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電磁屏蔽技術


電磁屏蔽技術
 
電磁屏蔽技術


1. 電磁屏蔽的目的
電磁波是電磁能量傳播的主要方式,高頻電路工作時,會向外輻射電磁波,對鄰近的其它設備產生干擾。另一方面,空間的各種電磁波也會感應到電路中,對電路造成干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑,從而消除干擾。在解決電磁干擾問題的諸多手段中,電磁屏蔽是*基本和有效的。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的*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。


2. 區分不同的電磁波
同一個屏蔽體對于不同性質的電磁波,其屏蔽性能不同。因此,在考慮電磁屏蔽性能時,要對電磁波的種類有基本認識。電磁波有很多分類的方法,但是在設計屏蔽時,將電磁波按照其波阻抗分為電場波、磁場波、和平面波。
電磁波的波阻抗ZW 定義為:電磁波中的電場分量E與磁場分量H的比值: ZW = E / H
電磁波的波阻抗電磁波的輻射源性質、觀測點到輻射源的距離以及電磁波所處的傳播介質有關。
距離輻射源較近時,波阻抗取決于輻射源特性。若輻射源為大電流、低電壓(輻射源的阻抗較低),則產生的電磁波的波阻抗小于377,稱為磁場波。若輻射源為高電壓、小電流(輻射源的阻抗較高),則產生的電磁波的波阻抗大于377,稱為電場波。
距離輻射源較遠時,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377Ω。
電場波的波阻抗隨著傳播距離的增加降低,磁場波的波阻抗隨著傳播距離的增加升高。
注意:近場區和遠場區的分界面隨頻率不同而不同,不是一個定數,這在分析問題時要注意。例如,在考慮機箱屏蔽時,機箱相對于線路板上的高速時鐘信號而言,可能處于遠場區,而對于開關電源較低的工作頻率而言,可能處于近場區。在近場區設計屏蔽時,要分別電場屏蔽和磁場屏蔽。


3. 度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能
屏蔽體的有效性用屏蔽效能(SE)來度量。屏蔽效能的定義如下:
SE=20lg(E1/E2) (dB)
式中:E1 =沒有屏蔽時的場強 E2 =有屏蔽時的場強
如果屏蔽效能計算中使用的是磁場強度,則稱為磁場屏蔽效能,如果屏蔽效能計算中使用的是電場強度,則稱為電場屏蔽效能。屏蔽效能的單位是分貝(dB),下表是衰減量與分貝的對應關系:
屏蔽前
屏蔽后
衰減量
屏蔽效能
一般民用產品機箱的屏蔽效能在40dB以下,軍用設備機箱的屏蔽效能一般要達到60dB,TEMPEST設備的屏蔽機箱屏蔽效能要達到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達到100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的,成本也很高。


4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算
電磁波在穿過屏蔽體是發生衰減是因為能量有了損耗,這種損耗可以分成兩個部分:反射損耗和吸收損耗。
反射損耗:當電磁波入射到不同媒質的分界面時,就會發生反射,使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗,用字母R表示。當電磁波穿過一層屏蔽體時要經過兩個界面,要發生兩次反射。因此,電磁波穿過屏蔽體時的反射損耗等于兩個界面上的反射損耗總和。反射損耗的計算公式如下:
R=20lg(ZW/ZS) (dB) 式中: ZW= 入射電磁波的波阻抗 ,ZS=屏蔽材料的特性阻抗
|ZS|=3.68×10-7(fμrσr)1/2式中: f= 入射電磁波的頻率 ,μr=相對磁導率,σr=相對電導率
吸收損耗:電磁波在屏蔽材料中傳播時,會有一部分能量轉換成熱量,導致電磁能量損失,損失的這部分能量成為屏蔽材料的吸收損耗,用字母A表示,計算公式如下:
A=3.34t(fμrσr)1/2 (dB)
多次反射修正因子:電磁波在屏蔽體的**個界面(穿出屏蔽體的界面)發生反射后,會再次傳輸到**個界面,在**個界面發射再次反射,而再次到達**個界面,在這個界面會有一部分能量穿透界面,泄漏到空間。這部分是額外泄漏的。應該考慮進屏蔽效能的計算。這就是多次反射修正因子,用字母B表示,大部分場合,B都可以忽略。
SE = R + A + B


5 影響屏蔽材料的屏蔽效能的因素
從上面給出的屏蔽效能計算公式可以得出一些對工程有實際指導意義的結論,根據這些結論,我們可以決定使用什么屏蔽材料,注意什么問題。下面給出的結論,出步一看,會感到雜亂無章,無從應用,但是結合上面第3和第4條仔細分析后,會發現這些結論都有著內在聯系。深入理解下面的結論對于結構設計是十分重要的。
1)材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高,但實際的金屬材料不可能兼顧這兩個方面,例如銅的導電性很好,但是導磁性很差;鐵的導磁性很好,但是導電性較差。應該使用什么材料,根據具體屏蔽主要依賴反射損耗、還是吸收損耗來決定是側重導電性還是導磁性;
2)頻率較低的時候,吸收損耗很小,反射損耗是屏蔽效能的主要機理,要盡量提高反射損耗;
3)反射損耗與輻射源的特性有關,對于電場輻射源,反射損耗很大;對于磁場輻射源,反射損耗很小。因此,對于磁場輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗,應該選用磁導率較高的材料做屏蔽材料。
4)反射損耗與屏蔽體到輻射源的距離有關,對于電場輻射源,距離越近,則反射損耗越大;對于磁場輻射源,距離越近,則反射損耗越??;正確判斷輻射源的性質,決定它應該靠近屏蔽體,還是原理屏蔽體,是結構設計的一個重要內容。
5)頻率較高時,吸收損耗是主要的屏蔽機理,這時與輻射源是電場輻射源還是磁場輻射源關系不大。
6)電場波是*容易屏蔽的,平面波其次,磁場波是*難屏蔽的。尤其是(1KHz以下)低頻磁場,很難屏蔽。對于低頻磁場,要采用高導磁性材料,甚至采用高導電性材料和高導磁性材料復合起來的材料。


6. 實用屏蔽體設計的關鍵
一般除了低頻磁場外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實際工作中,要達到80dB以上的屏蔽效能也是十分困難的。這是因為,屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于屏蔽體的結構。屏蔽體要滿足電磁屏蔽的基本原則。電磁屏蔽的基本原則有兩個:
1)屏蔽體的導電連續性:這指的是整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體。這一點在實現起來十分困難。因為一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何使用價值的。一個實用的機箱上會有很多孔縫造成屏蔽:通風口、顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分的結合縫隙等。由于這些導致導電不連續的因素存在,如果設計人員在設計時沒有考慮如何處理,屏蔽體的屏蔽效能往往很低,甚至沒有屏蔽效能。
2)不能有直接穿過屏蔽體的導體:一個屏蔽效能再高的屏蔽機箱,一旦有導線直接穿過屏蔽機箱,其屏蔽效能會損失99.9%(60dB)以上。但是,實際機箱上總會有電纜穿出(入),至少會有一條電源電纜存在,如果沒有對這些電纜進行妥善的處理(屏蔽或濾波),這些電纜會極大的損壞屏蔽體。妥善處理這些電纜是屏蔽設計的重要內容之一。(穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大)
電磁屏蔽體與接地無關:對于靜電場屏蔽,屏蔽體是必須接地的。但是對于電磁屏蔽,屏蔽體的屏蔽效能卻與屏蔽體接地與否無關,這是設計人員必須明確的。在很多場合,將屏蔽體接地確實改變了電磁狀態,但這是由于其它一些原因,而不是由于接地導致屏蔽體的屏蔽效能發生改變。


7. 孔洞電磁泄漏的估算
如前所述,屏蔽體上的孔洞是造成屏蔽體泄漏的主要因素之一孔洞產生的電磁泄漏并不是一個固定的數,而是與電磁波的頻率、種類、輻射源與孔洞的距離等因素有關孔洞對電磁波的衰減可以用下面公式進行計算這里假設孔洞深度為0
在遠場區:SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H))
若L≥λ/2,則SE=0 dB ,這時,孔洞是完全泄漏的
式中: L=縫隙的長度(mm),H=縫隙的寬度(mm),f=入射電磁波的頻率(MHz)
這個公式是在遠場區中,*壞的情況下(造成*大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實際情況下屏蔽效能可能會更大一些)
在近場區:
若輻射源是電場輻射源 SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))
若輻射源是磁場輻射源 SE=20lg(πD/L)+20lg(1+2.3lg(L/H))
式中:ZC=輻射源電路的阻抗(Ω),D=孔洞到輻射源的距離(m), L、H=孔洞的長、寬(mm),f=電磁波的頻率(MHz)
注意:
1)近場區,孔洞的泄漏與輻射源的特性有關當輻射源是電場源時,孔洞的泄漏遠比遠場?。ㄆ帘涡芨撸?,當輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏遠比遠場大(屏蔽效能低)
2)對于近場,磁場輻射源的場合,屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系,因此,千萬不要認為輻射源的頻率較低(許多磁場輻射源的頻率都較低),而掉以輕心
3)這里對磁場輻射源的假設是純磁場源,因此可以認為是一種在*壞條件下,對屏蔽效能的保守計算
對于磁場源,屏蔽與孔洞到輻射源的距離有關,距離越近,則泄漏越大這點在設計時一定要注意,磁場輻射源一定要遠離孔洞
多個孔洞的情況:當N個尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距離小于1/2)時,造成的屏蔽效能下降為10lgN在不同面上的孔洞不會增加泄漏,因為其輻射方向不同,這個特點可以在設計中用來避免某一個面的輻射過強


8. 縫隙電磁泄漏的措施
一般情況下,屏蔽機箱上的不同部分的結合處不可能完全接觸,只能在某些點接觸上,這構成了一個孔洞陣列??p隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一。在實際工程中,常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能??p隙的阻抗越小,則電磁泄漏越小,屏蔽效能越高。
縫隙處的阻抗:
縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯來等效,因為接觸上的點相當一個電阻,沒有接觸的點相當于一個電容,整個縫隙就是許多電阻和電容的并聯。低頻時,電阻分量起主要作用;高頻時,電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率升高降低,因此如果縫隙是主要泄漏源,則屏蔽機箱的屏蔽效能優勢隨著頻率的升高而增加。但是,如果縫隙的尺寸較大,高頻泄漏也是縫隙泄漏的主要現象。
影響電阻成分的因素:
影響縫隙上電阻成分的因素主要有:接觸面積(接觸點數)、接觸面材料(一般較軟的材料接觸電阻較?。?、接觸面的清潔程度、接觸面的壓力(壓力要足以使接觸點穿透金屬表層氧化層)、氧化腐蝕等。
影響電容成分的因素:
根據電容器原理,很容易知道:兩個表面之間距離越近,相對的面積越大,則電容越大。
解決縫隙泄漏的措施:
1) 接觸面的重合面積,這可以減小電阻、增加電容。
2) 使用盡量多的緊固螺釘,這也可以減小電阻、增加電容。
3) 保持接觸面清潔,減小接觸電阻。
4) 保持接觸面較好的平整度,這可以減小電阻、增加電容。
5) 使用電磁密封襯墊,消除縫隙上不接觸點。


9. 電磁密封襯墊的原理
電磁密封襯墊是一種表面導電的彈性物質。將電磁密封襯墊安裝在兩塊金屬的結合處,可以將縫隙填充滿,從而消除導電不連續點。
使用了電磁密封襯墊后,縫隙中就沒有較大的孔洞了,從而可以減小高頻電磁波的泄漏。使用電磁密封襯墊的好處如下:
1)降低對加工的要求,允許接觸面的平整度較低。
2)減少結合處的緊固螺釘,增加美觀性和可維修性。
3)縫隙處不會產生高頻泄漏。
雖然在許多場合電磁密封襯墊都能夠極大地改善縫隙泄漏,但是如果兩塊金屬之間的接觸面是機械加工(例如,銑床加工),并且緊固螺釘的間距小于3厘米,則使用電磁密封后屏蔽效能不會有所改善,因為這種結構的接觸阻抗已經很低了。
從電磁密封襯墊的工作原理可以知道,使用了電磁密封襯墊的縫隙的電磁泄漏主要由襯墊材料的導電性和接觸表面的接觸電阻決定。因此,使用電磁密封襯墊的關鍵是:
1)選用導電性好的襯墊材料。
2)保持接觸面的清潔
3)對襯墊施加足夠的壓力(以保證足夠小的接觸電阻)。
4)襯墊的厚度要足以填充*大的縫隙
電磁密封襯墊的靈活運用
除非對屏蔽的要求非常高的場合,否則并不需要在縫隙處連續使用電磁密封襯墊。在實踐中,可以根據屏蔽效能的要求間隔的安裝襯墊,每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的公式計算。在樣機上精心地調整襯墊間隔,使既能滿足屏蔽的要求,又使成本*低。對于民用產品,襯墊之間的間隔可以為λ/20~λ/100之間。軍用產品則一般要連續安裝。
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