏蔽效能由三個(gè)因素決定：反射損耗R、吸收損耗A和多次反射修正項(xiàng)B(當(dāng)吸收損耗很小時(shí)，是不能忽略的)。所以，這時(shí)有

SE=R+A+B(dB)

(3.2.3)對(duì)于一無(wú)限大金屬屏蔽板，有

式中，γ為電磁波在屏蔽體中的傳播常數(shù)，t為屏蔽體的厚度，T為傳輸系數(shù),Γ為兩界面間的多次反射系數(shù)。

可見，式(3.2.4)中的三項(xiàng)正是A、R、B三項(xiàng)的具體表示。(1)吸收損耗。吸收損耗表示為

A=20lg|eγt|

(3.2.5)

根據(jù)傳輸線理論可知：(3.2.4)(3.2.6)式中，σ、μ、ε分別為屏蔽體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，ω為角頻率。因?yàn)榻饘賹?dǎo)體有σ>>ωε，所以

將式(3.2.7)代入式(3.2.5)，得

式中，μr、σr分別為屏蔽體相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，f為電磁波的頻率。

可見，吸收損耗與屏蔽材料的厚度成正比，且隨著電波的頻率的方根值的上升而增加。

表3.2.1列出了不同屏蔽材料在f=150kHz時(shí)的σr、μr及厚度t=1mm時(shí)的吸收損耗。(3.2.7)(3.2.8)表3.2.1屏蔽材料(厚1mm)在150kHz時(shí)的性能

當(dāng)屏蔽層的厚度改變時(shí)，僅須將表3.2.1中的吸收損耗乘以屏蔽厚度的毫米數(shù)即可。

當(dāng)電磁波的頻率發(fā)生變化時(shí)，可以將表3.2.1中的吸收衰減值除以，再乘以實(shí)際的頻率方根值，就可得到不同頻率對(duì)應(yīng)的吸收衰減。

(2)反射損耗。反射損耗R包括屏蔽體兩個(gè)表面上的反射，它除了與入射電磁波的波阻抗及頻率有關(guān)之外，還與屏蔽材料的電性能有關(guān)。

根據(jù)傳輸線理論，不難求得屏蔽體的反射損耗為

式中，K=ZW/Zm,ZW為自由空間的波阻抗，Zm為屏蔽體的特性阻抗。一般屏蔽體采用的都是金屬材料，故有ZW>>Zm，式(3.2.9)可以近似為(3.2.9)(3.2.10)由于在不同的電磁場(chǎng)區(qū)有不同的波阻抗ZW，因此金屬屏蔽板距場(chǎng)源不同距離時(shí)的R也不相同。

①當(dāng)金屬屏蔽板處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí)，ZW=377Ω,

，代入式(3.2.10)并化簡(jiǎn)得

②當(dāng)金屬板處于近場(chǎng)區(qū)，且近場(chǎng)區(qū)以電場(chǎng)為主時(shí)，|ZW|=1/(2πfε0r)，代入式(3.2.10)并化簡(jiǎn),得

式中，r為金屬板至場(chǎng)源的距離。(3.2.11)(3.2.12)③當(dāng)金屬板處于近場(chǎng)區(qū)，且近場(chǎng)以磁場(chǎng)為主時(shí)，|ZW|=2πfμ0r，代入式(3.2.10)并化簡(jiǎn)，得

圖3.2-3～3.2-5分別給出了三種情況下典型金屬屏蔽板的反射損耗曲線。(3.2.13)圖3.2-3遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的反射損耗圖3.2-4近場(chǎng)區(qū)以電場(chǎng)為主的反射損耗圖3.2-5近場(chǎng)區(qū)以磁場(chǎng)為主的反射損耗④多次反射修正因子。多次反射修正因子的表示式為

將代入并整理得

需要指出的是，多次反射修正因子并不是任何時(shí)候都必須代入的。當(dāng)頻率較高或金屬板較厚時(shí)，吸收損耗較大，入射波能量進(jìn)入屏蔽體后，在第一次到達(dá)金屬板右邊的界面之前已被大幅度衰減，多次反射現(xiàn)象并不顯著。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)A>10dB時(shí)，就可不考慮多次反射的影響。(3.2.14)(3.2.15)例3.2.1有一大功率線圈的工作頻率為20kHz，在離該線圈0.5m處放一鋁板，鋁板的厚度為0.5mm，試求鋁板的SE。解(1)先求吸收損耗A，由式(3.2.8)求得

(2)判斷屏蔽體處于哪個(gè)場(chǎng)區(qū)

因?yàn)閞=0.5mλ/2π，所以鋁板處于近場(chǎng)區(qū)。另外，場(chǎng)源是大功率線圈，近場(chǎng)以磁場(chǎng)為主。反射損耗由式(3.2.13)求得

(3)因A=7.23dB<10dB，所以應(yīng)考慮多次反射修正因子B，先計(jì)算出Zm和ZW。

最后求解SE

SE=A+R+B=54.83dB

3)非實(shí)心型屏蔽體

前面的討論均假設(shè)屏蔽材料是均勻的，不存在電氣上的不連續(xù)性，稱為實(shí)心型屏蔽屏蔽。那么，在電氣上存在不連續(xù)性的屏蔽稱為非實(shí)心屏蔽體。

實(shí)際上，理想的實(shí)心型屏蔽體是不存在的，以電子設(shè)備的機(jī)箱為例，由于電氣連續(xù)電纜進(jìn)出、通風(fēng)散熱、測(cè)試與觀察以及電表安裝等的需要，總是需要在機(jī)箱上打孔。另外，構(gòu)成箱體時(shí)總是存在金屬面間的接縫和兩金屬極間置入金屬襯墊后形成的開口和縫隙。這樣，電磁能量就會(huì)通過孔洞、縫隙泄漏，導(dǎo)致屏蔽效能降低?？梢?，非實(shí)心型屏蔽體在實(shí)際上更為普通，通常應(yīng)用非均勻屏蔽理論進(jìn)行分析，該理論把影響總屏蔽效能的各種因素(如孔、縫、形狀等)考慮為與屏蔽傳輸平行的傳輸通道，稱為等效屏蔽效能因子，表示為SEp的形式(p為序號(hào)，且p≥2)。如SE2為孔洞因素(用來(lái)估計(jì)各種電氣不連續(xù)孔洞對(duì)屏蔽效能的影響)，SE3為結(jié)構(gòu)形狀因素，SE5為固定接縫因素，SE6為活動(dòng)接縫因素，SE7為混合屏蔽因素，SE8為天線效應(yīng)因素，等等。圖3.2-6帶有接縫的屏蔽板在上述諸多因素中，接縫因素和孔洞因素對(duì)屏蔽效能的影響最大?，F(xiàn)以固定接縫因素SE5為例作簡(jiǎn)單分析。圖3.2-6所示表示屏蔽板上存在不合格接縫，場(chǎng)源在屏蔽板左側(cè)，以磁場(chǎng)H0表示。該場(chǎng)將分別通過屏蔽板和接縫這兩種不同的途徑傳到屏蔽板右側(cè)。透入場(chǎng)強(qiáng)分別為H1和Hs，由于傳播途徑的不同，因此透入場(chǎng)強(qiáng)的振幅、相位均不相同，可分別表示為，Hs=|Hs|ejθ，被屏蔽空間一點(diǎn)上的場(chǎng)強(qiáng)為

H=H1+Hs=|H|ejθ

(3.2.16)由此得屏蔽效能為

且

設(shè)SE1=20lg，為實(shí)心型屏蔽效能；SEs=20lg，

為接縫的屏蔽效能，則有(3.2.18)

將上面兩式代入式(3.2.17)和式(3.2.18)中，得

設(shè)屏蔽體有(n-1)處缺陷影響其屏蔽性能(即存在n個(gè)傳輸通道)，則可把式(3.2.21)寫成更一般的總屏蔽效能計(jì)算公式(3.2.19)(3.2.20)(3.2.21)(3.2.22)實(shí)際上，在電子設(shè)備的工程設(shè)計(jì)中，屏蔽效能的計(jì)算僅可能是近似估計(jì)，況且要確定不同傳播途徑引起的相位差是非常困難的。因此一般近似認(rèn)為θ=θ1-θs=0°，即從屏蔽板和接縫這兩種不同途徑透入的場(chǎng)強(qiáng)相位相同，則式(3.2.21)可以簡(jiǎn)化為(3.2.23)圖3.2-7雙層屏蔽的示意圖

3.屏蔽的方法

常用的屏蔽方法有雙層屏蔽、薄膜屏蔽(二者均為實(shí)心型屏蔽)和通風(fēng)孔洞的屏蔽(非實(shí)心型屏蔽)。

1)雙層屏蔽

雙層屏蔽主要用于對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)都有較高屏蔽要求的場(chǎng)合。圖3.2-7所示為有間隔的雙層屏蔽示意圖。設(shè)場(chǎng)源在第一屏蔽層的左半空間，被屏蔽區(qū)為第二屏蔽層的右半空間。雙層屏蔽的屏蔽效能完全類似于單層屏蔽的分析，其吸收損耗為兩個(gè)單層吸收損耗之和，反射損耗為兩個(gè)單層反射損耗之和，即

雙層屏蔽的多次反射修正項(xiàng)較為復(fù)雜，其表示式為

式中，β0為自由空間的相移常數(shù)，β0=2π/λ。(3.2.26)總的屏蔽效能為

SE=A+R+B(dB)

用絕緣材料將兩層金屬隔開，使其形成多次反射。當(dāng)雙層屏蔽采用的材料相同時(shí)，其吸收損耗和反射損耗均是每個(gè)單層板的2倍，但多次反射修正項(xiàng)并不是單層修正項(xiàng)的2倍。在大部分頻率范圍內(nèi)，修正項(xiàng)是負(fù)的，因此雙層屏蔽體的屏蔽效能小于兩個(gè)單層屏蔽體的效能之和，但比總厚度相同的單層屏蔽體要好得多。

2)薄膜屏蔽

工程塑料機(jī)箱因其造型美觀、加工方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，但其本身不具備屏蔽功能，所以，通常用噴涂、真空沉積以及粘貼等技術(shù)在塑料機(jī)箱上包覆一層導(dǎo)電薄膜，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ/4，這種屏蔽就叫做薄膜屏蔽。盡管薄膜屏蔽中的導(dǎo)體薄膜的厚度很小，但仍可用實(shí)心材料的屏蔽理論加以分析，其吸收損耗非常小，多次反射修正項(xiàng)B相當(dāng)大，且是負(fù)數(shù)，因此抵消了一部分反射損耗。負(fù)數(shù)項(xiàng)是因?yàn)楦鞣N反射有附加的相位關(guān)系，從而使屏蔽效能降低。這時(shí)屏蔽效能基本上與頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)屏蔽層厚度超過λ/4時(shí)，多次反射項(xiàng)可以忽略，該項(xiàng)對(duì)其他損耗不再起抵消作用，所以，材料的屏蔽效能增加，并且與頻率相關(guān)。

如表3.2.2所示為不同厚度和不同頻率的銅膜屏蔽效能的計(jì)算值。表3.2.2銅薄膜屏蔽層的屏蔽效能

3)通風(fēng)孔的屏蔽

有許多場(chǎng)合是不能用實(shí)心材料作屏蔽層的，一個(gè)封閉殼體有時(shí)必須是透光或通風(fēng)的，則必然要采用屏蔽網(wǎng)或穿孔材料，這些孔將影響屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性。所以，對(duì)孔的要求是使其具有相當(dāng)大的射頻衰減但又不會(huì)顯著妨礙空氣流動(dòng)。下面介紹三種常用的通風(fēng)孔形式。

(1)在通風(fēng)孔上加金屬絲網(wǎng)罩。加金屬絲網(wǎng)罩是將大面積通風(fēng)孔通過網(wǎng)絲構(gòu)成的許多小孔來(lái)減少電磁泄漏。金屬絲網(wǎng)的屏蔽作用主要靠反射損耗。絲網(wǎng)的屏蔽效能與網(wǎng)孔密度、網(wǎng)絲的直徑、網(wǎng)絲的導(dǎo)電性成正比。但是如果網(wǎng)絲過粗，對(duì)空氣的阻力就很大。

(2)用打孔金屬板作通風(fēng)孔。在金屬板上打許多陣列小孔就可以達(dá)到既能通風(fēng)散熱，又不致過多泄漏電磁能量的目的。就結(jié)構(gòu)形式而言，可以直接在屏蔽體的壁上打孔，或?qū)⒋蚝每椎慕饘侔灏惭b在屏蔽體的通風(fēng)孔上?？籽鄣男螤钣蟹叫魏蛨A形，如圖3.2-8所示。

(3)截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔。當(dāng)電磁波頻率低于波導(dǎo)截止頻率時(shí)，波在波導(dǎo)中將被截止，不能傳輸。利用這一特性可以制成截止波導(dǎo)通風(fēng)孔，它能有效地抑制波導(dǎo)截止頻率以下的電磁波泄漏。常用的截止波導(dǎo)有矩形、圓形，有時(shí)也用六邊形，如圖3.2-9所示。圖3.2-8打孔金屬板的孔眼形狀圖3.2-9截止波導(dǎo)波導(dǎo)的截止頻率與波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)。矩形波導(dǎo)中最小的截止頻率為

圓波導(dǎo)中最小的截止頻率為

截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔的屏蔽效能(即波導(dǎo)對(duì)低于其截止頻率的電磁波的衰減量)按下式計(jì)算：(3.2.27)(3.2.28)(3.2.29)式中，f為電磁波的頻率(Hz)，l為截止波導(dǎo)的長(zhǎng)度(cm)。電磁波在波導(dǎo)中的截止并非一點(diǎn)也不能傳輸，而是其衰減很大，傳輸很短的距離后就被真正地截止。所以，為使波導(dǎo)對(duì)電磁波有足夠的衰減，必須滿足f<<fc，一般取fc=(5～10)f。設(shè)計(jì)截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔時(shí)，先根據(jù)欲屏蔽的電磁波的最高頻率f，確定截止頻率fc，然后選擇波導(dǎo)形狀，確定波導(dǎo)尺寸。

實(shí)際上，在進(jìn)行電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得足夠大的通風(fēng)流量，總是把很多根截止波導(dǎo)排列成一組截止波導(dǎo)通風(fēng)孔陣(又叫蜂窩形通風(fēng)板)，如圖3.2-10所示。其中，圖3.2-10(a)為單層蜂窩形通風(fēng)板。為提高屏蔽效能，還可采用雙層錯(cuò)位疊置的蜂窩狀通風(fēng)板，圖3.2-10(b)即為它的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是利用兩層波導(dǎo)孔錯(cuò)位處的界面反射來(lái)提高屏蔽效能的。圖3.2-10波導(dǎo)通風(fēng)孔陣

4.屏蔽設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1)確定屏蔽效能

設(shè)計(jì)之前，應(yīng)根據(jù)設(shè)備和電路單元、部件未實(shí)施屏蔽時(shí)存在的干擾發(fā)射電平以及按電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范允許的干擾發(fā)射電平極限值，或干擾輻射敏感度電平極限值，提出確保正常運(yùn)行所必需的屏蔽效能值。對(duì)于一些大、中功率信號(hào)發(fā)生器或發(fā)射機(jī)的功放級(jí)，可根據(jù)對(duì)這類設(shè)備輻射發(fā)射電平極限值和其自身的輻射場(chǎng)強(qiáng)來(lái)確定對(duì)屏蔽效能的要求。

2)確定屏蔽的類型

根據(jù)屏蔽效能要求，并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)形式，確定采用哪種屏蔽比較合適。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)屏蔽要求不高的設(shè)備，可以采用導(dǎo)電塑料制成的機(jī)殼來(lái)屏蔽，或者在工程塑料機(jī)殼上涂覆導(dǎo)電層構(gòu)成薄膜屏蔽。若屏蔽要求較高，則采用金屬板作單層屏蔽。為獲得更高的屏蔽效能，可采用雙層屏蔽。

3)進(jìn)行屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)

所謂完整性設(shè)計(jì)，是把待屏蔽的設(shè)備、系統(tǒng)的尺寸、干擾源和敏感體的結(jié)構(gòu)布局、信號(hào)的幅度和頻率以及屏蔽的費(fèi)用綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)。有些因素是相互制約的。

(1)尺寸的考慮。如果一個(gè)非常靈敏的設(shè)備或小型系統(tǒng)安裝在一個(gè)大型建筑物中，那么為了防護(hù)一個(gè)小單元而屏蔽整個(gè)建筑物是很不經(jīng)濟(jì)的。假定所有其他因素相等，則屏蔽的成本是與其所封閉的容積尺寸密切相關(guān)的。因此，更經(jīng)濟(jì)的方案是只屏蔽安裝設(shè)備的那個(gè)房間或僅給敏感設(shè)備建造一個(gè)屏蔽罩。另一方面，如果敏感單元是一個(gè)相當(dāng)大的系統(tǒng)，例如一個(gè)通信中心或一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)，那么，可能需要把適當(dāng)?shù)钠帘尾牧蠐饺敕块g或建筑物墻壁、地板及天花板內(nèi)。如果在設(shè)施的早期設(shè)計(jì)階段就考慮這一要求，也許只要用一般建筑材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)难b配就能提供所需的屏蔽。

(2)配置布局的考慮。如果需要在建筑物內(nèi)安裝敏感設(shè)備或系統(tǒng)，并且有幾個(gè)位置可供選擇時(shí)，則應(yīng)盡量利用建筑結(jié)構(gòu)固有的屏蔽特性。房間原來(lái)存在的金屬墻壁、裝飾屏蔽網(wǎng)和其他導(dǎo)電物體都可以提供所需要的屏蔽。另外，設(shè)備往往只對(duì)某些方向的輻射信號(hào)較為敏感。因此，設(shè)備取向時(shí)將敏感一側(cè)背著入射信號(hào)，也能降低對(duì)屏蔽的要求。

對(duì)于信號(hào)和控制電纜應(yīng)該多加注意，盡量避免長(zhǎng)距離平行走線。

(3)信號(hào)特性的考慮。所有材料的屏蔽效能都是與頻率有關(guān)的。用于防護(hù)3cm波段雷達(dá)信號(hào)的屏蔽形式未必能有效地抗御廣播發(fā)射機(jī)的干擾。在為具體對(duì)象選擇屏蔽時(shí)，要將材料的衰減特性與有害信號(hào)的頻率相比較。

(4)影響屏蔽效能的其他因素。如果屏蔽體是一個(gè)矩形屏蔽體，有可能產(chǎn)生射頻諧振而降低屏蔽效能。矩形屏蔽體的諧振頻率可用下式計(jì)算

式中，l、w、h分別為矩形屏蔽體的長(zhǎng)、寬、高，m、n、p取正整數(shù)。

應(yīng)保證在工作頻段內(nèi)，屏蔽體不會(huì)產(chǎn)生諧振，即諧振頻率盡量遠(yuǎn)離工作頻率。(3.2.30)

3.3濾波

1.濾波的基本概念

前面介紹的屏蔽主要是為了防止輻射干擾，濾波則主要是為了抑制傳導(dǎo)干擾。濾波是從混有噪聲或干擾的信號(hào)中提取有用信號(hào)分量的一種方法或技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)濾波功能的電路或器件稱為濾波器。濾波器是由一些集總參數(shù)的電阻、電感和電容或由分布參數(shù)所構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)電路。這種網(wǎng)絡(luò)電路允許其工作頻率(或頻段)信號(hào)通過，而對(duì)其他頻率的信號(hào)則加以抑制。

濾波器通常分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

2.濾波器的基本特性

這里主要討論濾波器的傳輸特性，它包括工作衰減、相移、群延遲以及插入衰減等參量。

1)工作衰減

典型的濾波器如圖3.3-1所示，它接在信號(hào)源Es和負(fù)載阻抗ZL之間。設(shè)信號(hào)源的額定功率為Pm，負(fù)載所吸收的功率為PL，則工作衰減A定義為

當(dāng)頻率改變時(shí)，A的數(shù)值會(huì)隨之改變。圖3.3-2所示為常用的幾種濾波器的衰減特性。圖中的曲線是理想化的，實(shí)際濾波器的衰減特性曲線略有不同。(3.3.1)圖3.3-1濾波器工作原理圖圖3.3-2常用濾波器的衰減特性(a)低通；(b)高通；(c)帶通；(d)帶阻

2)插入衰減

設(shè)未接濾波器的負(fù)載吸收的功率為PLO，則定義插入衰減Ai為

由圖3.3-1可知

則有(3.3.2)比較Ai和A，不難發(fā)現(xiàn)

通常稱通帶內(nèi)的插入衰減為插入損耗。顯然，當(dāng)ZL=Zs

時(shí)，工作衰減與插入衰減相同。(3.3.3)

3)相移和群延遲

設(shè)電源的最大輸出電壓為Um，則有

即

定義Um與EL之比的相角為濾波器的相移，用φ表示，它是頻率的函數(shù)

(3.3.4)(3.3.5)(3.3.6)對(duì)具有一定帶寬的信號(hào)，引入群延遲概念，用τd表示，且

顯然，若τd等于常數(shù)，則無(wú)相位失真，φ與ω的關(guān)系為線性關(guān)系。(3.3.7)

4)反射系數(shù)

在圖3.3-1中，當(dāng)濾波器的輸出阻抗Zout與負(fù)載阻抗ZL相等時(shí)，兩者匹配，此時(shí)負(fù)載無(wú)反射。當(dāng)ZL≠Zout時(shí)，電路失配，終端會(huì)產(chǎn)生反射，用反射系數(shù)Γ描述為

顯然，無(wú)反射時(shí)，Γ=0；反射最大時(shí)，|Γ|=1。工程中，常用反射系數(shù)來(lái)表示通帶內(nèi)的最大失配情況。(3.3.8)

3.電源EMI濾波器

電源EMI濾波器是一種低通濾波器，它能毫無(wú)衰減地把直流、交流50Hz和400Hz的電源的功率傳輸?shù)皆O(shè)備上去，對(duì)于其他高頻信號(hào)則產(chǎn)生很大衰減。

電源EMI濾波器又稱電網(wǎng)濾波器、電網(wǎng)噪聲濾波器、進(jìn)線濾波器、噪音濾波器等。

1)電源中的共模和差模干擾信號(hào)圖3.3-3單相電源中的EMI圖3.3-3表示一單相交流供電系統(tǒng)(以下稱單相電源)。把相線L以及地E和中線N與地E間存在的EMI信號(hào)稱為共模干擾信號(hào)，即圖中的U1和U2，對(duì)L、N線而言，共模干擾信號(hào)可視為在L和N線上傳輸?shù)碾娢幌嗟认辔幌嗤男盘?hào)。把L和N之間存在的干擾信號(hào)U3稱為差模干擾信號(hào)，也可把它視為在L和N線上有180°相位差的干擾信號(hào)。

對(duì)任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號(hào)，都可用共模和差模干擾信號(hào)來(lái)表示。并且可把L-E和N-E之間的共模干擾信號(hào)L-N之間的差模干擾信號(hào)看做獨(dú)立的EMI源，把單相電源內(nèi)的L-E，N-E和L-N看做獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)端口來(lái)分析EMI信號(hào)和有關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò)。圖3.3-4單相電源EMI濾波器的基本電路

2)電源EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3.3-4所示是單相電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)，虛線框表示EMI濾波器的金屬屏蔽外殼。L1、L2是電感，CX、CY1、CY2是電容器。如果把該濾波器一端接入電源，負(fù)載端接上被干擾設(shè)備，那么L1和CY1，L2和CY2就分別構(gòu)成L-E和N-E兩對(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器，用來(lái)抑制電源上存在的共模EMI信號(hào)，使之受到衰減，并被控制在很低的電平上。電路中，L1和L2是繞在同一磁環(huán)上兩只獨(dú)立的線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈。兩個(gè)線圈的圈數(shù)相同，繞向相反，使兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會(huì)使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。這樣兩只線圈L1和L2的電感值就會(huì)保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對(duì)均勻，兩只線圈的繞制也不可能完全對(duì)稱等，使得L1和L2的電感量是不相等的。于是L1和L2之差形成差模電感，它和電容CX又組成L-N獨(dú)立端口間的一只低通濾波器，用來(lái)抑制電源的差模干擾信號(hào)。

由于圖3.3-4所示的電路是無(wú)源的，它具有互易性，當(dāng)電源EMI濾波器安裝在系統(tǒng)中后，它既能有效地抑制電子設(shè)備外部的EMI信號(hào)傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，起到同時(shí)衰減兩組共模信號(hào)和一組差模信號(hào)的作用。

3)CX和CY電容器

在圖3.3-4中，三只電容器用了兩種不同的下標(biāo)，主要說(shuō)明它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的作用不同，同時(shí)還表明它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。不管是選用還是設(shè)計(jì)電源EMI濾波器，都要認(rèn)真地考慮CX和CY電容器的安全等級(jí)，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到電源EMI濾波器的安全性能。

(1)CX電容器。CX電容器是指用于這種場(chǎng)合的電容器，當(dāng)該電容器失效后，會(huì)導(dǎo)致工作人員遭電擊、危及人身安全。在實(shí)際應(yīng)用中，CX接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源的額定電壓外，還疊加有L和N之間存在的各種EMI信號(hào)峰值電壓。例如：①因接通或斷開電子設(shè)備的電源會(huì)在電源上疊加小于或等于1200V的峰值電壓。②因斷開感性負(fù)載，產(chǎn)生過渡過程，會(huì)在接CX電容的設(shè)備上出現(xiàn)很高的峰值電壓。電壓的幅度取決于設(shè)備的種類和結(jié)構(gòu)。

根據(jù)CX電容器應(yīng)用的最壞情況和電源斷開的條件，CX電容器的安全等級(jí)又分為X1和X2兩類，如表3.3.1所示。

根據(jù)電源EMI濾波器的應(yīng)用場(chǎng)合和可能存在的EMI信號(hào)峰值，應(yīng)選用適合安全等級(jí)的CX電容器。表3.3.1CX電容器的分類

(2)CY電容器。首先，要對(duì)CY電容器的電容量進(jìn)行限制，從而達(dá)到控制在規(guī)定頻率電壓作用下，流過的電流(即漏電流)的大小。對(duì)于220V，50Hz的電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全余量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。這種電容器的耐壓性能對(duì)保護(hù)工作人員的人身安全有重要意義，一旦設(shè)備或裝置的絕緣保護(hù)措施失效，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。圖3.3-5(a)所示是規(guī)定的1級(jí)安全的例子，所示設(shè)備可為吸塵器、手持電鉆等。電源EMI濾波器中的CY電容器安裝在電源供電線L、N和外殼(E)之間，在使用時(shí)，操作人員有可能碰到設(shè)備的外殼(E)。

圖3.3-5(b)所示是規(guī)定的2級(jí)安全的例子。CY電容器也接在電源L、N和金屬殼之間，但金屬殼外部還有一層絕緣保護(hù)。圖3.3-5CY電容器的安全等級(jí)在上述1級(jí)安全情況下，若CY電容器擊穿短路，并同時(shí)發(fā)生電源系統(tǒng)的安全地線與機(jī)殼E斷開，這時(shí)若有人摸到設(shè)備外殼，便會(huì)危及人身安全。若上述情況發(fā)生，且圖3.3-5(b)中設(shè)備外面的絕緣被破壞，人觸及設(shè)備的金屬外殼，也同樣會(huì)危及人身安全。由此可見，上述CX和CY電容器的安全性能十分重要，是設(shè)計(jì)和選用電源EMI濾波器時(shí)必須優(yōu)先考慮的問題，也是檢驗(yàn)和考核EMI濾波器安全性能的重要指標(biāo)之一。

圖3.3-6(b)說(shuō)明了EMI濾波器正確與錯(cuò)誤的阻抗搭配組合。這是使用該濾波器要遵循的原則，也是選用合適的電源濾波器的依據(jù)。

4)阻抗端接

電源EMI濾波器是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，具有互易性，即把負(fù)載接在電源端和負(fù)載端都是可以的。在實(shí)際應(yīng)用中，要達(dá)到有效地抑制EMI信號(hào)的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號(hào)的源阻抗和負(fù)載阻抗來(lái)合理連接。對(duì)各種各樣的EMI濾波器，都可以把它的共模和差模濾波網(wǎng)絡(luò)等效為如圖3.3-6所示的低通濾波網(wǎng)絡(luò)，可按如圖3.3-6(a)所示的組合來(lái)選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，才能得到滿意的抑制效果。圖3.3-6電源EMI濾波器等效網(wǎng)絡(luò)與連接方法(a)等效網(wǎng)絡(luò)；(b)連接方法在圖3.3-1中，設(shè)Γ1表示電源端濾波網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)，Γ2表示負(fù)載端濾波網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)，對(duì)于電源頻率50Hz、60H或400Hz的交流信號(hào)而言，要求無(wú)損耗傳送，這時(shí)Γ1=Γ2=0，即Zs=Zin，ZL=Zout；對(duì)于電網(wǎng)傳來(lái)的EMI信號(hào)，要求Γ1=0使電網(wǎng)上的干擾傳入網(wǎng)絡(luò)，|Γ2|=1使干擾信號(hào)被全部反射，無(wú)法到達(dá)負(fù)載；對(duì)于電子設(shè)備(負(fù)載)內(nèi)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，要求Γ2=0使干擾進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，|Γ1|=1使干擾被全部反射，無(wú)法進(jìn)入電源?？梢?，要想靠反射來(lái)同時(shí)消除電源和負(fù)載的干擾是不可能的。實(shí)際上，還存在插入損耗，它會(huì)對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生很大衰減，而對(duì)有用信號(hào)的衰減則很小。

5)電源EMI濾波器的安裝

一個(gè)很好的電源EMI濾波器，如果安裝不妥，就難以發(fā)揮其抑制EMI信號(hào)的能力。圖3.3-7所示的是安裝不妥當(dāng)?shù)娜N情況，其主要問題在于：

(1)濾波器的輸入端引線和輸出端引線之間存在明顯的電磁耦合路徑(見圖3.3-7(c))。這樣會(huì)使某一端的EMI信號(hào)直接耦合到另一端上，從而逃脫濾波器的抑制；

(2)三種情況的濾波器都安裝在設(shè)備屏蔽的內(nèi)部，設(shè)備內(nèi)部電路及元件上的EMI信號(hào)會(huì)因輻射而在濾波器的引線上生成EMI，直接耦合到設(shè)備外面去。同時(shí)，如果濾波器引線上存在EMI信號(hào)，也會(huì)輻射到設(shè)備內(nèi)部的元件和電路上。

(3)濾波器的外殼與系統(tǒng)之間沒有良好的電氣連接(見圖3.3-7(b))，不能把濾波器安裝在金屬托架上，更不能安裝在絕緣物體上。圖3.3-7安裝EMI濾波器不正確圖例另外還有兩點(diǎn)值得注意：

①避免使用過長(zhǎng)的接地線；

②不要把電源端和負(fù)載端的電線捆扎在一起。

幾種正確的濾波器安裝方法如圖3.3-8所示。這些方法的最大特點(diǎn)是借助設(shè)備的屏蔽，把EMI濾波器的電源端和負(fù)載端隔離開來(lái)，把濾波器的輸入端和輸出端可能存在的電磁耦合控制到最低程度，這既能實(shí)施濾波器對(duì)EMI信號(hào)的抑制，又不破壞設(shè)備的屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)EMI信號(hào)的抑制。圖3.3-8正確的安裝方法

4.開關(guān)電源EMI濾波器

開關(guān)電源已廣泛用于許多電子設(shè)備中。它與一般的線性穩(wěn)壓電源相比，省去了笨重的電源變壓器，具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但它本身就是EMI源，它產(chǎn)生的EMI信號(hào)，既占有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。要把它產(chǎn)生的EMI