学鲁科版选修31 5.4磁与现代科技 课件（3）（63张）.ppt

5 4磁与现代科技 限制内部能量泄漏出内部区域 主动屏蔽 概述 屏蔽的含义 3 原理 电子设备 用导电或导磁材料制成的屏蔽体将电磁干扰能量限制在一定范围内 2 目的 防止外来的干扰能量进入某一区域 被动屏蔽 二次场理论 一次场作用下 产生极化 磁化形成二次场 反射衰减理论 4 屏蔽的分类 按工作原理 电场屏蔽 静电屏蔽 低频交变电场屏蔽 利用良好接地的金属导体制作 磁场屏蔽 静磁屏蔽 低频交变磁场屏蔽 利用高导磁率材料构成低磁阻通路 电磁屏蔽 用于高频电磁场的屏蔽 利用反射和衰减来隔离电磁场的耦合 屏蔽效能 se 屏蔽效能 屏蔽体的性质的定量评价 定义 或 或 e0 h0 未加屏蔽时空间中某点的电 磁 场 e1 h1 加屏蔽后空间中该点的电 磁 场 衰减量与屏蔽效能的关系 屏蔽效能的要求 分类 静电屏蔽 低频交变电场屏蔽 电场屏蔽 静电屏蔽 电场屏蔽的作用 防止两个设备 元件 部件 间的电容性耦合干扰 原理 静电平衡 要求 完整的屏蔽导体和良好接地 2 低频交变电场屏蔽 目的 抑制低频电容性耦合干扰 1 未加屏蔽 2 加屏蔽 忽略csr1的影响 分析方法 应用电路理论分析 讨论 1 屏蔽体不接地 若 2 屏蔽体接地 3 屏蔽体接地时 csr1的影响 屏蔽效能 屏蔽体的材料以良导体为好 对厚度无什么要求 屏蔽体的形状对屏蔽效能有明显的影响 电场屏蔽的设计要点 屏蔽体要靠近受保护的设备 屏蔽体要有良好的接地 磁场屏蔽 1 原理 高频磁场屏蔽 低频磁场屏蔽 f 100khz 利用高导磁率的铁磁材料 如铁 硅钢片 坡莫合金 对干扰磁场进行分路 利用低电阻的良导体中形成的涡电流产生反向磁通抑制入射磁场 2 屏蔽效能计算 解析方法 圆柱腔 球壳的屏蔽效能计算 近似方法 应用磁路的方法 如 长为l 横截面为s的一段屏蔽材料 则其磁阻为 磁阻 磁压降 磁通 的方程 外磁场的磁标位 1 圆柱形腔的磁屏蔽效能 方法 磁标位 内半径为a 外半径为b 磁导率为 外加均匀磁场 边界条件 时 时 解得 故 若 则 令 若t 0 即 则 屏蔽效能 球形腔体的屏蔽效能 非球形腔体的屏蔽效能 等效半径 v 屏蔽体的体积 例 长方体屏蔽盒尺寸为 壁厚 试计算用钢板和坡莫合金作屏蔽材料时的se 解 钢 合金 2 用磁路方法计算屏蔽效能 矩形截面屏蔽体 厚度 流经屏蔽体的磁通 流经空腔的磁通 总磁通 则 外磁场 屏蔽体内 腔内 磁通为 磁路计算 对于磁路cs 从p1到q1 磁阻为 磁压降 从q1到q2 故 对于磁路c1 由于 于是有 故 若 若 讨论 屏蔽体应选用高导磁率的材料 但应防止磁饱和 被屏蔽物体不要紧贴在屏蔽体上 磁场屏蔽的设计要点 注意屏蔽体的结构设计 缝隙或长条通风孔循着磁场方向分布 对于强磁场的屏蔽可采用多层屏蔽 防止发生磁饱和 尽量缩短磁路长度 增加屏蔽体的截面积 厚度 对于多层屏蔽 应注意磁路上的彼此绝缘 电磁屏蔽 1 原理与分析方法 原理 表面反射 r 反射损耗 屏蔽材料吸收衰减 a 吸收损耗 多次反射 b 多次反射修正 分析方法 电磁感应原理 计算屏蔽体上的涡流的屏蔽效应来计算屏蔽效能 平面波的反射与折射来计算反射与衰减 等效传输线理论计算反射与衰减 2 单层屏蔽体的屏蔽效能 均匀平面波垂直入射到无限大的导体板上 厚度为t 媒质的本征阻抗 传播常数 屏蔽效能 良导体 良导体 波阻抗 a 远场 b 近场 以电场为主 c 近场 以磁场为主 反射系数 透射系数 一次透射 x 0面上 屏蔽效能计算 设入射波场强 反射波 透射波 二次透射 x 0面上 反射波 透射波 x t面上 反射波 透射波 x t面上 反射波 n次透射 故 即 相对于铜的电导率 铜 厚度 mm 吸收损耗a db 屏蔽材料越厚 吸收损耗越大 厚度增一个趋肤深度 吸收损耗增加得9db 磁导率越高 吸收损耗越大 电导率越高 吸收损耗越大 频率越高 吸收损耗越大 相对磁导率 结论 反射损耗r db 良导体 a 远场 b 近场 电场源 c 近场 磁场源 多次反射修正b db 而 故 当时 则 当时 通常可忽略b 反射损耗 电场源 磁场源 屏蔽效能 吸收损耗 平面波源 多次反射修正 小结 屏蔽效能的频率特性 例1有一个大功率线圈的工作频率为20khz 在离线圈0 5m处置一铝板以屏蔽线圈对设备的影响 设铝板厚度为0 5mm 试计算其屏蔽效能 解 屏蔽体处于哪个场区 近场 大功率线圈 强磁场 主要为磁屏蔽 故 又 故 式中 2 双层屏蔽体的屏蔽效能 通常两层之间的空气中的多次反射起主要作用 则 当两屏蔽层采用同一金属材料且相同厚度时 孔缝对屏蔽效能的影响 信号线的出入口 电流线的出入口 通风散热孔 接缝处的缝隙等 设各泄漏因素的屏蔽效能为 即 总泄漏场 故 1 综合屏蔽效能的计算公式 例2设某一频率下 机壳屏蔽材料本身有110db的屏蔽效能 各泄漏因素造成屏蔽效能为 1 滤波与连接器面板 101db 2 通风孔92db 3 门泄漏 88db 4 接缝泄漏 83db 求机箱的总屏蔽效能 解 2 缝隙的电磁泄漏 故 设金属屏蔽体上有一缝隙 其间隙为g 屏蔽板厚度为t 入射波电场为e0 经缝隙泄漏到屏蔽体中的场为ep 当g 10 3时 有 例3 在例1中开一缝隙 若其宽度为0 5mm 0 25mm 0 1mm 分别求其屏蔽效能 解 当 当 当 无缝隙时的屏蔽效能 se 54 83db 3 截止波导式通风孔的屏蔽效能 截止频率 矩形波导 fc10 15 109 a hz 圆形波导 fc11 17 6 109 d hz 六角波导 fc10 15 109 w hz a d w的单位为 cm 原理 电磁波频率远低于波导的最低截止频率 因而产生很大的衰减 屏蔽效能 矩形波导 圆形波导 六角波导 l的单位为 cm 当f fc时 设计要求 l 3a l 3d l 3w fc 5 10 f 在将截止波导应用到屏蔽体上时 要注意以下几个问题 波导管必须是截止的 波导管对于频率在截止频率以上的电磁波没有任何衰减作用 至少要使波导的截止频率是所屏蔽频率的5倍 不能有金属材料穿过截止波导管 当有金属材料穿过截止波导管时 会导致严重的电磁泄漏 需要注意的是有些光缆的内部加有金属加强筋 这时将光缆穿过截止波导时也会引起泄漏 波导管的安装 最可靠的方法是焊接 在屏蔽体上开一个尺寸与波导管截面相同的孔 然后将波导管的四周与屏蔽体连续焊接起来 如果波导管本身带法兰盘 利用法兰盘来将波导管固定在屏蔽体上 需要在法兰盘与屏蔽体基体之间安装电磁密封衬垫 蜂窝形通风板 在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了 蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起 构成截止波导阵列 这样可以形成很大的开口面积 同时能够防止电磁波泄漏 4 金属孔板的屏蔽效能 屏蔽效能的计算公式 se a r b k1 k2 k3 式中 a 孔的吸收损耗 r 孔的反射损耗 b 孔的多次反射损耗 k1 孔数目修正系数 k2 低频穿透修正系数 k3 孔间耦合修正系数 a 孔的吸收损耗a 按截止波导计算 矩形孔 ar 27 3t a 圆形孔 ac 32 0t d t 孔的深度 cm a 矩形孔的最大宽度 cm d 圆形孔的直径 cm b 孔的反射损耗r 其中 矩形孔 圆形孔 远场 近区 电场 近区 磁场 a 每一孔洞的面积 cm2 p 孔间导体宽度 趋肤深度 c 多次反射修正b d 孔数目修正系数k1 e 低频穿透修正系数k2 f 孔间耦合修正系数k3 n 每cm2内的孔洞数 解a a 32t d 12 8db 例某飞机控制盒用铝板加工而成 铝板厚度t 2mm 两侧面板上的总孔数为2 8 9 孔的形状为圆形 孔径d 5mm 孔的中心间距为18mm 设平面波的频率为f 5mhz 求控制盒的屏蔽效能 b c 孔阵面积 d 孔数目修正系数k1 e 低频穿透修正系数k2 f 总孔数 故se a r b k1 k2 k3 55 8db 1 使用电磁密封衬垫的主要优点 3 6电磁密封处理 减少结合处的紧固螺钉 增加设备美观性和可维护性 降低对机械加工的要求 允许接触面有较低的平整度 在缝隙处不会产生高频泄漏 2 使用电磁密封衬垫的场合 机箱结合面的缝隙长度超过 20 要求机箱的屏蔽效能大于40db 设备的发射或敏感频率超过100mhz 无法采用机械加工来得到更好的导电连续性 结合面采用了不同材料 而且设备要在恶劣环境下工作 需要对环境采取密封措施 3 使用电磁密封衬垫的关键 保持接触面清洁 且没有非导电保护层 选用导电性能好的衬垫材料 对衬垫施加足够的压力 衬垫有足够的厚度 注意衬垫与屏蔽体接触表面间的电化学腐蚀 当需要活动接触时 应使用指形簧片 4 电磁密封衬垫的主要性能指标 回弹力 导电性 最小形变量 衬垫厚度 电化学相容性 压缩形变 5 常用电磁密封衬垫 金属丝网衬垫 用铍铜丝 蒙乃尔丝或不锈钢丝编织成管状长条 外形很像屏蔽电缆的屏蔽层 为了增强金属网的弹性 有时在网管内加入橡胶芯 在硅橡胶内填充占总重量70 80 比例的金属颗粒 如银粉 铜粉 铝粉 镀银铜粉 镀银铝粉 镀银玻璃球等 这种材料保留一部分硅橡胶良好弹性的特性 同时具有较好的导电性 导电橡胶 导电布衬垫 指形簧片 铍铜制成的簧片 具有很好的弹性和导电性 不同衬垫材料的特点比较 1 确定屏蔽效能 2 材料的选择 屏蔽设计要点 根据电磁特性 近场电屏