屏蔽与接地.docx

屏蔽技术 1屏蔽的定义屏蔽可通过各种屏蔽体来吸收或反射电磁场骚扰的侵入, 达到阻断骚扰传播的目的; 或者屏蔽体可将骚扰源的电磁辐射能量限制在其内部, 以防止其干扰其它设备。（对两个空间区域之间进行金属的隔离, 以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。）1. 一种是主动屏蔽, 防止电磁场外泄; 2. 一种是被动屏蔽, 防止某一区域受骚扰的影响。屏蔽就是具体讲, 就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来, 防止干扰电磁场向外扩散; 用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来, 防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗) 、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射) 和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波) 的作用, 所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。 2.屏蔽的分类屏蔽可分为电场屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三类。电场屏蔽又包括静电场屏蔽和交变电场屏蔽; 磁场屏蔽又包括静磁屏蔽和交变磁场屏蔽。1. 静电屏蔽常用于防止静电耦合和骚扰, 即电容性骚扰; 2. 电磁屏蔽主要用于防止高频电磁场的骚扰和影响; 3. 磁屏蔽主要用于防止低频磁感应, 即电感性骚扰。2.1静电场屏蔽和交变电场屏蔽用来防止静电耦合产生的感应。屏蔽壳体采用高导电率材料并良好接地,以隔断两个电路之间的分布电容偶合，达到屏蔽作用。静电屏蔽的屏蔽壳体必须接地。以屏蔽导线为例,说明静电屏蔽的原理。静电感应是通过静电电容构成的,因此,静电屏蔽是以隔断两个电路之间的分布电容。静电感应,既两条线路位于地线之上时,若相对于地线对导体1 加 有V1的电压,则导体2 也将产生与V1成比例的电V2。由于导体之间必然存在静电电容,若设电容为C10、C12 和C20,则电压V1 就被C12 和C20 分为两部分,该被分开的电压就为V2,可用下式加以计算；导体1 和2 之间加入接地板便可构成静电屏蔽。这样,在接地板与导体1、导体2之间就产生了静电电容C10 和C20。等效电路,增加了对地静电电容，消除了导体1、2 之间直接偶合的静电电容。按示2.1，由于C12=0,故与V 1 无关,V2=0。这就是静电屏蔽的原理。我们若用金属壳体将干扰源屏蔽起来, C1 为干扰源与屏蔽壳体之间的电容, C2 为电子设备与屏蔽壳体之间的电容, Zm 为屏蔽壳体对地阻抗。可求得屏蔽后电子设备上的耦合干扰电压:V sm = 2 C1 C2 Zm ZsV N / (2 C1 C2 Zm Zs - 1)- j ( C1 + C2) Zm + C2 Zs (2)如果将屏蔽壳体理想接地,即Zm = 0 ,则V sm= 0 ,耦合干扰可完全消除, 也就是说, 要想完全消除上述干扰的必要条件是要求屏蔽壳体良好接地,在实际工作中, 一般要求接地电阻小于2m 就可以了。如果我们使用了屏蔽壳体,但不接地时,此时Zm = ,且C1 C , C2 V s ,可知屏蔽后的耦合干扰, 不但不能抑制, 反而更加严重。同样, 如果干扰源不屏蔽, 而将电子设备屏蔽,结果与上述屏蔽效果类似。在实际工作中,是屏蔽干扰源还是屏蔽受感器,建议进行综合全盘考虑,应根据简便、经济、操作方便、场地等具体情况而定。对于平行导线, 由于分布电容较大, 耦合干扰尤其严重, 需采用同轴电缆导线。有关同轴电缆导线的抗干扰问题,后面将另行分析讨论。耦合干扰的大小与频率有关,频率升高,干扰增加。故此,频率越高,采用屏蔽越有必要,屏蔽后的效果越明显。2.2电磁屏蔽电磁屏蔽的机理就是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场,产生屏蔽效果。因此，电磁屏蔽较适用于高频。低频时感应电流小，屏蔽效果差；应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续，使感应电流能在壳体中流畅，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。 所谓电磁感应，即回路与回路之间的电磁偶合。当电流i1、i2 通过导线1 和2 时,若分别构成回路,则相互之间就产生电磁偶合。所谓偶合,即在导体2 流过i1 的成分，在导体1又流过i2成分。对导体1来说,i2为不需要的电流,因此,它只能是对i1 的噪声成分。回路1与回路2之间的磁通便不相连接，这样即可完成屏蔽。但是，实际上，在防骚扰措施上很少采用装入磁性材料的方法来进行屏蔽。这是因为适当的带状高性能磁带比较昂贵的缘故。真正有效而实用的办法是尽可能避免组成回路。以上谈到的屏蔽问题，重要的是要分清骚扰究竟是源于电压还是起源于电流。必须按照不同的情况来决定采用静电屏蔽还是采用电磁屏蔽。 在交变场中, 电场和磁场总是同时存在的, 这时屏蔽要考虑对电磁场的屏蔽, 也就是电磁屏蔽。电磁屏蔽不是电场屏蔽和磁场屏蔽的简单叠加。在前面所述的4种情况中, 把高频和低频电场或磁场分开讨论本身也是一种简化, 因为低频和高频中间的过渡是非常复杂的。一般情况, 在频率较低的范围内, 电磁干扰一般出现在近场区(感应场) 。而近场根据干扰源的性质不同, 电场和磁场的大小有很大差别。如高电压小电流的干扰源以电场干扰为主, 磁场干扰可忽略不计,只考虑电场屏蔽即可; 而低电压高电流干扰源则以磁场干扰为主, 电场干扰可以忽略不计, 这时只考虑磁场屏蔽即可。当频率较高时, 干扰源的电磁辐射能力增加, 会产生辐射电磁场即远场区(辐射场) 。远场干扰中的电场干扰和磁场干扰都不可忽略, 需要同时实行电场和磁场屏蔽, 一般的做法是采用电阻率和磁导率都低的导体做成屏蔽盒并良好接地。2.3 磁场屏蔽当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰。抑制这类干扰，有效办法是施行磁场屏蔽。磁场屏蔽首先应注意到干扰源的频率高低，因为随干扰频率的不同，屏蔽原理也不同，它将涉及到屏蔽材料的选用以及屏蔽壳体设计、制作等诸方面的问题，若不加分析就不可能达到抑制干扰的效果。2.3.1 低频磁场屏蔽这里所指低频一般在100kHz 以下。设相近的两平行导线1 和导线2。导线1 对导线2 的磁场耦合干扰为： U2=jMI1式中：M为两导线间的分布互感，M=/I1；I1 为导线1 流过的电流；为电流；I1 产生的对导线2 交连的磁通。为抑制磁场耦合干扰，应尽量减少分布互感M，也就是减少干扰源与被干扰电路之间的交连磁通。 屏蔽对策屏蔽此类干扰，建议选用具有高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体，将干扰源屏蔽起来，这样能使干扰源产生的磁通被引导至铁磁材料中，从而不与被干扰的电路交连。同理，也可将被干扰的电路屏蔽起来。 有关屏蔽壳体的制作，应注意下列事项：1. 所选用材料磁路的磁阻Rm 越小越好Rm=L/S（L 为磁路长度；S 为磁路横切面积；为导磁率）。选用值高的铁、硅钢片、坡莫合金等；2. 在屏蔽壳体设计时，应使壳体有足够的厚度以增大S，达到增加屏蔽效果的目的；在垂直于磁通方向不能开口，以免增大磁阻；3. 为了更好地提高屏蔽效果，有时采用多层屏蔽，在安装时要注意将屏蔽壳体拧紧。2.3.2 高频磁场屏蔽频率在100kHz 以上高频磁场的屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到目的。上述铁磁材料在高频情况下，其磁性损耗太大，不利于在屏蔽壳体上形成尽量大的涡流，达不到有效消除高频磁场干扰的目的。一个良导体制成的屏蔽壳体对一个电子线路的屏蔽等效电路图。 L 为电子电路的电感；M为电子电路与屏蔽壳体的互感；Ls 为屏蔽壳体的电感；I 为电子电路的电流；Rs 为屏蔽壳体的电阻。从而可得出屏蔽壳体上形成的涡流为：Is=jMI/(Rs+jLs)当频率高时，LsRs，此时Rs 可忽略不计，则可简化为IsMI/Ls 当频率低时，LsRs，此时Ls 可忽略不计，则可简化为IsjMI/Rs 屏蔽对策1. 涡流随频率升高而增大，这说明高频磁场屏蔽应选用导电材料。2. 在高频段，涡流大小与频率无关，即涡流随频率升高增大到一定程度后，继续升高频率其屏蔽效果就不再增强了。3. 在低频段，低，Is 小，其屏蔽效果差；Rs 小，Is 大，屏蔽效果好，而且屏蔽损耗也少，这就要求屏蔽材料选用良导体。 由于高频集肤效应，涡流仅在屏蔽壳体表面薄层流过，因此，在设计高频屏蔽壳体时，与低频屏蔽壳体不同，无需做得很厚，只需保证一定的机械强度即可，一般为0.20.8mm。对于屏蔽导线，通常采用多股线编织网，因其在相同体积下有更大的表面积 3屏蔽常用分析因同轴电缆线在实际中应用非常普遍,对它的屏蔽问题, 单独进行讨论是非常必要的。在电场中采用同轴电缆对抑制容性耦合是十分有效的,但在磁耦合中, 同轴电缆线的抗干扰问题就复杂多了。其复杂所在是同轴电缆线由中心导线与屏蔽层组成,在一定的条件下能形成屏蔽层与中心导线的磁耦合。现进行分析如下:(1) 铜轴电缆的中心导线是受感器时, 为分析方便, 视中心导线无电流通过, 而屏蔽层有均匀轴向电流IS 流过。这时屏蔽层产生的自感为L s =/ Is ,屏蔽层与中心导线之间产生的互感M =/ Is ,由于IS 所产生的磁通全部包围着中心导线,故上述两式中的相等。V s是外界因素在屏蔽层上感应的电压, Is 是V s所产生的电流,加之屏蔽层自感L s 和电阻Rs 的存在, 使得Is对中心导线产生了感应电压V n。V N = jMIs ，Is = V s/ ( Rs + jL s) 将式(6) 代入式(7) ,且L s = M = / Is 得V N = V s/ (1 - jRs/ L s) (8)屏蔽层的截止角频率c = R/ L s ,故取模V = V s/ 1 + (c/ ) 2当 = 0 (直流) 时, V N = 0 ,当 = 5c 时,V n = 0. 98 V s 。当屏蔽中有电流时,中心导线上将感应一个电压V n ,此电压在频率5c 时接近于屏蔽层上的电压V S ,并随着频率升高而增大。我们将屏蔽层两端接地并不能抑制磁耦合干扰,因为屏蔽层中的电流所产生的磁通会与中心导线交连。通常只将屏蔽层上感应的电荷泄放入地,起到电场屏蔽作用。(2) 同轴电缆的中心导线是干扰源时,即中心导线有电流流过。这时如将屏蔽层的一端接地,那么中心导线在屏蔽层上感应的电荷被泄放入地,起到了电场屏蔽作用,但对磁场来说,其作用是非常小的。如果将屏蔽两端接地,所示,由A RSL SB 支路到方程:( Rs + jL s) Is - jMI1 = 0由于M = L s ,代入可得:IS = jI1/ ( j + C) 及I = Is/ 1 + (c/ ) 2 如果中心导线电流I1 的频率远大于屏蔽层的截止频率c 时, 屏蔽层电流IS 将接近于外部磁场近于互相抵消, 起到了防磁辐射的目的。而低频时, 效果欠佳。当然, 这种连接方法不能使IS 全等于I1 ,因为地电流IC 还有分路作用。为了使IS = I1 ,则可采用连接方式,I1 除IS 外无别的返回支路,使得IS 与I1 大小相等,方向相反。两者所产生的磁场互相抵消, 从而起到抑制磁场辐射的目的。这种连接无论高频还是低频都有良好的屏蔽效果。 一微弱信号经放大器的示意图,其中E1 是信号源与其输入端大地的共模噪声电压, E2 是信号源端地与放大器端地的电位差噪声信号, C 是屏蔽层或屏蔽罩对地分布电容。图(a) 所示电路, 导线屏蔽层与屏蔽罩相连并在信号端接地。图中由E1 、E2 及屏蔽层和屏蔽罩耦合进来的噪声等信号引起的地线干扰电流只流过导线屏蔽层和放大器屏蔽罩, 干扰电压对放大器不造成干扰,这种接法是合理的。(b) 所示电路,是导线屏蔽层未接到信号源端地。则由E1 、E2 及屏蔽层和屏蔽罩耦合进来的噪声等信号引起的干扰电流将流经信号源到放大器的信号线, 对放大器造成极大干扰,导线屏蔽层相当于未接, 没有起到预期的屏蔽效果,故B 接法不合理。(c) 所示电路,放大器未与屏蔽罩相连接,存在从放大器的输出端到输入端的寄生反馈, 这种反馈可能引起振荡。对放大器造成极大干扰, 屏蔽罩也不起作用,这种接法也不合理。 由上述分析,我们得出在信号源接地、放大器浮地时,要得到期望的屏蔽效果应做到:第一,导线屏蔽层应在信号接地处与零信号参考电位点相连接;第二,必须将屏蔽罩内电路的零信号参考电位点与屏蔽罩相连接。在信号源浮地、放大器接地时,也可相应得到:导线屏蔽层应连接到放大器的输入参考端。 4电子仪器的屏蔽根据上述电磁屏蔽的原理,在设计中,应根据设备的具体要求和生产工艺条件对屏蔽进行整体设计。考虑干扰源的性质、频率,区分是近场区还是远场区,分析仪器本身的辐射发射以及耦合方式,找出敏感组件,确定屏蔽要求,再开始电磁屏蔽的设计,对于电子仪器的屏蔽,主要考虑以下因素:结构形式:仪器结构采取哪种结构形式,应根据屏蔽要求进行选择,对于屏蔽要求较高的仪器,可选用双层屏蔽,仪器的结构应注意整体的电气连续性,在结构设计中,一些结构细节对仪器的力学性能也许没有影响,但对屏蔽效果却很重要。对中间装置,以前往往采用底板和盖板薄板形式,用螺钉将它们与框架连接起来,为了密封在它们与框架之间垫上橡胶垫,这样,不但底板和盖板与框架之间增加了一道缝,而且其间的电气连续性也只能通过螺钉来联系,大大降低了其屏蔽效果,如果底板与盖板之间采用金属接触,缝隙宽度会降到最小,屏蔽效果得以提高。材料选择材料的电导率、磁通率越高,屏蔽效果越好,但材料的选用还受到强度、重量、散热性、工艺性等因素的制约。当屏蔽效果不太好时,可考虑对其进行