电磁屏蔽技术

电磁干扰抑制的屏蔽技术,概述,电屏蔽,磁屏蔽,电磁屏蔽,孔缝对屏蔽效能的影响,屏蔽设计要点,电磁密封处理,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（f100kHz）,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t0，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g10/3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：SE54.83dB,（3）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。,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,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=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）,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.,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,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