电磁兼容中有关电磁屏蔽的设计及工程计算方法的研究

1、Vol.30 No.1 2010.1 船电技术|应用研究电磁兼容中有关电磁屏蔽的设计及工程计算方法的研究张立伟1 李雪花2（1. 南京全信传输科技股份有限公司，南京 211113；2. 南京埃斯顿数字技术有限公司，南京 211100） 摘 要：为了确定电磁屏蔽的屏蔽设计效能，本文采用电磁场传播理论和原理，计算了吸收损耗、反射损耗、二次或多次反射损耗修正系数等以及铜金属板和铁磁金属板的不同频率下的屏蔽效果、多层屏蔽体的屏蔽效果。计算结果显示：屏蔽效能值除了与屏蔽体的材料、结构形式等有关外，还与电磁场源的类型、场源到屏蔽体的距离、电磁场源的频率等有关。 关键词：电磁兼容 电磁屏蔽 屏蔽效能 场源

2、工程计算中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1003-4862 (2010) 01-0035-06Design and Computational Method of EngineeringElectromagnetic shielding in EMCZhang Liwei1, Li xuehua2(1. Nanjing Quanxin Cable Technology Co.,Ltd，Nanjing 211113, China; 2. Nanjing Estun Digital Technology Co.,Ltd，Nanjing 211100, China)Abstract

3、: In order to confirm the efficiency of electromagnetic shielding, this paper uses the spreading theory of the electromagnetic field to calculate absorbing loss, reflecting loss, secondary or repetitious reflecting loss correctional quotiety and so on. It also calculates shielding effectiveness of t

4、he copper board and iron board in the different frequency and the screening capability of multilayer object. Calculating result shows that in addition to shielding material and the structure form.etc, shielding effectiveness also is related to the tape, distance and frequency of field source.Key wor

5、ds: electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic shielding; shielding effectiveness; field source; computational method of engineering1 引言接地、屏蔽、滤波是抑制电磁干扰的三大技术，这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法12。，能量泄漏出内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。屏蔽作用是通过一个将上述区域封闭起来的壳体实现的3，4。这个壳体可以做成实心板式，网状眼孔式以及金属编织式，结构形状可以是平面

6、体状，圆柱体，球壳形或几种组合形状。其所有材料可以是导电的，导磁的，介质的，也可以是带有非金属吸收填料的。屏蔽是利用屏蔽体进行阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁收稿日期：2009-07-28作者简介：张立伟（1976），男，高级工程师。研究方向：特种电缆，传输系统、舰船传输线，机车传输线等。2 屏蔽的分类根据屏蔽的对象不同，可以把屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽的对象是干扰源，限制由干扰源产生的有害电磁能量向外扩散。被动35船电技术|应用研究 Vol.30 No.1 2010.1屏蔽的对象是敏感体，以防止外部电磁干扰对它产生

7、有害影响。根据屏蔽的作用原理，可以分为静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽5，6jµ+j其中：角频率（rad/s）；=2fZi=f频率（Hz）；µ材料的相对导磁率；µ=。静电屏蔽的屏蔽体用良导体制作，并有良好的接地。这样就把电场终止于导体表面，并通过地线中和导体表面上感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰。磁屏蔽主要用于低频下，屏蔽体用于高导磁率材料构成低磁阻通路，把磁力线封闭在屏蔽体内，从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入，有效防止低频磁场的干扰。电磁屏蔽主要用于高频下，利用电磁波在导体表面上的反射和导体中传播的急剧衰减来隔离时变电磁场的相互耦合，从而防止高频电

8、磁场的干扰。（0=µrµ0µr材料的相对导磁率；µ0自由空间的导磁率；（µ0=4×10H/m）材料的电导率（s/m）； 材料的介电常数；r材料的相对介电常数；0自由空间的介电常数；71128.85×10F/m） 94×9×10对于绝缘介质，电导率极地，即<<，如果是空气，µ=µ0,=0于是3 屏蔽效能工程计算3.1 定义各种屏蔽体的性能，均用该屏蔽体的屏蔽效能来定量评价。在电线电缆行业中的电磁屏蔽效果，一般称为屏蔽衰减。屏蔽效能定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0（或磁

9、场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值，一般用对数形式表示为：屏蔽效能：SE=20lg=120377 0对于金属高导电率材料，即>>，于是fµjj2f=(1+j) Zm=+jZd=jµ=+j其模为：µr =3.69×107fr其中：金属材料电导率，=r0 (s/m)；Zm=20铜金属材料电导率，0=5.8×10（s/m）； r材料的相对电导率，即与标准铜材料的比值； 表1列举一些典型金属材料的本征阻抗的模值。E0H或 SE=20lg0（dB） E1H173.2 材料的特性阻抗（即本征阻抗）任何均匀材料的特性

10、阻抗（有的参考文献定义为本征阻抗）定义为：表1 金属本征特性阻抗模值（103）f/Hz 104铜钢铝铅0.037 1.044 0.048 0.1326×104 0.091 2.558 0.118 0.324 105 0.118 3.303 0.153 0.418 0.166 4.671 0.216 0.591 2×1050.263 7.385 0.341 0.395 5×105 106 1070.372 10.44 0.483 1.322 1.18 33.03 1.53 4.184.826 13.22108 3.72 104.4336Vol.30 No.1 201

11、0.1 船电技术|应用研究 3.3 空间中电磁波的波阻抗波阻抗是电磁波的一个重要特性参数，其定义是构成电磁能量传播的电场和磁场分量之比：阻抗场，见图2所示。Zw=下分别计算波阻抗：E H根据基本辐射源的场方程，按以下三种情况(1) 平面波，即远场区（r>>/2）自由空间的波阻抗：Zw=120377 ()(2) 电场，近场区高阻抗场的波阻抗 自由空间远区场的波阻抗为120，而在近场区时，对于电偶极子作为干扰源的感应场区间，则将出现高阻抗场，并且干扰场主要是电场发生源起主要作用。见图1所示。 当r<</2时：Zw=图1 高阻抗场的电场发生源和电磁波1j0r=Zw=1j0r=

12、10r12f0r图2 低阻抗场的电场发生源和电磁波其中：r场源到屏蔽体的距离（m）；(3) 磁场，近场区低阻抗场的波阻抗同理，近场区，磁流元作为干扰源的感应场区间，即磁场源发生器近距场区间，则将出现低图3 空间阻抗和距发生源的距离当r<</2时：Zw=jµrZw=jµr=µ0r=2fµ0r根据以上所述，分析绘制波阻抗与发生源之间距离的关系图如图3所示。 3.4屏蔽效能计算实心平板型屏蔽是把屏蔽体看成一个结构上完整的、电气上连续均匀的无限金属板。如图437船电技术|应用研究 Vol.30 No.1 2010.1所示，无限大均匀屏蔽体对平面电磁波

13、进行半空间屏蔽的情况。R=20lg(Zm+Zw)24ZwZm（dB）其中：Zm金属的本征阻抗（）； ZW入射波在空间的波阻抗（）前面讨论了，在不同的场区，电磁波的波阻抗不同，而在近场区波阻抗为复数值，反射损耗表达式可以分类进一步表示为：远场区时fµrR=168.110lgr近场区，以电场为主时图4 实心平板结构的屏蔽体（dB） （dB） 假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。在左边的界面上，入射波的一部分被反射回空气中。从电磁屏蔽的作用看，一部分电磁能量被反射，就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。

14、剩余部分就透射入金属板内继续传播，而电磁波在金属中传播时，其场量振幅要按指数规律衰减。从电磁屏蔽的作用看，场量的衰减反映了金属板对透射入的电磁能量的吸收，就是屏蔽体对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板的右界面上时，又要发生反射，并在金属板的两界面之间来回反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过右边界进入被屏蔽的空间。从电磁屏蔽的作用看，电磁波在金属板的两个界面之间的多次反射现象，就是屏蔽体对电磁波衰减的第三种机理，称为多次反射修正因子，用B表示。屏蔽效能的计算是分析与设计的重要步骤，屏蔽效能计算公式如下：f3r2µrR=321.710

15、lgr其中：r场源到屏蔽体的距离（m）；近场区，以磁场为主时r0.0117+5.35r+0.354（dB） R=20lgµrrrµr(3) 多次反射修正项：ZZB=2mw100.1A(cos 0.23Ajsin 0.23A)（dB）Zm+Zw令两界面的多次反射系数：2ZmZw=Z+Z。因为入射波阻抗Zw为复数，wm反射系数也是复数，工程计算可以分类按三种情况计算反射系数： 近场区，以磁场为主时，即低阻抗场2SE=R+A+B（dB）其中：R反射损耗；A吸收损耗；B多次反射修正项。(1) 吸收损耗：1+1µr4.7×102其中：m=rfr(1m)=4

16、5;222m2+j2(1m2)()22； 近场区，以电场为主时，即高阻抗场(1m)=4×222m2j2(1m2)A=0.131×trr（dB）其中：t金属屏蔽板的厚度（mm）；f频率（Hz）；(2) 反射损耗：1+115()22其中：m=2.05×10rf3µrr 远场区，即平面波38Vol.30 No.1 2010.1 船电技术|应用研究1+2m+1fµr10其中：m=9.77×10(1m)=4×222m2j22m(1m2)越小表示屏蔽效果越好。当屏蔽系数为0时说明具有完全屏蔽。屏蔽效能，在数值上等于屏蔽系数S倒数的模值，

17、然后取自然对数。表3 0.254 mm厚铁材料屏蔽体的屏蔽效能（dB）f/Hz近场区，磁场近场区，电场平面波()22r此时，对于平面波，m一般非常小，基本为1。多次反射修正项B并不是任何时候都必须计入的。当频率较高或金属较厚时，吸收损耗较大。入射波能量进入屏蔽体后，在第一次到达金属板右边的界面之前已经被大幅度衰减，多次反射现象不显著。一般只要A>10dB，就可不考虑多次反射的影响。工程设计人员一般关心的是屏蔽体的总屏蔽效能，包括吸收损耗，反射损耗及多次反射修正项三者之和，上述公式意义在于对不同屏蔽形式屏蔽效能的预测。表2中除平面波外，近场区的电场和磁场按场源到屏蔽体的距离r=30 cm计

18、算的各种干扰波源的屏蔽效能情况。这里并没有考虑出入孔、通风孔及电源线通孔的影响。在许多应用场合，贯通孔及连接屏蔽材料的工艺措施都会显著降低整个屏蔽体的实际效果。表2 0.254 mm厚铜材料屏蔽体的屏蔽效能（dB）f/Hz近场区，磁场近场区，电场平面波50 2.92 1k 14.66 10k 51.50 217.50 143.0 150k 179.0 308.00 248.0 1M 391.0 479.0 435.0 15M 1102.0 1143.0 1426.0 100M 1426.0 1434.0 1430.0即：屏蔽效能 SE=20lg1（dB） S屏蔽系数也可以按下式进行计算：4Zw

19、Zm2ZwZm2t2t(Zw+Zm)e1Z+Zemw其中：=j； S=反射系数计算公式：1P=1Scht+shtN50 3.44 111k 24.89 NthtN210k 50.16 212.73 128.73 =11150k 69.40 190.20 130.4 1+N+thtN21M 97.60 185.40 141.60Z15M 205.0 245.0 225.0其中：N=w；Zm100M 418 426 4223.5 屏蔽系数（S）和反射系数（P）的计算屏蔽系数表示屏蔽作用的大小，其值等于有屏蔽时，被屏蔽空间内某一点电场强度EB或磁场强度HB与没有屏蔽层时该点的电场强度E或磁场强度H之

20、比。屏蔽系数：S3.6 组合屏蔽体的设计和计算如果有双层或多层屏蔽体，每层屏蔽体之间不相互接触，则组合屏蔽系数按下式计算：双层组合屏蔽系数：S12=S1S2；1P1P22EBHB=； EHP2S1双层组合反射系数：P =P+1211P1P2其中：S12双层屏蔽系数；S1第一层屏蔽体屏蔽系数； S2第二层屏蔽体屏蔽系数；39屏蔽系数是复数，它的角度表示电磁波经过屏蔽后的相移。屏蔽系数的模为01，屏蔽系数船电技术|应用研究 Vol.30 No.1 2010.1P12双层反射系数；P1第一层屏蔽体反射系数； P2第二层屏蔽体反射系数；如果有多层屏蔽体，分别不相互接触，可以依次计算第一、二层组合屏蔽系

21、数S12，然后把第它作为一层屏蔽体，再利用上述公式计算，与第三层组合计算，从理论上依次可以计算任意多层屏蔽体的屏蔽系数和反射系数，从而求出屏蔽效能。场源为平面波情况下的双层实心金属屏蔽体的屏蔽效能见表4。表4 双层实心金属屏蔽体的屏蔽效能（Np）f/kHz铜钢 铜铜 钢钢 单层铜 单层钢 单层铜 单层钢各厚0.1mm 各厚0.1mm 各厚0.1mm厚0.1mm 厚0.1mm 厚0.2mm 厚0.2mm20 2.46 2.75 1.42 2.06 0.75 2.75 1.42 60 4.35 3.85 3.44 3.17 1.85 3.85 3.44 100 5.40 4.38 4.70 3.6

22、7 2.53 4.38 4.70 150 6.30 4.89 5.86 4.08 3.13 4.81 5.864 小结(1) 屏蔽效能值除了与屏蔽体的材料、结构形式等有关外，还与电磁场源的类型、场源到屏蔽体的距离、电磁场源的频率等有关；(2) 吸收损耗与屏蔽体到场源的距离无关，它取决于屏蔽体的厚度和材料的电导率、磁导率以及入射波的频率。而反射损耗则和电磁波的阻抗与屏蔽体阻抗的比值有关，即它与电磁场源的类型、场源到屏蔽体的距离、电磁场源的频率以及屏蔽材料的电导率和磁导率有关，但与屏蔽体厚度无关。(3) 在3 kHz10 kHz以下的频率内，一般是磁场源性质，强磁材料处于静磁屏蔽工作状态，可使用高磁导率合金构成磁路，以短路磁力线，它比抗磁屏蔽材料具有更好的屏蔽特性。但在磁场很强时，尽量采用多层屏蔽，以防止磁饱和。(4) 在10 kHz1 MHz