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摘要 e m i 衬垫屏蔽特性测试方法研究 王伟科指导教师：蒋全兴 东南大学机械工程学院电磁兼容研究室 摘要 e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 衬垫，也称之为导电衬垫，它常填充在电子设备机箱缝隙处， 能够保持缝隙处的导电连续性，减小孔洞、缝隙、沟槽等结构不连续处的接触阻抗，从而降低接合 处两端的电压，减小缝隙的电磁泄漏。衬垫的使用既要满足屏蔽性能要求又具有较高的性价比，但 面对种类繁多的e m i 衬垫，如何选用衬垫一直是设计者所困惑的问题。因此对各种e m i 衬垫屏蔽 特性的客观评价在衬垫的实际应用中具有重要的意义。 目前被国际上承认的e m i 衬垫电磁屏蔽性能标准化测试方法包括：s a ea r p l l 7 3 2 0 0 4 、 m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 和d e f s t a n 5 9 1 0 3 ( 1 7 s e p 9 3 1 的辐射测试方法，s a ea r p l 7 0 5 2 0 0 6 的转移阻 抗测试方法。这些测试方法的测试配置和对衬垫的评价指标都有所不同，因此不同方法所得到的测 试结果也有所差异。本文主要对这些标准化的测试方法分别进行了研究，具体工作分为以下几个方 面： 1 总结电磁辐射与电磁屏蔽的相关机理，分析了衬垫连接处的电磁现象以及影响衬垫屏蔽性能 的主要因素。介绍了实际应用中经常混淆的屏蔽质量与屏蔽效能两概念的联系与区别。 2 设计研制了s a ea r p l1 7 3 2 0 0 4 测试装置，详细阐述了接收天线的阻抗匹配调谐电路。通过 对五种不同种类的e m i 衬垫测试数据的分析，说明了该测试方法的特点并对该测试系统中存在的一 些关键问题进行了分析。 3 研究m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 测试方法的原理及试验配置，通过对五种不同类型的e m i 屏蔽 衬垫测试结果的分析，得出盐雾与高低温试验对衬垫屏蔽特性的影响。分析该方法的测试不确定度 并指出天线位置的变化是测试误差的主要来源。 4 研究转移阻抗测试原理与测试装置，通过对五种不同类型衬垫试验数据分析得出了一些重要 结论。分析了该测试装置的高频非线性特性和腔体谐振对测试结果的影响。 关键词：e m i 衬垫电磁屏蔽测试方法孔缝传输转移阻抗 a b s t r a c t t e s t i n gm e t h o dr e s e a r c h o ns h i e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fe m ig a s k e t w a n gw e i k e s u p e r v i s o r ：j i a n gq u a n x i n g e m cl a b ，s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a b s t r a c t a ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) g a s k e ti sac o n d u c t i v em a t e r i a lt h a ti su s e dt oi m p r o v et h e e l e c t r i c a lb o n d i n gb e t w e e nm e t a l l i cp a r t so fa ne l e c t r o n i cc h a s s i s ，e q u i p m e n te n c l o s u r e ，o re l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d aw i d ev a r i e t yo fm a t e r i a l sa n dt e c h n i q u e sa r eu s e dt op r o d u c ee m i g a s k e t s s i n c et h e r ei sn o “o n e s i z e t y p e f i t sa l l ”g a s k e t ，t h ec h a l l e n g et h a tf a c e se q u i p m e n td e s i g n e r si st h a to fc h o o s i n gt h em o s t c o s t e f f e c t i v eg a s k e tf o rt h e i rp a r t i c u l a ra p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，o b j e c t i v e l ye v a l u a t et h ee l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e so fe m ig a s k e th a v em o m e n t o u sc u r r e n ts i g n i f i c a n c e s t a n d a r d i z e dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sw h i c ha v a i l a b l et om e a s u r et h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so f e m ig a s k e t sc o n s i s to ft h et r a n s f e ri m p e d a n c em e a s u r e m e n to fa r p17 0 5 2 0 0 6a n dt h ea p e r t u r e t r a n s m i s s i o ni m p l e m e n t a t i o n so f a r p1 1 7 3 - 2 0 0 4 ，d e fs t a n5 9 1 0 3 ( 1 7 - s e p - 9 3 ) a n dm i l - d t l 一8 3 5 2 8 c e a c ht e c h n i q u ep o s s e s s e sp a r t i c u l a rs t r e n g t h sa n do f f e r su n i q u ea d v a n t a g e si ns p e c i f i cs i t u a t i o n s h o w e v e r , m e a s u r e m e n tr e s u l t sa r eo f t e ni n c o n s i s t e n tb e t w e e nt h o s et e c h n i q u e s t h o s es t a n d a r d i z e dm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e sw e r er e a c h e di nt h i sp a p e ra n dt h em a i nw o r k sa sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gw e r ei n t r o d u c e d e l e c t r o m a g n e t i cb e h a v i o ro fg a s k e t e dj o i n t sa n df a c t o r sa f f e c t i n gg a s k e tp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d a t s a m et i m e ，t h es h i e l d i n gq u a l i t y ( s q ) a n ds h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ( s e ) w e r em a d ec l a r i f y 2 m e a s u r e m e n td e v i c eo fs a e a r pi17 3 - 2 0 0 4w a sd e v e l o p e da n di n t r o d u c et h ei m p e d a n c em a t c h i n g c i r c u i to fr e c e i v ea n t e n n a s s o m eo ft h i st e c h n i q u e sc h a r a c t e r i s t i c sw e r ee x p l a i n e db ya n a l y z i n gt h e t e s t i n gr e s u l t so ff i v ee m ig a s k e t s a tl a s t ，s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si nt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mw e r e a n a l y z e d 3 m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no fm i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 01 ) w e r ei n t r o d u c e d p o i n t i n g o u tt h es a l tf o ga n dh i 曲t e m p e r a t u r em a k et h ei m p a c to ne l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gp r o p e r t i e so fe m i g a s k e t s m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t ya b u tt h i st e c h n i q u ew a sa n a l y z e d ，a n di n d i c a t et h ec h a n g eo fa n t e n n a p o s i t i o ni sm a i ns o u r c eo f t h ee r r o r 4 t r a n s f e ri m p e d a n c et e s t i n gp r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d t w oa s p e c t so fl e a dt om e a s u r e m e n te r r o r w e r ef o u n d e d ；t h o s ea r ec a v i t yr e s o n a n c ea n dd e v i c e su n l i n e a r i t yi nh i g hf r e q u e n c y k e y w o r d s ：e m ig a s k e t s ，e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ，m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，a p e r t u r et r a n s m i s s i o n ， t r a n s f e ri m p e d a n c e i i 东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期删 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：衄i i 导师签名：二秘日期：塑丝查：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1e m i 衬垫测试方法研究背景 理想的电磁屏蔽应该是一个没有任何形式的缝隙和开孑l 的无限导电性的封闭空间。然而在实际 工程设计中鉴于一些功能上的需要，很多情形与理想情况并非一致。实际的电子设备上电源线、信 号线以及通风散热孔径往往在所难免，设备上的校准、控制和调节装置也会存在。以上的各种情形 就使得电磁能量通过屏蔽体上的孔径或沿着电源线、信号线及非理想状态的结合缝隙进入屏蔽体内 部。因此，为了将能量的泄漏控制在规定的水平之内，就需要切断这些泄漏途径。在工程实践中滤 波器常被用于电源线、信号线等贯穿路径上，起到滤除干扰信号的作用。然而对于那些连接缝隙和 安装接头时就会面临很难的选择。从屏蔽完整性角度来讲，采用熔焊钎焊等类似的工艺是对接缝和 接头处理的最佳方法，但很多情况下这种不可拆装的永久性固定方法并不适用。因此在这种情形下 就必须在接缝和接头处使用e m i 衬垫以保证屏蔽的完整性。 e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 衬垫，也称之为导电衬垫，它常填充在电子设备机箱缝隙处， 能够保持缝隙处的导电连续性，减小孔洞、缝隙、沟槽等结构不连续处的接触阻抗，从而降低接合 处两端的电压，减小缝隙的电磁泄漏。 目前可用的e m i 衬垫产品种类非常多，例如导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套( 带或不 带弹性内芯的) 、螺旋管衬垫、具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫、指形簧片、定向金属丝导电橡胶等。 用于制造e m i 衬垫的材料也有多种多样，主要包括金属、非金属以及多种材料的混合等。通常用的 金属如银、铜、镍等，合金有铍铜、不锈钢等，混合材料包括橡胶与银颗粒的混合、泡沫与银镍颗 粒的混合等方式。此外，衬垫的截面结构在形式上也千差万别，除了矩形、圆形、半圆形等常规形 状还有指形、环形、螺旋形等形状。由于形状的多样性使得不同形状的衬垫安装形式也有所不同， 常见的安装方法包括铆装、卡装、背胶槽装等1 1j 。 e m i 衬垫的使用既要满足屏蔽性能要求又要有较高的性价比。但面对种类繁多的e m i 衬垫，在 工程应用中如何选用这些衬垫一直是设计者所困惑的问题。因此对各种e m i 衬垫射频屏蔽特性客观 评价在衬垫的实际应用中具有重要的意义。对这些衬垫性能的评价就要借助于测试的方法，所以对 不同测试方法的研究就成为衬垫性能评价中一个重要的环节。 1 2e m i 衬垫测试方法研究现状 e m i 衬垫电磁屏蔽性能的测试方法多种多样，且各种测试方法的应用范围、精度、费用等方面 都有很大差异。根据本文所研究对象的不同，这里将目前国际上正在使用测试方法分为标准化测试 方法和其他可选用的测试方法。 1 2 1 标准化测试方法 目前被国际上承认的e m i 衬垫电磁屏蔽性能标准化测试方法包括s a ea r p l 7 0 5 2 0 0 6 的e m i 衬垫材料r f 屏蔽特性同轴测试方、法1 2 1 ，s a ea r p l1 7 3 2 0 0 4 的e m i 衬垫r f 屏蔽特性测试方法【3 】， d e fs t a n 5 9 10 3 ( 17 - s e p 9 3 ) 1 勺e m i e m p 衬垫部分1 4 j 和m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 的衬垫材料、导体、屏 敝衬垫、电子材料、弹性体，e m i r f i 总体规范p j 。 上述测试方法中，a r p l l 7 3 - 2 0 0 4 、m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 和d e f s t a n 5 9 1 0 3 ( 1 7 - s e p 9 3 ) 这三种 方法均为典型的辐射测试方法。辐射测试方法中一个非常关键的参数就是参考电平，不同的测试方 法对参考电平的定义也有所不同。参考电平的测试归纳起来有两种，一种是缝隙上有盖板，另一种 是缝隙上没有盖板。通过这两种参考电平，可以分别得到评价衬垫电磁屏蔽性能的两个指标，屏蔽 增长( s h i e l d i n gi n c r e a s i n g ，盯) 和屏蔽效能( s h i e l d i n ge f f e c t i v e ，s e ) 。a r p l 7 0 5 2 0 0 6 则为转移阻抗 测试方法。下面就简单介绍这些测试方法，具体的研究内容将在下面的章节分别进行论述。 l 东南大学硕+ 学位论文 1 ) s a e a r p i1 7 3 2 0 0 4 测试系统配置如图1 2 所示【3 】o 该方法的具体测试条件要求如下： 图l 一1s a e a r p l l 7 3 测试方法配置图 测试屏蔽体为一金属箱体，其尺寸为3 0 5 m mx3 0 5 m mx3 0 5 m m ( 内部尺寸) ，由厚度为 6 3 5 r a m 的钢板制成。测试时被整体固定于屏蔽室的内墙面上。 箱体盖板尺寸为：3 8 1 m m x 3 8 l m m x 9 5 m m 。 测试频率 一磁场：4 0 0 h z ，1 l c h z ，1 4 k h z ，5 0 k h z ，2 0 0 k h z ： 一电场：1 、，l n z ，1 8 m h z ，i o o m h z ； 平面波：4 0 0 m h z ，1 g h z ，2 g h z ，1 0 g h z 。 接收天线( 置于测试屏蔽体内) 一长2 0 3 m m 的杆天线； 一直径为2 0 3 m m 的环天线。 发射天线距离 环天线和杆天线：1 5 2 m m ； 其他天线：l m 。 e m i 衬垫性能评价指标 一屏蔽增长( 肼) ： 一屏蔽效能( 舾) 。 2 ) m i l - d t l 一8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 测试系统配置如图1 2 示【5 】o 该方法的具体测试要求如下： 图1 - 2m i l d t l 8 3 5 2 8 c 测试系统 测试窗口为6 1 0 m m 6 1 0 m m 的正方形窗口，用厚度为2 5 4 m m 的铜制法兰焊接于屏蔽室上。 2 第一章绪论 盖极为6 6 0 m i n x6 6 0 m r n x9 5 r a m 的铝制盖板。 测试频率范围为2 0 m h zl o g h z 。 天线采用双锥天线、对数周期天线和喇叭天线。 收发天线距离为两米减去盖板厚度。 评价指标为屏蔽效能( s e ) 。 3 ) d e f s t a n 5 9 1 0 3 ( 1 7 - s e p - 9 3 ) 钡j j 试系统配置同m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 测量方法类似，与 m i l d t l 一8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 不同的是它没有对某些测试程序做强制要求。这个标准针对了许多目前正 在使用中的多种形式的军用e m i 衬垫，这个标准在许多方面是同m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 平行的。 该方法的测试条件如下【4 】： 测试窗口为直径3 8 0 r a m 的圆形窗口，窗口位于厚度为3 m m 的低碳钢上，镀锡钢板尺寸为 6 1 0 m m x6 1 0 m m ，安装于屏蔽室的墙上。 盖板为直径4 5 2 c m ，厚3 m m 的低碳钢板，表面镀锡。 测试频率 磁场：l o k h z ，1 0 0 k h z ，1 m h z ，1 0 m h z ； 一电场：1 0 0 k h z ，1 m h z ，1 0 m h z ，1 0 0 m h z ，4 0 0 m h z ； 一平面波：1 g h z ，1 0 g h z ，1 8 g h z 。 接收天线( 置于屏蔽体内) 一用直径为3 0 5 m m 的环天线进行磁场测试； 一用杆天线进行电场测试； 一用双锥天线、对数周期天线、喇叭天线进行平面波测试。 发射天线根据测试频段分别为直径3 0 5 m m 的环天线、杆天线、双锥天线、对数周期天线和 喇叭天线。 发射天线( 对环天线和杆天线而言) 离开盖板的距离为3 0 5 r a m ，对其它平面波天线而言距 离为1 8 3 m 。 e m i 衬垫性能评价指标 一屏蔽增加( 田) ； 一屏蔽效能( 艇) 。 4 ) s a ea r p l 7 0 5 a 一2 0 0 6 ，e m i 衬垫材料r f 屏蔽特性同轴测试方法【2 1 。转移阻抗是以电路的概念 来衡量屏蔽材料的电磁屏蔽性能，指在信号源激励下屏蔽材料的夹持面板间感应的电压与流经材料 的单位电流之比。该测试方法的适用频率为1 0 k h z 1 0 g h z ，测试利用如图1 3 所示的同轴测试装置， 测试信号由输入端进入装置，这时装置内部会有电流流过受试衬垫。然后通过接收端接收沿着平板 接缝处衬垫的两个表面感应的电势差和流过受试衬垫的单位电流，两者的比值既衬垫的转移阻抗。 转移阻抗测试力法具有测试装置价格低、节省空间、测试数据重现性强等优点。该方法对e m i 衬垫形状没有具体要求，而且可以对不同型变量下的受试衬垫进行测试。该测试方法的不足之处是 测试装置高频腔体谐振效应使得高于1 0 g h z 的测试结果不稳定。 图1 3 转移阻抗测试装置 3 东南大学硕士学位论文 1 2 2 其它可选用的测试方法 除上面介绍的标准化测试方法外，还有另外一些测试方法在e m i 衬垫性能评价中被广泛使用或 正在开发。这些测试方法的原理与上面的标准化方法有所不同，如利用衬垫连接处耦合场的统计特 性，测试通过衬垫缝隙的总辐射功率，利用测试平板型屏蔽材料的装置以及根据试样的形状改进的 一些现存的测试装置等。本文把这些测试方法称之为可选用的试方法，下面就简单介绍这些测试方 法的工作原理和测试特点。 1 ) 混波室测试方法l 图1 - 4 中表示的是双混波室测试系统。测试时通过两混波室共用金属壁上的窗口进行电磁能量耦 合。测试时受试衬垫被安装在盖板和窗口安装法兰的缝隙处，发射和接收天线分别置于两混波室内。 两个混波室的空间内均装有搅扰器，为了使两个搅扰器能够在不同的转速下工作。搅扰器的旋转速 度是可以调节的。这样便可以测得接收空间中所测得的最大耦合能量与另一空间内的搅扰器位置之 间的关系。该测试方法中的屏蔽效能定义为当窗口仅安装盖板时通过缝隙进入到第二个空间中的能 量与盖板与法兰之间安装受试衬垫时耦合到第二个空间的能量的分贝值之差。即： 踊b = r d b p e d b 式中，p b 一仅有盖板情况下耦合的能量，d b m ； p c - 衬垫和盖板均有情况下耦合的能量，d b m 。 测试时应注意如下几个方面： a 两个空间均要工作在谐振频率以上，从而保证有大量的高次模( 一般应达n 6 0 次或更高) 存 在，从而适宜测试场的搅扰。 b 两搅扰器的旋转应当以3 6 0 度小步进旋转，搅扰器所用电机要进行屏蔽处理。 c 发射和接收天线的位置和方向要合适。两者不适宜时会对测试结果产生很大的影响。如果在 发射与接受天线之间或发射天线与衬垫安装装置之间有直接的场路径存在，那么测试区域中存在的 场将出现偏移，这时的测试结果与旋转搅扰器便不能获得统计就意义的一致性。为了避免这种情况 必须将发射天线直接对准搅扰器或将天线置于混波室角落处，从而避免能量直接到达衬垫测试区域。 厂。一1 、。n 搅扰器 日 搅扰器 接收口 弋受试衬垫 夕 搽 rf 发射 1 天线 图1 4 双混波测试系统 2 ) 模式搅扰小室法【o 儿j ( m o d es t i r r e dc h a m b e r ，m s c ) 图1 5 是模式搅扰小室法测试系统，从测试原理上来讲该测试方法也是混波室测试方法。该测试 装置采用一大小两个混波室，小混波室位于大混波室内部。受试衬垫安装于小混波室顶部盖板与 法兰的接合处。发射天线位于大混波室内，接收天线位于小混波室内。测试时位于大混波室内的发 射天线发射信号，通过接收天线测量在小混波室不安装盖板与安装受试村垫时泄漏到小混波室内的 信号，两次接收信号分贝值之差即为受试衬垫的屏蔽性能。该测试系统的要求包括： a 测试混波室必须有良好的屏蔽性能，一般大于1 0 0 d b 。 b 测试用发射天线应采用线极化天线，如对数周期天线和双脊喇叭天线。 c 至少有一个搅扰器的长度大于测试信号的波长。 d 受试衬垫安装时应在盏板与箱体法兰处加绝缘垫圈，以防止损坏受试衬垫。 4 第一章绪论 图1 5 模式搅扰小室法测试系统 以上两种方法均为混波室测试法，与辐射测试法相比该方法一般比较费时，测试费用也会比较 高。但是在e m i 衬垫应用电磁环境比较复杂的情况下，如飞机电子设备舱、船体甲板上的电子设备、 电子设备密集的控制室以及城市的街区等。这些环境下的电子设备所受到外界入射场的强度和频率 范围以及相位变化都比较复杂。因此这时采用的混波室测试法就有明显的优势，它可以尽可能的模 拟衬垫的实际应用中的复杂电磁环境。但是混波室测试法的主要的缺点是测试频率范围受到限制， 由于用该测试方法测试时要求测试频率工作在谐振频率以上，因此测试频率越低就要求混波室的空 间越大。一般标准3 m 法测试屏蔽室最低频率也只能到2 0 0 m h z 左右，而模式搅扰法由于测试空间比 较小的原因低频仅能到5 0 0 m h z 。 3 ) 改进的a s t md 4 9 3 5 8 9 ( 19 9 4 ) 测试方法p 1 a s t md 4 9 3 5 8 9 ( 1 9 9 4 ) 是美国测试及材料协会的标准1 9 ，它利用一放大的同轴测试装置测试薄 导电平板形材料屏蔽效能。a d a m s 翻在九十年代初将测试装置做了改进，用它来测试e m i 衬垫的屏蔽 效能。改进后的测试装置如图1 - 6 所示。改进后的测试装置内增加了衬垫材料的夹持装置，测试时将 受试衬垫置于夹持装置处，测试步骤与a s t md 4 9 3 5 中规定的测试程序相同。该方法中的衬垫屏蔽 效能定义为无受试衬垫时通过装置的能量与有受试衬垫时通过装置的能量的分贝值之差。该测试方 法简单易行，可以用仪器在宽频带内进行扫频测试，所得到的测试结果与转移阻抗装置测试结果有 一定联系。它的主要的缺点在于仅能够得到平面波测试数据，并且由于装置的谐振影响使得测试频 率被局限在2 g h z 以下。 图1 6 改进的a s t md 4 9 3 5 8 9 测试装置 4 ) x y , t e m d 、室法【l o l 双t e m 室法( d u a lt e mc e l l ，d t c ) 由两个t e m 小室在公用壁上开一个窗1 3 ，见图1 7 ，上边 小室产生的能量通过窗口传输到下边小室；信号从上面的输入端进入，通过中间的公用窗1 3 传输到 下边小室的并通过输出端接收信号。该方法可以分别测试穿透窗口的垂直电场分量和水平磁场分量。 所以双t e m 室可同时模拟高、低阻抗场。该测试的基本方法的衬垫屏蔽效能与其他方法类似，同样 是当窗口不加盖板时和窗口缝隙处加受试衬垫时接收端接收到的功率分贝值之差。该测试方法中， 东南大学硕十学位论文 由于场建立在波导室内，故所需的输入功率低，对周围设备和人员不会造成电磁干扰。其缺点是安 装同定被测的导电衬垫较为困难，尤其是如何减小其接触电阻更为困难，而且易产生泄漏或地回路， 因而动态范围仅有5 0 d b - 6 0 d b 。 、 信号输入端 、， 受试衬垫 ，5 0 q 匹配器 、 ， 、 信号输出端 5 0 q 匹配器、7 、，一7 7 图1 7 双t e m 小室法测试装置示意图 1 3 本文研究的内容 本文从理论分析出发主要借助试验的手段对目前被国际认可的e m i 衬垫电磁屏蔽性能标准化 测试方法分别进行研究。通过对不同试验方法的测试系统配置、受试衬垫安装以及衬垫加压方式的 研究，并结合试验数据深入分析各种测试方法的特点以及影响测试误差的因素。最后结合e m i 衬垫 使用中存在的问题分别对测试测试方法的选择和不同试验方法所得测试结果之间的比较进行了说 明。具体的研究内容包括： 1 ) 总结电磁辐射与电磁屏蔽的相关机理，重点介绍电磁屏蔽设计中波阻抗的重要性。对e m i 衬垫连接处的电磁现象进行分析，研究影响e m i 衬垫屏蔽性能的主要因素。分析实际应用中经常混 淆的屏蔽质量与屏蔽效能两评价指标的联系与区别。 2 ) 按照a r p l1 7 3 2 0 0 4 标准要求设计、制造、安装、调试测试系统。介绍测试用接收杆天线 和环天线的工作原理及设计过程，详细阐述利用调谐的方法设计接收天线的阻抗匹配电路。研究该 测试系统中存在的一些关键问题，并结合五种e m i 衬垫的测试结果分析该测试方法的特点。 3 ) 研究m i l d t l 8 3 5 2 8 c ( 2 0 0 1 ) 测试方法的测试原理和试验配置。通过对五种不同类型的 e m i 屏蔽衬垫测试结果的分析，得出盐雾与高低温试验对衬垫屏蔽特性的影响。分析该测试方法的 误差来源并通过试验验证影响测试结果误差的主要原因。 4 ) 研究s a ea r p l 7 0 5 2 0 0 6 转移阻抗测试方法的测试原理。通过对衬垫的测试结果讨论衬垫材 料和压强变化对衬垫屏蔽性能的影响。分析该测试方法的误差来源，具体分析测试装置的高频非线 性特性和测试装置腔体谐振效应，并用h f s s 软件分析测试装置的腔体谐振对测量结果的影响。 5 ) 讨论实际应用中如何选择e m i 衬垫测试方法，以及对不同测试方法得到的测试结果进行比 较时应注意的问题。 1 4 本论文的研究意义 宏观上讲，本文所做的工作对电磁兼容领域具有很重要的意义，它是电子设备屏蔽完整性研究 的重要组成部分。具体的讲，清晰认识各种测试方法的优缺点，有助于建立科学的衬垫屏蔽性能评 价体系。同时，对e m i 衬垫测试方法的研究可以更深入的了解影响e m i 衬垫的电磁屏蔽性能的因 素，为衬垫设计者提供直接的指导。测试过程中得出的大量试验数据对衬垫的使用者来说非常具有 参考价值，且可以从中认识到各种测试方法对衬垫电磁屏蔽特性评价的差别。 6 第二章基本理论及相关概念 2 1 电磁波的辐射与传播 2 1 1 电磁波的辐射 当电流通过导线或导线对时就会辐射电磁波。电流流过导线对时产生的场与电偶极子类似，这 种状态就像通过电压源充电的一对平行板，如图2 1 所示。这时下板聚集了正电荷，上板聚集了负 电荷，产生的电磁场如图2 2 中所示【1 l l 。 图2 1 充电的平行板图2 2 电磁场的产生和辐射 在板中间的电力线直接从下板直线到达上板，在边缘处它们发生弯曲。平行板内部电场强度层 的大小是由板间的电压和板间的距离的决定。弯曲部分的电场强度局和磁场强度蜀可由下面公式 得到： e i = e i q = e ，2 3 7 7 ( 2 n r ) ，r ：t 2 z ； = e l 3 7 7 ，r 丸| 2 ：r o 式中，r 一偶极子天线到屏蔽体间的距离； 五- 波长。 2 1 2 电磁波的传播 当辐射的电磁波在媒质中传播时具有的阻抗定义为： 一 e 么5 万 式中，卜波的电场分量，v m ； 月，- 波的磁场分量，a m 。 媒质具有的特性阻抗磐定义为： 刁= ( 2 。1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式中，旷电磁波频率； 旷媒质的磁导率； 旷媒质的电导率； 广媒质的介电常数。 对于各向同性的媒质，在电磁波的传播方向上刁为一常数。对于各向异性的媒质，椒决于电磁 波的传播方向和极化情况。 7 东南大学硕士学位论文 特别地，在空气中，o - - - 0 ，k t = t o ，k = e 0 ，则： 吼= 雁北吣3 7 7 q 式中，旷自由空间的磁导率，4 r e 1 0 刁； s 0 - 自由空间的介电常数，8 8 5 1 0 m 。 对于金属材料( 秽占) ： r 5 2 ( 2 5 ) 这一阻抗明显小于珈，因此也远小于电压源产生的场阻抗。然而，值得注意的是对于脚d 的铁 磁性材料或一些特殊的高磁导率材料，在视频范围编有时并不比电流源产生的场的阻抗小【1 2 】。 撼 受 鲻 g 基 制 皿 皿 * 韶 辈 奄霹极子 、 一一、 z w - = ： 7 7 n 磁偶寝l 子 图2 3 电偶极子和磁偶极子的波阻抗 波阻抗在辐射源的远场和近场也是不同的。在源的远场，z w = 习矿3 7 7 q 。远场距离与辐射源的形 状有关，通常对于小的线型天线为州2 7 c ，其他形状的辐射源为2 1 ：) 2 1 。咒为辐射场的波长，d 为面辐 射源的口径面积。在近场，波阻抗是源阻抗和辐射源距离的函数，除了静态场外所有的电磁场均包 含e 和h 分量。因此，在近场时电磁场会表现为的高阻抗( 水 ) 磁场。 在小于波长的距离上，电场分量e 相当于电压源( 高阻抗) ，磁场分量日相当于电流源( 低阻抗) 。 在杆状天线及电子设备内部的一些高电压小电流元器件的场源，如预放电静态场、短的单极天线以 及印刷电路板上上升沿时间大于2 0 n s 的线路等的近场区电磁场以容性高阻抗电场为主，都可视作等 效的电压源。环天线和交流电源线以及电子设备中一些低电压人电流元器件、电感线圈等场源的周 同电磁场旱感性低阻抗磁场特性，都可视作等效的电流源【l3 1 。综上所述，如图2 3 所示，随着离场 源的距离增加波阻抗逐渐接近传播媒质的特性阻抗，在远场波阻抗近似为珈，在近场对于电场源 互v 珈，磁场源z w r o 。 由以上介绍可知，由于电子设备内部存在电流源和电压源，一旦衬垫安装在所需电子设备上时 将可能处于电场、磁场以及平面波的下，特别在足够高的频率下平面波将照射到设备屏蔽体上。同 时这些设备有可能处丁外部电压源或电流源附近，也可能处于来自外部环境的平面波照射下。因此， 在以上的情况下很难确定辐射场波阻抗大小。正是由于这个原因，对衬垫的性能评价通常采用辐射 测试方法。辐射测试法通常利用一个或多个屏蔽腔，把待测衬垫安装在屏蔽腔有窗1 5 1 的壁上并测试 通过衬垫缝隙耦合的能量。具体的装置通常在屏蔽体壁上开一窗口，待测衬垫则安装在盖板与窗口 连接处。通常利用电场单极天线、磁场环天线和平面波辐射天线在窗口的一侧产生电磁场，这时衬 垫被置于低阻抗的磁场、高阻抗电场和平面波下。然后分别测试在安装衬垫和空窗口下耦合到另一 侧场强，两次测试接收场强的分贝值之差即衬垫的屏蔽效能。由于衬垫缝隙处会有很强的极化，所 以有时需要在不同的角度测试耦合的场强。 r 第二章基本理论及相关概念 2 2 电磁屏蔽机理 电磁场能量传播机理归纳起来有三种，分别是透射、磁场耦合、电场耦合。其中前两者是依赖 于流过表面的电流( 磁场) ，第三种依赖于在缝隙附近垂直于表面的电场。 2 2 1 透射原理 这一原理对于薄壁屏蔽体的影响尤其明显。当一个导电屏蔽体被置于电磁场中时，电场的作用 导致电荷在导体内移动，如图2 - 4 所示。板下方产生的多余电子对屏蔽导体中的电子产生了力的作 用，这个力会导致了电子从连接点处移开形成电流。在导体表面形成流动的电流，即“表面电流氓) ”， 单位为a m ，数值大约是屏蔽导体入射处磁场的两倍。屏蔽体上的电流由于集肤效应发生衰减，在 屏蔽体另一侧的电流为缸。占。电磁波从屏蔽体透射后的场强表达如下【1 1 】： 珥= l e 刊占 ( 2 6 ) 辱= 坼磊 ( 2 7 ) 其中，e 卜透射电场；马_ _ 透射磁场：z s 一屏蔽体阻抗；矗一屏蔽体厚度；沪一集肤深度。 h 图2 - 4 电磁波透射原理图 2 2 。2 电场耦合 图2 5 给出的是通过带孔缝屏蔽体的电场耦创1 4 1 。在这个原理中，由于被屏蔽导线与屏蔽平板 外的导体之间有互部分电容c 1 2 的存在( 屏蔽板外的导电体未画出) ，垂直于导电平面的电场将耦合入 屏蔽体另一侧导线上，并在导线上感应出电流。明显的是，当缝隙比较小时互电容c 1 2 也比较小， 反之亦然。因此，缝隙很小的情况下，转移导纳的考虑是可以忽略的。这里将转移导纳作为评价参 数，转移导纳可表示为： = j c o c t 2 ( 2 8 ) 2 2 3 磁场耦合 磁场( 电流) 在导体表面流动通过连接电阻( 接头、衬垫、或类似电阻连接) 将产生电压降， 电压降将存在于接头的内外侧之间，因此它就可以与透射形成的导体内的电压降矢量叠加。相似地， 如果在屏蔽体上的电流流过内外导体间的电感，那么电压降将存在于屏蔽体的内外侧。 孔、缝、间隙、螺栓间距、编织线间的缝隙以及衬垫接头处均会构成独立连接点，这些独立连 结点将导致漏电容的存在。所以通常漏电容是和接头、缝隙、衬垫、缝等相关联的。任何的缝隙或 9 东南大学硕十学位论文 接头的转移阻抗可以简化为如下一般的形式 1 5 1 ： 1 z t = r ( f ) + 一三+ 一m 2 】l l _ ( 2 9 ) j w g 式中，尺( 7 一与频率相关的阻抗； 三一屏蔽两表面间的总电感； m 2 一屏蔽两表面间的互电感； c 一漏电容。 下图2 - 6 表示出了连接的磁场耦合情况，两板间的间隙情况决定了尺、c 、确2 。在实际工 程中当两结合导体表面有不平整时，采用高导电性材料制作的e m i 衬垫被用于填充两者之间的缝隙 就属于这种情况。因此在衬垫连接处磁场耦合占主要地位。 图2 5 电场耦合 2 3 衬垫连接处电磁现象 图2 6 磁场耦合 当辐射的电磁波照射到金属屏蔽装置上时，在屏蔽障碍物上会有表面电流五产生。当单位长度 的电流以流过如图2 7 所示的安装了衬垫的金属板时，会在衬垫上产生一个电压降e 。通过衬垫连 接装置的电压数值上等于电流乘衬垫的转移阻抗( z c ) ，即 e = 以z f ( 2 1 0 ) 同前面提到的一样，这个电压降将在另一侧产生辐射场。同理，通过e m i 衬垫所产生的场强可 以由式( 2 2 ) 得到2 1 ： 辱2 e 2 ；r r = 以z f ；r r ( 2 1 1 ) h r = e r 2 3 7 7 ( 2 n r ) 图2 7 电磁波透射衬垫原理图 当电磁场通过有耗的衬垫材料时会成指数衰减， 场衰减或指屏蔽效能( 距) 直接与转移阻抗磊有关。 1 0 弋 e ( 2 。1 2 ) 图2 8 电磁波在衬垫结合处的衰减 如图2 8 虚线所示。对于通过衬垫缝隙的电磁 如对于高度和厚度均为f 的衬垫，在衬垫连接 第二覃基本理论及相关慨念 处屏蔽效能( 艇) 为： s e = 2 0 l o g ，o 差= 2 0 l o g l o 旺m 因此，如果导电衬垫的阻抗和厚度f 己知，辐射场的波阻抗又可以确定，则可以利用公式( 2 1 3 ) 得到衬垫缝隙处的屏蔽效能。然而正如前面介绍的，衬垫连接处场的波阻抗可能在非常小到非常大 的之间变化，此时波阻抗是很难确定的。所以在外部电磁场的波阻抗未知的情况下，使用转移阻抗 z t 来预测衬垫缝隙处的屏蔽效能有可能导致错误的结果【。 一芗 衬垫。乇趁及之乞左配琵配幽 l i 0 2 图2 9 衬垫与屏蔽体的连接 上面介绍了衬垫连接处场的耦合情况，下面从能量的角度来分析衬垫连接处的屏蔽效能。图2 - 9 为典型的衬垫与屏蔽体连接状态，此时均匀厚度f 的衬垫位于两个屏蔽体的搭接处，z t 小于无限长 的缝隙的单位辐射阻抗z 0 。则缝隙单位长度的辐射功率为【1 6 】： 荆r e ( 上么删l 1 2 l p l 2 州| z f l 2 吒 ( 2 4 ) 式中，轩辐射阻抗；g 耐_ 电导率的实部。 k = = g r a d + 歹 ( 2 1 5 ) 对于自由空间： g 俐= 三 ( 2 1 6 ) 囚此，还可表示为： = r ol e l 2 ( 2 1 7 ) 这里，为衬垫的有效传输宽剧16 1 ，因为皆2 月；，由公式( 2 1 4 ) ，( 2 1 6 ) ，( 2 1 7 ) 得： 1 2 引i z f l 2 l 寺卜例2 ( 2 = 警 眨 如果能量通过衬垫缝隙时的衰减小于在屏蔽体壁上的损耗，则安装有e m i 衬垫的屏蔽体所具有 的屏蔽效能( s e ) 可以用乙来表示【1 7 l 【1 8 】： s e ：! 竺竺：旦( 2 2 0 ) w e 1 9 2 q 4 l g q z ，1 2 这里，卜屏蔽体的体积； 卜衬垫长度； 9 一屏蔽体的品质因数。 东南大学硕七学位论文 公式( 2 2 0 ) 给出了关于安装有导电衬垫的屏蔽体的屏蔽效能( s e ) 表达式，由( 2 2 0 ) 式可 以得出屏蔽效能与屏蔽体的体积成正比，与屏蔽体的q 值、衬垫长度和衬垫转移阻抗的平方成反比。 因此对于大小不同的屏蔽体得到的屏蔽效能也不同；在进行屏蔽效能测试时