屏蔽效能的计算PPT课件

1 抗干扰技术之屏蔽 滤波与保护 EMC 2 3 电磁干扰源 4 电磁干扰的抑制方法 电磁干扰的主要抑制方法 屏蔽抑制辐射干扰 滤波抑制传导干扰 接地最基本的干扰抑制方式 保护抑制能量型干扰 5 6 1屏蔽 屏蔽技术用来抑制电磁干扰沿空间的传播 其实质是将关键电路用屏蔽体包围起来 是耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减 6 现场主要辐射源 无线电干扰射频干扰移动通讯干扰 900MHz 1 8GHz 雷达干扰交流干扰 7 小环天线与短单极天线的波阻抗Z与距离r的关系 6 1 1近场与远场 8 电磁干扰沿空间的传播是以电磁波的方式进行的 可分为近场和远场 近场与远场的判别条件为d 2 6 1 d为临界距离 为辐射信号的波长 例1如果屏蔽体局干扰源的距离d 1m 根据判别条件d 2 1m可求出相应的临界频率f0 c 47 7MHz 那么此时对于频率f f0的辐射可认为是远场平面波 而当频率f f0时 则可看作是近场 9 对于常见两种天线 小环天线和短单极天线 两者远场的电磁场分布特性是基本一致的 但其近场分布有较大的不同 小环天线 表现为低电压 大电流 其辐射场主要为磁场短单极天线 表现为高电压 小电流 其辐射场主要为电场 10 6 1 2屏蔽原理 上式中 E0H0为未屏蔽时测得的场强 E1H1为屏蔽后测得的场强 金属板的综合屏蔽效能可表示为 SE A R B dB A 吸收损耗 R 反射损耗 B 多重反射修正因子 6 2 6 3 11 1 吸收系数A 2 反射系数R t 金属板厚度 mm f 辐射频率 r 金属板相对导磁率 r 金属板相对导电率 6 4 6 5 6 6 近场 远场 磁场屏蔽 电场屏蔽 12 可见 反射损耗主要取决于屏蔽体表面的导电率 例如金属屏蔽体通常不宜取铝材 因为没有经过表面处理的铝金属表面极易氧化 使表面导电率下降 反射损耗降低 另外 不同的金属表面处理也会对反射损耗产生不同的影响 高导电性钝化处理不影响反射损耗 阳极氧化处理 将增大金属表面的电阻率 使反射损耗大幅度降低 绝缘涂层不会影响反射系数 含导电性颗粒的漆 对反射系数影响较大 13 式中 Z为空气波阻抗 Zs为金属波阻抗 3 多重反射修正因子B B为负值 将削弱屏蔽效能 当A 10dB时 该修正因子可以忽略 Z 377 近场电场 近场磁场 远场 14 常用金属屏蔽材料的 r和 r 铜 r 1 r 1 15 由于d 2 属近场干扰 且干扰场强以磁场为主 例2设环状辐射源频率f 15kHz 在与辐射源相距50cm处有厚度t 0 5mm厚的铝制屏蔽机箱 其屏蔽效能可作如下估计 所以 需考虑多重反射的影响 Z 0 06 Zs 5 8 10 5 B 2 3dB 故该屏蔽机箱的总屏蔽效能为SE A RH B 52 2dB 可见 在这种情况下 屏蔽是以吸收损耗为主的 16 6 1 3屏蔽的基本原则 近场电场辐射屏蔽的必要条件是采用高导电率金属屏蔽体和接地 近场低频磁场屏蔽可采用高导磁率材料进行屏蔽或磁旁路 增加屏蔽体厚度或采用多层屏蔽 可提高屏蔽性能 屏蔽体不需接地 近场高频磁场 应采用高导电率金属 因频率较高时 磁损将增加 高磁导率材料的屏蔽效果并不理想 远场电磁屏蔽应采用高导电率金属并良好接地 17 实践表明 低频磁场是在线监测中最难屏蔽的 主要因为 低频 吸收损耗A小磁场 反射损耗R小 屏蔽低频磁场主要采用高导磁率材料 以提高吸收损耗 但应注意以下问题 1 材料手册上通常给出的是直流下的磁导率 但一般直流时磁导率越高 随频率的升高 下降的也越快 2 高导磁率材料在经过加工或受到冲击时 导磁率会明显下降 3 高导磁率材料会在强磁场中饱和 丧失屏蔽效能 18 为解决强磁场下 屏蔽材料的磁饱和问题 可采用双层屏蔽 19 另一种较常用的复合屏蔽 是在高导磁材料表面涂覆高导电材料 这种屏蔽材料对高频和低频电磁干扰都有比较理想的屏蔽效能 20 6 1 3孔缝屏蔽 屏蔽效能的计算 通常认为屏蔽体是一个完全封闭的金属壳 但实际上任何屏蔽箱体都存在必要的穿孔和缝隙 因此屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽的完整性 使屏蔽效能尽量得以恢复到接近理论计算值 21 1 导电衬垫 屏蔽机箱上的永久性接缝都应采用焊接工艺密封 非永久性结合面通常采用螺钉紧固 导电衬垫是减小接缝电磁泄漏的重要屏蔽材料 应有足够的弹性和厚度 应耐腐蚀 移阻抗应尽可能低 压缩变形或寿命应符合要求 22 2 截至波导式通风板 为满足屏蔽机箱的散热要求 有时需要开始通风孔洞 如果处理不好 常常是屏蔽性能下降的重要原因 通常采用截至波导式蜂窝板 屏蔽效能在1GHz时 可达120dB 工作频带宽 直到微波频段仍有较高的屏蔽效能 对空气阻力小 风压损失少 机械强度高 工作可靠稳定 23 3 屏蔽窗 监测系统的显示器必须使用屏蔽窗以防止电磁穿透 目前工业控制中常用的刚性平面屏蔽窗在9kHz到1 5GHz频率范围内 屏蔽效能可达80dB以上 24 4 操动器件的处理 1 信号频率较高时 可利用截至波导管设计操作通道 2 信号频率较低时 可利用隔离舱将操作器件与其他电路隔离 25 5 穿过屏蔽体的导线 尽管当屏蔽体的孔洞远小于波长时 不会严重影响屏蔽体的屏蔽效能 但当有导线穿过这些孔洞时 就会导致屏蔽体屏蔽性能明显下降 a 由屏蔽电缆与机箱构成全密封体 注意电缆屏蔽层应与机箱360 搭接 b 将导线中可能存在的电磁干扰滤除 26 6 1 4电缆辐射及其抑制 电缆是干扰出入屏蔽体的主要途径 由于屏蔽机箱不允许有任何导线穿过 否则屏蔽效能将大幅度下降 27 虽然使用良好接地的电缆能够有效的减小电缆的辐射 接收能力 但另一方面在很大程度上也取决于电缆端部的连接方式 为了阻止干扰电流流过电缆的芯线和屏蔽层 一种简单可行的方法就是采用滤波连接器 b 等效电路 a 等效电路 该连接滤波器能够对30 300MHz频率范围内的干扰电流产生30dB的衰减 28 使用滤波器时最重要的就是保证接地良好 使用板上滤波器时接地线应尽量短 必须保证滤波器与屏蔽机箱有良好的接触 29 6 2滤波 当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时 可以用滤波器将干扰加以滤除 滤波器将有用信号与干扰的频谱隔离的越完善 它对减少有用信号中的干扰的效果就越理想 因此恰当地设计 选择和正确地使用滤波器 对抑制传导干扰是非常重要的 30 6 2 1滤波器的构造 在抗干扰设计中 滤波器通常是指低通滤波器 如电源滤波器和信号线滤波器等 滤波器的有效性取决于与滤波器连接的网络阻抗 滤波器构造与阻抗的关系 31 简单的电感滤波在低阻抗电路中 效果理想 衰减超过40dB 但在高阻抗电路中就效果很差 单电容滤波在高阻抗电路中效果很好 但对低阻电路效果很差 多元件构成的滤波器 应使电容器面对高阻抗 电感器面对低阻抗 基本构造原则 但应强调的是滤波器元件与其他电路元件一样 也是非理想的 电感线圈上存在寄生电容 而电容引线上存在寄生电感 所以使用分立元件滤波器当频率超过10MHz时 将开始性能下降 32 滤波器在屏蔽体内的位置也很重要 其输入输出线之间应尽量远离 最好在屏蔽体两侧 以使相互间耦合电容最小 所有连线 特别是地线 要尽量短 并按顺序布置 滤波器的放置 滤波器不同放置方式 33 6 2 2滤波元件 在滤波器设计中 通常会使用一些专用的元件 1 三端电容器 除了简单的电感性滤波器之外 任何低通滤波器都要使用旁路电容 由于电容器引线电感的存在 滤波器的高频性能将受到限制 如果将电容器的输入和输出端分开 则引线电感可以得到利用 34 2 馈通电容器 对于信号线滤波器 当在UHF或更高频段内要获得更好的滤波效果 特别是为了保护屏蔽体不被导线穿透时 必须使用馈通滤波器 馈通电容器外表面直接用螺纹或焊接的方式连接到金属屏蔽体构成接地 由于地电流分散在中心导体的360 的范围内 以此实际上不存在电感 电容可以在超过1GHz的频率范围内 保持良好特性 外形 等效电路 馈通电容器的结构 35 3 片状电容器 由于片状电容器的引线电感几乎为零 所以被认为是作为旁路和去耦电容器的理想器件 其引线电感通常只是传统电容器的1 3 1 5 因此它们的自谐振频率可以达到同样容量的带引线电容器的2倍 为了避免走线引入附加电感 连接旁路和去耦电容器的引线要尽量短直 在实际工程应用中 旁路和去耦电容是减小印制电路板和逻辑器件上产生的瞬态干扰电流的有效方法 36 6 2 3电源滤波器 由于在现场 电源是许多设备公用的 同时公共电源通常也无屏蔽措施 所以在线监测设备的电源线是引入传导干扰的主要来源 电源滤波器实际上是一种低通滤波器 它能够毫无衰减地将直流 50Hz 400Hz的电源功率传送给设备 却大大衰减进电源传入的干扰信号 37 a 电源滤波器外观 b 等效电路 电源滤波器通常包括火线对地 L E 和零线对地 N E 两个独立端口间的低通滤波器 用以抑制电源系统内存在的共模干扰 利用电感L1和L2之差和CX构成火线对地 L N 端口的低通滤波器 用来抑制电源上存在的差模干扰 电源滤波器是无源网络 具有互易性 它既能有效抑制来自电源的干扰信号 同时也能衰减由测量设备产生的干扰传向电源 38 1 插入损耗 电源滤波器的性能有插入损耗IL来表示IL 20log E1 E2 dB 上式中 E1为未接电源滤波器时接收机测得的信号源输出电压 E2为接入电源滤波器后接收机测得的信号源输出电压 产品说明中所给出的插入损耗曲线 都是按有关标准规定 在50 系统内测得的 但在实际应用中 通常滤波器的两端阻抗都不一定是50 这种情况下应对插入损耗进行估计 上式中 Zs 源阻抗 ZL 负载阻抗 Zt 50 系统中的转移阻抗 由产品说明书给出 39 2 失配端接 在实际用中 要达到有效抑制干扰的目的 必须对滤波器两端的需连接的阻抗特性进行很好的配合 因为当滤波器输出阻抗与外部端接阻抗失配时 将在端口产生反射 反射系数 定义为 有意造成这种失配 利用反射现象 可以更加有效地抑制干扰信号 40 3 电源滤波器的安装 在实际用中 滤波器的安装是应当非常重视的 不恰当的安装 将使滤波器失去其应有的作用 不正确的安装 一 41 最不应当出现的是 在捆扎设备电缆时 把滤波器输入端和输出端引线捆扎在一起 这无疑将导致输入端和输出端的电磁耦合 破坏了滤波器的性能 不正确的安装 二 42 安装时 应尽量避免使用过长的接地引线 43 6 3保护 44 6 3 1瞬态能量型干扰 快速瞬变脉冲群雷击浪涌静电放电 45 6 3 2瞬态干扰吸收器 避雷管压敏电阻TVS 46 1 避雷管 避雷管是一种气体放电管 当两端出现较高的瞬变电压时 管内气体电离 使避雷管连端电压迅速将到一个很低的水平 使大部分瞬态能量被转移掉 避雷管对瞬态干扰的抑制作用 避雷管具有很强的浪涌电流吸收能力 同时具有很高的绝缘电阻 104M 和很小的寄生电容 小于2pF 所以不会对测量设备的正常工作 产生任何有害影响 非常适用于在线监测的传感器输入保护 但避雷管对浪涌电压的响应水平低 所以对快脉冲的保护不理想 47 2 压敏电阻 压敏电阻主要成分为氧化锌 铋 钴等金属氧化物 是 电压敏感型器件 两端电压低于额定电压时 其电阻无穷大 而两端电压稍微超过额定值后 电阻值便急剧下降 响应时间为纳秒级 压敏电阻的电容量