第三章电磁兼容屏蔽技术

,电磁屏蔽2,物理电子学路书祥,电磁兼容设计,上节回顾,3.1概述,3.2电屏蔽,3.3磁屏蔽,3.4电磁屏蔽,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,3.7屏蔽设计要点,3.6电磁密封处理,4,屏蔽机理,设金属平板左右两侧均为空气，因而在左右两个界面上出现波阻抗突变，入射电磁波在界面上就产生反射和透射。电磁能（波）的反射，是屏蔽体对电磁波衰减的第一种机理，称为反射损耗，用R表示。,透射入金属板内继续传播，其场量振幅要按指数规律衰减。场量的衰减反映了金属板对透射入的电磁能量的吸收，电磁波衰减的第二种机理称为吸收损耗，用A表示,在金属板内尚未衰减掉的剩余能量达到金属右边界面上时，又要发生反射，并在金属板的两个界面之间来回多次反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过屏蔽的空间。电磁波衷减的第三种机理，称为多次反射修正因子，用B表示。,3.4电磁屏蔽,5,屏蔽效能的第一种机理电磁能的反射是因为空气金属界面上阻抗不匹配而发生的。反射系数为,辐射场的波阻抗,金属板的波阻抗,吸收损耗,第三种机理，称为多次反射修正因子：,三次反射(吸收过程)五次反射(吸收过程),3.4电磁屏蔽,6,实心材料屏蔽效能,RAB,入射,场强,距离,吸收损耗A,R1,R2,SER1R2AB,B,透射,泄漏,R反射损耗A吸收损耗B多次反射修正因子,实心材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被大大衰减，将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。,反射,A,R1,R2,3.4电磁屏蔽,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：,3.4电磁屏蔽,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：,3.4电磁屏蔽,反射损耗R(dB),良导体：,a.远场：,b.近场：电场源,c.近场：磁场源,3.4电磁屏蔽,多次反射修正B（dB）,而,故：,当时，,则,当时，通常可忽略B。,3.4电磁屏蔽,反射损耗：,电场源,磁场源,（）,屏蔽效能：,吸收损耗：,远场平面波源,多次反射修正：,小结,3.4电磁屏蔽,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,3.4电磁屏蔽,又,故,3.4电磁屏蔽,式中：,2.双层屏蔽体的屏蔽效能,3.4电磁屏蔽,3.4电磁屏蔽,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，,3.4电磁屏蔽,（3）薄膜屏蔽：,工程塑料机箱具有造型美观、加工方便、质量轻等优点。,如何使机箱具有屏蔽作用？,通过喷涂、真空沉积以及粘贴等技术在机箱上包裹一层导电薄膜。,设薄膜厚度为t，电磁波在薄膜中的波长为，当，称这种屏蔽层为薄膜屏蔽。,由于薄膜屏蔽导电层很薄，吸收损耗可以忽略，屏蔽效能主要由反射损耗和多次反射修正因子确定，可以按金属平板屏蔽的相关公式进行计算。,3.4电磁屏蔽,铜薄膜屏蔽层屏蔽效能,3.4电磁屏蔽,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,实际机箱上有许多泄漏源: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：,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,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g10/3时，有,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,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,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,缝隙的处理,衬垫的种类：金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)导电橡胶(不同导电填充物的)指形簧片(不同表面涂覆层的)螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)导电布,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,Page25,3.截止波导,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,26,截止波导屏蔽效能,截止波导管屏蔽效能,=,反射损耗：远场区计算公式,近场区计算公式,+,吸收损耗：与截止频率有关,孔洞计算屏蔽效能公式，前述,波导壁面吸收损失屏蔽效能明显,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,截止波导式通风孔的屏蔽效能,截止频率：,矩形波导：fc10=15109/a（Hz）,圆形波导：fc11=17.6109/D（Hz）,六角波导：fc10=15109/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。,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,屏蔽效能,矩形波导：,圆形波导：,六角波导：,（l的单位为：cm）,当ffc时：,设计要求：,l3a、l3D、l3W,fc=（510）f,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,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。,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,截止波导通风窗,截止波导通风窗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。,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,截止波导通风窗的设计,确定波导的截止频率,确定波导的截面尺寸,确定波导的截面形状,根据通风面积确定波导数目N,确定单根波导的屏蔽效能,确定波导的长度,进行屏蔽效能校核,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,波导的截止频率：,fc=f=50GHz,波导的截面形状：选用正方形截面波导,波导的截面尺寸：,fc=15109/a,a=15109/fc=3mm,波导数目,N=0.45106/(33)=50000,每个通风窗的波导数目：25000,例4一屏蔽室的工作频率范围是10KHz10GHz，要求通风孔的总通风面积为0.45m2，设计总屏蔽效能为95dB的截止波导通风窗。,解：,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,波导的长度：,单根波导的屏蔽效能,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,4、金属孔板的屏蔽效能,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,屏蔽效能的计算公式,SE=ARBK1K2+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）,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,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,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,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,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,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289,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.,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,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,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,.,5、通风孔上覆盖金属丝网,焊接式安装,压紧式安装,3.5孔缝对屏蔽效能的影响,操作器件的处理,器件调谐孔的屏蔽设计,显示窗的处理,贯通导体的处理,不允许金属导线不采取任何措施直接穿过屏蔽体！,贯通导体的处理,.,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,1.电磁密封衬垫,电磁密封衬垫是解决缝隙电磁泄漏的有效而方便的方法,使用电磁密封衬垫的主要优点,3.6电磁密封的处理,.,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,使用电磁密封衬垫的场合,3.6电磁密封的处理,.,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,使用电磁密封衬垫的关键,3.6电磁密封的处理,.,回弹力,导电性,最小形变量,衬垫厚度,电化学相容性,压缩永久形变,电磁密封衬垫的主要性能指标,3.6电磁密封的处理,.,金属丝网衬垫,用铍铜丝、不锈钢丝编织成管状长条。为了增强金属网的弹性，有时在网管内加入橡胶芯。,常用电磁密封衬垫,屏蔽效能：电场130dB（10MHz），105dB（1GHz）,磁场80dB（100kHz）,3.6电磁密封的处理,.,在硅橡胶内填充占总重量7080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,3.6电磁密封的处理,.,导电布衬垫,导电布包裹发泡橡胶构成。,导电布由铜、铜镍与黑色树脂制成。有导电编织纤维、导电非编织纤维和导电丝网等几种类型。,100dB以上的屏蔽效果（20MHz10GHz）,3.6电磁密封的处理,.,指形簧片,铍铜制成的簧片，具有很好的弹性和导电性。,螺旋管衬垫,3.6电磁密封的处理,.,不同衬垫材料的特点比较,3.6电磁密封的处理,.,尽量采用槽安装方式。（固定衬垫、限制过量压缩）,槽的形状和尺寸,电磁密封衬垫的安装,3.6电磁密封的处理,单层屏蔽的双导线,单层屏蔽的单导线,各自屏蔽的双导线,外带有单层或双层屏蔽，内部又各自屏蔽并彼此绝缘的双导线,单层屏蔽的双绞线,双层屏蔽的双绞线,单层或双层屏蔽的三芯线,屏蔽的多芯线,屏蔽电缆的类型,3.6电磁密封的处理,Page56,海底电缆,3.6电磁密封的处理,“猪尾巴（Pigtail）效应”的影响,3.6电磁密封的处理,“猪尾巴（Pigtail）效应”的影响,3.6电磁密封的处理,屏蔽电缆的连接,3.6电磁密封的处理,.