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第四章屏蔽技术 董积平dong j p 010 6874402013366077317 屏蔽的含义 屏蔽是用导电材料或导磁材料将某一区域隔离 使其内部的辐射电磁场不能越出这一区域 外面的辐射电磁场不能进入这一区域 或受到很大的衰减 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 按照屏蔽作用原理 可分为电场屏蔽 磁场屏蔽及电磁场屏蔽 这些作用与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷 电流及极化现象密切相关 屏蔽体材料选择的原则 1 当干扰电磁场的频率较高时 利用低电阻率的金属材料中产生的涡流 形成对外来电磁波的抵消作用 从而达到屏蔽的效果 2 当干扰电磁波的频率较低时 要采用高导磁率的材料 从而使磁力线限制在屏蔽体内部 防止扩散到屏蔽的空间去 3 在某些场合下 如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时 往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体 电场屏蔽 包括静电屏蔽和交变电场 高阻抗电场源的近场 的屏蔽 1 静电屏蔽导体在静电场中处于静电平衡时 有下列性质 1 导体内部任何一点的电场为零 2 导体表面上任何一点的电场方向与该点的导体表面垂直 3 整个导体是一个等位体 4 导体内部没有静电荷时 电荷只分布在导体的表面上 即使其内部存在空腔的导体 在静电场中也有上述性质 因此 如果把有空腔的导体引入电场 由于导体的内表面无静电荷 空腔中也无电场 外电场对空腔没有影响 如果把导体接地 即使空腔内有带电体产生的电场 在腔体外也无电场 孤立导体球 静电放电 导体球壳 导体球壳内部有带电体 导体球壳内部有带电体外壳接地 壳体对外场的屏蔽 由于一般来说壳体不可能完全封闭 所以壳体仍需接地 防止静电耦合引起的干扰 2 交变电场的屏蔽对于交变电场的屏蔽原理 采用电路理论比较方便 干扰源与感受器之间的电场感应可以用分布电容来进行描述 干扰源与感受器之间的分布电容越大 则干扰越大 为了减小干扰 应尽量使干扰源与感受器远离 当无法满足要求时 则需屏蔽 屏蔽体必须选用导电性能好的材料 而且必须良好接地 一般来说 接地阻抗小于2m 比较严格的情况小要求接地阻抗小于0 5m 若屏蔽体不接地或接地不良 将导致干扰变得更大 如在变压器两个绕组之间加导体屏蔽板 以减小分布电容耦合干扰 磁场屏蔽包括静磁 低频 100KHz以下 和高频磁屏蔽 低阻抗磁场源近区感应磁场的屏蔽 低频磁场屏蔽的机理主要是依赖高磁导率材料 铁 硅钢片 坡莫合金等 所具有的低磁阻起磁分路作用 也就是由磁屏蔽体为磁场提供一条低磁阻通路 使屏蔽体内部空间的磁场大大减小 其屏效远不如电场屏蔽和电磁场屏蔽 在工程上抑制低频磁场干扰是一个十分棘手的问题 磁场屏蔽 高导磁率材料的磁旁路效果 H0 H1 H0 Rs R0 H1 R0 Rs SE 1 R0 RS 铁磁材料 正确 不正确 在垂直于磁力线的方向上不应该有开口或缝隙 这样会切割磁力线 使磁阻加大 影响磁屏蔽效果 应该说明的是 铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场的屏蔽 高频时铁磁材料的磁损耗很大 包括磁滞损耗和涡流损耗 从而造成线圈的Q值下降等不利因素 而且高频时铁磁材料的导磁率明显下降 其屏蔽效能也大大下降 1 5 10 15 坡莫合金 金属 镍钢 冷轧钢 0 010 11 010100kHz r103 高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料 如铜 铝等 其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面产生的涡流的反磁场来抵消屏蔽体外的干扰磁场达到屏蔽的目的 如果将良导体屏蔽体接地 则它就同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用 频率在500kHz 30MHz范围内 屏蔽材料可选用铝 而当频率大于30MHz时 可可选用铝 铜 铜镀银等 高频磁场的屏蔽 良导体材料 正确 不正确 屏蔽体上的开口或缝隙尽量不切断电流 影响磁屏蔽效果 磁导率随场强的变化 磁通密度B 磁场强度H 饱和 起始磁导率 最大磁导率 B H 强磁场的屏蔽 高导磁率材料 饱和 低导磁率材料 屏效不够 低导磁率材料 高导磁率材料 怎样屏蔽低频磁场 低频磁场 低频 磁场 吸收损耗小 反射损耗小 高导电材料 高导磁材料 高导电材料 高导磁率材料 使用场合 当干扰电磁波是频率为1kHz以下的磁场时 要使用高导磁率材料来进行屏蔽 例如CRT显示器的图象在外界磁场的作用下发生抖动或颜色失真时 就需要对显示管或整个显示器进行屏蔽 马达或变压器产生的低频磁场对周围电路产生影响 就需要将马达或变压器屏蔽起来 使用时应注意的问题 首先加工会降低高导磁率材料的导磁率 导致屏蔽效能下降 因此屏蔽体加工后要进行热处理 恢复导磁率 并且在安装 搬运屏蔽体时要避免敲击 振动等操作 另外 高导磁率材料的焊接要使用母料做填充料 以保证焊缝的导磁率 屏蔽体越小 屏蔽效能越高 因此在容积足够的前提下 屏蔽体的体积要尽量小 电磁屏蔽与电场 磁场屏蔽不同 电磁屏蔽是用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施 电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡层时 会受到一定程度的衰减 既产生屏蔽作用 其机理是电磁波在穿过屏蔽体时能量有了损耗 这种损耗可以分为两部分 反射损耗和吸收损耗 反射损耗是当电磁波入射到不同媒质的分界面时 就会发生反射 使穿过界面的电磁能量减弱 由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗 吸收损耗是电磁波在屏蔽材料中传播时 会有一部分能量转换成热量 导致电磁能量损失 损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗 电磁屏蔽 导电媒质中电磁波的衰减 随着频率 磁导率 电导率的增大而增大 在良导体中电磁波只存在于表面 集肤深度 集肤效应 电磁屏蔽 屏蔽前的场强E1 屏蔽后的场强E2 对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽 电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量 SE 20lg E1 E2 dB 屏蔽效能与衰减量的关系 实心材料屏蔽效能的计算 入射波 场强 距离 吸收损耗A R1 R2 SE R1 R2 A B R1 R2代表两个表面的反射损耗 A代表屏蔽体的吸收损耗 B代表多次反射损耗 A越大 B越小 B 屏蔽设计的关键 对与电磁波大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能 但在实际工程中 要达到 dB以上的屏蔽效能是十分困难的 因为屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料 而且取决于屏蔽体的结构 屏蔽体要满足电磁屏蔽的两个基本原则 1 屏蔽体的导电连续性 指的是整个屏蔽体必须是一个完整的 连续的导电体 这一点实现起来十分困难 因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值的 一个机箱上会有很多如显示窗 通风口 不同部分结合的缝隙等 由于这些导致导电不连续的因素存在 屏蔽体的屏蔽效能往往很低 甚至没有屏蔽效能 2 不能有直接穿过屏蔽体的导体 一个屏蔽效能再高的屏蔽机箱 一旦有导线直接穿过屏蔽机箱 其屏蔽效能就会损失99 9 60dB 以上 但是 实际机箱上总是会有电缆穿出 穿入 至少会有一条电源电缆存在 如果没有对这些电缆进行妥善的处理 屏蔽和滤波 这些电缆会极大的损坏屏蔽体 妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一 穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大 电磁屏蔽与接地无关 对于静电场屏蔽 屏蔽体是必须接地的 但是对于电磁屏蔽 屏蔽体的屏蔽效能与屏蔽体接地与否无关 这是设计人员必须明确的 在很多场合 将屏蔽体接地确实改变了电磁状态 但这是由于其它一些原因 而不是由于接地导致屏蔽体的屏蔽效能发生改变 实际屏蔽体的问题 通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 实际机箱上有许多泄漏源 不同部分结合处的缝隙通风口 显示窗 按键 指示灯 电缆线 电源线等 电源线 缝隙 A 孔缝的屏蔽措施 一般情况下 屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触 只能在某些点接触上 这构成了一个孔洞阵列 缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一 在实际工程中 常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能 缝隙的阻抗越小 则电磁泄漏越小 屏蔽效能越高 缝隙处的阻抗 缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效 因为接触上的点相当于一个电阻 没有接触的点相当于一个电容 整个缝隙就是许多电阻和电容的并联 低频时 电阻分量起主要作用 高频时 电容分量起主要作用 由于电容的容抗随着频率的升高降低 因此如果缝隙是主要泄漏源 则屏蔽机箱的屏蔽效能有时随着频率的升高而增加 但是 如果缝隙的尺寸较大 高频泄漏也是缝隙泄漏的主要现象 影响电阻成分的因素 影响缝隙上电阻成分的因素主要有 接触面积 接触点数 接触面的材料 一般较软的材料接触电阻较小 接触面的清洁程度 接触面上的压力 压力要足以使接触点穿透金属表层氧化层 氧化腐蚀等 影响电容成分的因素 根据电容器的原理 很容易知道 两个表面之间的距离越近 相对的面积越大 则电容越大 解决缝隙泄漏的措施 1 增加接触面的重合面积 这可以减小电阻 增加电容2 使用尽量多的紧固螺钉 这也可以减小电阻 增加电容3 保持接触面清洁 减小接触电阻4 保持接触面较好的平整度 这可以减小电阻 增加电容5 使用电磁密封衬垫 消除缝隙上不接触点 使用电磁密封衬垫处理缝隙 电磁密封衬垫 缝隙 电磁密封衬垫的种类 凡是有弹性且导电良好的材料都可以用做电磁密封衬垫 按照这个原理制造的电磁密封衬垫有 导电橡胶 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 金属编织网 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 但它的编织方法与电缆屏蔽层不同 电缆屏蔽层是用多根线编成的 而这种屏蔽衬垫是由一根线织成的 打个形象的比喻 就像毛衣的袖子一样 为了增强金属网的弹性 有时在网管内加入橡胶芯 指形簧片 铍铜制成的簧片 具有很好的弹性和导电性 导电性和弹性 多重导电橡胶 由两层橡胶构成 内层是普通硅橡胶 外层是导电橡胶 这种材料克服了传统导电橡胶弹性差的缺点 使橡胶的弹性得以充分体现 它的原理有些像带橡胶芯的金属丝网条 不同种类的电磁密封衬垫的特点 很小的发光器件 如发光二极管 只需要在面板上开很小的小孔 一般不会造成什么问题 如果有问题 可以在小孔上安装一只截止波导管 用一个导光柱 也可以使用两个馈通式滤波器 将发光器件直接安装在屏蔽箱外 对于面积较大的发光器件 如液晶显示板 可以采用以下两种方法 A 在显示窗前面使用透明屏蔽材料 透明屏蔽材料有两种 一种是金属网夹在两层玻璃之间构成的 另一种是在玻璃或透明塑料膜上镀上一层很薄的导电层构成的 前一种材料的优点是屏蔽效能高 缺点是由于 莫尔条纹造成的视觉不适 后一种材料则正好相反 透明屏蔽材料安装注意事项 首先 透明屏蔽材料与屏蔽体基体之间实现良好搭接 减小缝隙的泄漏 使用导电突涂覆层屏蔽材料时 导电层不能直接暴露在外面 防止檫伤 使用金属丝网夹层的屏蔽材料时 如果出现条纹导致视觉不适 可以将金属网旋转一定角度 10 30 会有所改善 B 显示窗 器件的处理 B 用隔离舱将显示器件与设备的其它电路隔离开 使内部电路辐射的能量不会穿出机箱 外部的干扰不会侵入到内部电路 隔离舱安装注意事项 隔离舱与屏蔽体基体之间使用性能良好的电磁密封衬垫 导线经过馈通式低通滤波器穿出 两种方法的特点和适用场合 用透明屏蔽材料屏蔽的方法最大的优点是简单 缺点是视觉效果 设备内部有磁场辐射源或磁场敏感电路时不适合 透明屏蔽材料对磁场的屏蔽效能很低甚至没有 成本较高 适合于显示器件本身产生辐射或外界干扰敏感的场合 隔离舱的方法最大优点是显示器件的视觉效果几乎不受影响 对磁场有较高的屏蔽效能 缺点是如果显示器件本身产生电磁辐射或对外界干扰敏感 则没有效果 适合于显示器件本身不产生干扰或对外界电磁干扰敏感的场合 如果显示器件会产生辐射 并且机箱内有电磁辐射源 可以将两个方法结合起来 C 通风口的处理 穿孔金属板 截止波导通风板 孔洞的电磁泄漏与孔洞的最大尺寸有关 因此 在屏蔽机箱的通风孔设计上 往往采用与一个大孔相同开口面积的多个小孔构成的孔阵代替一个大孔 这样做的好处有以下几个 提高孔的截止频率 提高了单个孔的屏蔽效能 增加辐射源到孔的相对距离 与孔的尺寸相比 减小孔的泄漏 孔的泄漏与辐射源到孔的距离有关 如果穿孔板有一定的厚度 可以增加截止波导的衰减作用 当屏蔽体的屏蔽效能要求不高 并且对通风量的要求不高时 可以采用穿孔金属板 穿孔金属板的优点是成本低 但屏蔽效能与通风量之间的矛盾突出 金属网 在通风孔上安装一块金属网 金属网与屏蔽体之间要可靠的搭接 防止缝隙泄漏 金属网的经线和纬线之间要可靠搭接 否则屏蔽效能很低 截止波导板 如果对屏蔽效能和通风量的要求都较高 可以使用截止波导通风板 这种通风板由许多六角形截止波导管构成 由于截止波导管的屏蔽效能较高 并且每个波导管的壁厚很薄 因此这种通风板兼有良好的通风特性和电磁屏蔽特性 使用截止波导板时 同样要注意与机箱基体之间的搭接 一般使用焊接或电磁密封衬垫连接 截止波导管 损耗 频率 fc 截止频率 频率高的电磁波能通过波导管 频率低的电磁波损耗很大 工作在截止区的波导管叫截止波导 截止区 D 操作器件的处理 屏蔽体上开小孔 屏