电磁屏蔽技术毕业设计

1、在人类进入信息化的时代,随着科学的进步,电子技术的发展 , 辐射无孔 不入,电磁干扰越来越严重。所以电磁兼容设计已经成为产品设计中十分重 要的一项内容。在电子设备及电子产品中 , 电磁干扰能量通过传导性耦合和辐 射性耦合来传输。为满足电磁兼容性要求 , 对传导性耦合需采取滤波技术 , 对 辐射性耦合则需采用屏蔽技术来加以抑制。电磁屏蔽已成为解决电磁兼容问 题的最重要手段之一 , 大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。因此 电磁屏蔽技术在生活中有很大的重要性。在利用电磁屏蔽技术的同时应该对 其充分了解。本文详细讨论了电子设备的电磁屏蔽设计技术,系统地分析了 电子设备电磁屏蔽的技术原理,屏蔽

2、效能的计算方法,各种屏蔽材料的性能 和应用场合,屏蔽的各种注意事项,孔眼的屏蔽效能的计算,屏蔽效能的检 测以及特殊部位的特殊屏蔽措施。关键词:电磁兼容;电磁屏蔽;屏蔽材料;屏蔽效能在人类进入信息化社会的今天,电磁波作为一种资源已在 0Hz400 GHz 的宽频率范围内广泛地应用在电子设备中,随之而来的电磁干扰电就从低频 到微波波段,无孔不入地辐射或传导给运行中的设备和周围的环境,给设备、 系统及生态带来了越来越严重的危害。目前,世界各国都越来越重视电磁干扰和电磁兼容问题,相继开展了对 电磁兼容的研究,并制定如电磁辐射卫生标准,我国也不例外,如 3C 认证及 其改进、国军标 CE/RE、民标 G

3、JB9254等相关一系列电磁辐射标准。在已实 施有关规定的国家中,凡电磁波干扰的控制达不到标准的电子电气产品不允 许出厂和进口,用以限制电磁辐射的影响。这些受各种电磁辐射标准控制的 电子产品从儿童玩具到各种大型电子设备,涉及的产品非常广泛。随着贸易 全球化的发展,对电子设备的电磁辐射的控制标准的落后,就会在国家对外 电子设备出口中形成贸易壁垒,严重阻碍相对落后国家对外经济的发展。这 种由于电磁辐射控制标准的实施形成的贸易壁垒效应也促使各个国家重视电 子设备在电磁辐射方面规范的制定,并加强对电子设备尤其是对外出口电子 设备电磁辐射的研究和控制。电磁兼容性指的是设备 (分系统、系统 在共同的电磁环

4、境中能一起执行 各自功能的共存状态,包含两方面的含义:(1设备不会由于受到处于同一电 磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级, (2它也不会使同一 电磁环境中其它设备 (分系统、系统 因受其电磁发射而导致或遭受不允许的 降级。电磁屏蔽是解决电子设备电磁兼容问题的重要手段之一,大部分电磁 兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决,特别是随着电路工作的频率日益提高,单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。电子设备的屏蔽设 计与传统的结构设计有许多不同之处,一般地在结构设计时如果没有考虑屏 蔽问题,很难满足电磁兼容性要求。所以,在设计电子产品时,必须从一开 始就考虑电磁屏蔽问题。1 电磁

5、屏蔽的技术原理电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干 扰源封闭起来,使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施。或用金属屏蔽 材料将电磁敏感电路封闭起来,使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。 电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用 (图 1 。电磁屏蔽不仅对辐射干扰有良好的抑制效果,而且对静电干扰和传导耦 合干扰的电容性耦合、电感性耦合均有明显的抑制作用。 反射吸收作用 电磁场引导作用图 1 屏蔽原理示意图1.1 静电屏蔽用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来,在屏蔽体的内侧将感应出 与带电导体等量的负电荷,外侧出现与带电导体等量的正电荷,因此外

6、侧仍 有电场存在。如果将金属屏蔽体接地,外侧的正电荷将流入大地,外侧将不 会有电场存在,即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。如图 2是用电力 系统表示仪器金属外壳的屏蔽作用。壳外的带电体能使金属外壳感应带电, 但电力线不能穿入壳内。 图 2 金属外壳的屏蔽作用1.2 交变电场屏蔽为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压,可以在干扰源和敏感电路 之间设置导电性好的金属屏蔽体,并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电 路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电 阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能使交变电场对敏感电路的耦 合干扰电压变得很小。1.3 交变磁场屏蔽交变磁场

7、屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高导磁率的材料 构成磁力线的低磁阻通路,使大部分磁场被封在屏蔽体内。屏蔽体的导磁率 越高,厚度越大,磁阻越小,磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相 协调。高频磁场的屏蔽是利用高导电率的材料产生的涡流的反向磁场来抵销 干扰磁场而实现的。1.4 交变电磁场屏蔽一般采用导电率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地而为零电位。它是 利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱 高频磁场的干扰,又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。2 屏蔽效能计算屏蔽效能 (SE的定义是:在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与 加屏蔽体后的电磁场强度之比。常用分贝数

8、 (dB表示。B R A SE += (2-1式中:A 吸收损耗R 反射损耗 B 多次反射损耗2.1 电磁波反射损耗由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同,使入射电磁波产生反射作用。 而空气的电磁波阻抗在不同场源和场区中是不一样的,所以分别计算如下:磁场源近场中的反射损耗 R (dB为: (354. 0364. 5012. 0log 202210+=r r r r f D D f R (2-2 电场源近场中的反射损耗 R(dB为:(2310log 10322D f R r r += (2-3 电磁场源远场中的反射损耗 R(dB为:(r r f R 10log 10168-= (2-4式中:r 相对

9、导磁率r 相对导电率f 电磁波频率(赫兹D 辐射源到屏蔽体的距离(米2.2 电磁波吸收损耗当进入金属屏蔽内的电磁波在屏蔽金属内传播时,由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗 A(dB为:(131. 0r r f d A = (2-5式中:d 屏蔽材料厚度 (毫米 2.3 电磁波多次反射损耗电磁波在屏蔽层间的多次反射损耗 B (dB为:(A j A Z Z Z Z B A w m w m 23. 0sin 23. 0cos 101log 201. 02210-+-=- (2-6 式中:m Z 屏蔽金属的电磁波阻抗w Z 空气的电磁波阻抗当 A >10dB时,一般可以不计多次反射损耗。2.4 屏蔽

10、效能计算实例场源距离屏蔽体 (厚度 0. 254mm30cm 远的屏蔽效能 (dB计算结果见表 1。 表 1中近场和远场的分界点 2, 为电磁场的波长。表 1 场源距离屏蔽体(厚度 0.254mm 30cm 远的屏蔽效能 (dB 3 屏蔽的注意事项3.1 屏蔽的完整性如果屏蔽体不完整,将导致电磁场泄漏。特别是电磁场屏蔽,它利用屏 蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁 场干扰。如果屏蔽体不完整,涡流的效果降低,即屏蔽的效果大打折扣。 3.2 屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合电磁屏蔽技术的进展,促使屏蔽材料的形式不断发展,而不再局限于单 层金属平板模式,屏蔽效能也不断提高

11、。应用时要特别注意不同的屏蔽材料 具有不同的屏蔽效能和应用场合。电子设备采用金属平板做机箱,既坚固耐用,又具有电磁屏蔽作用。其 电磁屏蔽效能与下述参数有关:金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场 源与金属平板的距离、 屏蔽体接地状况等等。 各种金属屏蔽材料的性能见表 2。 表 2 各种金属屏蔽材料的性能 当今许多电子设备采用工程塑料做机箱,由于工程塑料的加工工艺性能好,使机箱造型美观,成本低、质量轻。但工程塑料无电磁防护性能。屏蔽 薄膜是采用喷涂、真空沉积、电镀和粘贴等工艺技术,在工程塑料和有机介 质的表面覆盖一层导电膜,从而起到平板的屏蔽作用。一般导电膜的厚度小 于电磁波在其内部传播波长的

12、l /4。几种喷涂工艺达到的屏蔽效能见表 3。 表 3 几种喷涂工艺达到的屏蔽效能 不同厚度的铜薄膜的屏蔽效能见表 4。表 4铜薄膜的屏蔽效能 表头或显示器的屏蔽,可在表头或显示器的正面设置透光导电材料来实 现。透光导电材料是在有机介质或玻璃的表面覆盖一层导电膜,使其既透光, 又具有一定的屏蔽效能。几种透光率导电玻璃的屏蔽效能 (dB见表 5。 当有通风、透光、加水、测量等需要时,要在设备外壳上开孔,为提高 设备的电磁屏蔽效果,应采用金属丝网的孔眼屏蔽。或用于电子设备壳体的 接缝处,提供有效的电磁屏蔽。孔眼的屏蔽效能 SE(dB与电磁波的频率、孔 眼的尺寸和数量等参数有关,其计算公式如下:32

13、1K K K B R A SE += (3-1 式中:圆形孔吸收损耗D t A 32= (3-2 矩形孔吸收损耗t A 3. 27= (3-3反射损耗(N N R 41lg 202+= (3-4式中:N 孔内波阻抗和入射波阻抗之比圆形孔r D N 68. 3=(近区磁场 (3-5D f N =-51079. 5(近区电场 (3-6矩形孔r W N =(近区磁场 (3-7W f N =-51069. 6(近区电场 (3-8式中:t 孔的深度 (厘米 D 圆形孔的直径 (厘米 W 矩形孔宽边长度 (厘米 f 电磁波频率 (兆赫兹 r 孔到辐射源的距离 (厘米 多次反射损耗(A N N B 1. 0

14、2210111lg 20-+-= (3-9单位面积孔数的修正系数Sn K lg 101-= (3-10 式中:n 单位面积孔数 (孔数/厘米 2S 每个孔的面积 (厘米 2低频穿透修正系数(2215. 351lg 20-+-=w C K (3-11式中:w C 孔间的导体宽度 (厘米 屏蔽材料的集肤深度 (厘米 修正系数(686. lg 203K = (3-12为提高孔眼的屏蔽效能可采取以下措施:(1在大口径孔眼上覆盖金属丝网,要使丝网与屏蔽体接触良好; (2将大孔改为多个小孔; (3采用波导衰减器式通风口;(4在透光和测量孔上覆盖有金属丝网的屏蔽玻璃;(5在需要水、气密封的孔上垫含有橡胶等材

15、料的金属丝网。下面介绍几种常用的金属丝网屏蔽材料:(1全金属丝网衬垫全金属丝网衬垫是一种弹性的、导电的编织型金属衬垫丝网条,用于电 子设备壳体的接缝处,提供有效的电磁屏蔽。应用时,铸造或机加工的壳体 选用矩形截面的全金属丝网衬垫,板金壳体选用圆形截面的全金属丝网衬垫, 压缩量为原高度的 25%左右。全金属丝网衬垫的屏蔽效能 (dB见表 6。表 6全金属丝网衬垫的屏蔽效能 (2环境密封金属丝网衬垫环境密封金属丝网衬垫是由编织金属丝网和橡胶结合而成,环境密封金 属丝网衬垫除能提供有效的电磁屏蔽外,还可以提供有效的环境密封。可用 于电子设备壳体的固定接缝处或者活动接缝处,例如门缝等等。一般压缩量 为

16、原高度的 25%左右。其中带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能 (dB见表 7。 表 7带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能 (3金属丝网屏蔽玻璃金属丝网屏蔽玻璃是将金属丝网压在两层玻璃之间,不仅能提供有效的 电磁屏蔽,还可以提供有效的透光。可用于电子设备的观察窗口,例如表头、 数字或图象显示器等。金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能 (dB见表 8。表 8金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能 (4铝制蜂窝通风板铝制蜂窝通风板是由铝框中的铝制蜂窝构成。波导型的蜂窝不仅具有电 磁屏蔽效能,而且具有高的空气流动性。可用于电子设备的通风窗口。铝制 蜂窝通风板的屏蔽效能 (dB见表 9。 导电纤维分为以下五种:(1在化纤织物上镀铜或

17、镍后制成导电布,可对高频和微波具有灵活的屏 蔽性能;(2将导电布和树脂复合制成吸收导电布,由于选用能吸收电磁波的树 脂,因此屏蔽性能更好;(3用导电良好的金属或碳黑纤维和化纤混合制成导电布。以上三种导电织物可以做防静电和防电磁辐射的工作服,做屏蔽窗帘、 帐篷、保护罩。其屏蔽效能一般在 5060 dB。(4用导电纤维和木浆混合制成导电纸。导电纸可以做敏感集成电路的屏蔽包装。其屏蔽效能一般在 3040 dB。 (5由许多独立的金属丝合成到硅橡胶中制成的。这种定向金属丝填充硅橡胶能提供有效的电磁屏蔽和环境密封,常用于 非固定缝隙,例如法兰的连接。定向金属丝填充硅实芯橡胶的屏蔽效能 (dB见表 10。

18、表 10定向金属丝填充硅实芯橡胶的屏蔽效能 导电颗粒屏蔽材料是将镀银的玻璃粒子、纯银粒子、碳黑粒子、铜镀银 粒子、镍镀银粒子、铝镀银粒子、石墨镀镍粒子分别掺在硅或氟硅橡胶,可 以挤出各种形状,用于电磁和水汽密封。它们的屏蔽效能 (dB见表 11。 导电涂料是在聚丙烯和聚氨脂中掺入纯银金属粒子,可应用于塑料机壳 屏蔽和需要柔性屏蔽的设备上。铍铜簧片是具有弹性的屏蔽材料。可用于电子设备活动接缝的屏蔽,例 如门、窗等。铍铜簧片的屏蔽效能 (dB见表 12。 屏蔽复合板是由金属箔、绝缘基片和压敏胶组成。可用于印刷电路、电 子设备的屏蔽等。其屏蔽效能一般在 4045dB 。纯棉涤电磁材料是将铜原子均匀地

19、分布于棉涤材料中,形成既透明又具 有电磁屏蔽功能的材料。其屏蔽效能大于 50dB 。可应用于视屏射线辐射保护、 手机微波辐射防护等等。3.3 屏蔽体的壁厚和表面处理屏蔽体的壁厚在满足刚性与强度的要求下不超过 2. 5mm 。一般都选择 1.01.5mm 。壁厚增大,对电磁流的吸收损耗越大,屏蔽效果越好,但壁厚 会受重量等因素的制约。屏蔽体表面处理直接影响到其表面的导电性,影响 接触面的接触电阻,影响整体壳体的电气连续性,从而影响仪器的屏蔽效果。 3.4 屏蔽体良好接地金属屏蔽体良好接地,对静电屏蔽而言,将使屏蔽体外侧的感应电荷流 人大地,而不会有感应电场存在。对交变电场屏蔽而言,由于交变电场对

20、敏 感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接 地电阻之积,只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能使交变电场对敏感电路 的耦合干扰电压变得很小。因此,金属屏蔽体的接地不好,将会降低屏蔽效 果。良好的接地方案和屏蔽措施,可以避免由电磁感应而降低屏蔽设备的屏蔽效能,可使电子设备的电磁兼容达到事半功倍的效果。不考虑安全接地,仅从电路参考点的角度考虑,接地可分为悬浮地、单 点接地、多点接地和混合接地。(1悬浮地对电子产品而言,悬浮地是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体 相绝缘,即设备悬浮地。另一种情况是在有些电子产品中,为了防止机箱上 的骚扰电流直接耦合到信号电路,有意使信号地

21、与机箱绝缘,即单元电路悬 浮地。悬浮地容易产生静电积累和静电放电,在雷电环境下,还会在机箱和 单元电路间产生飞弧,甚至使操作人员遭到电击。设备悬浮地时,当电源相 线与机箱短路时,有引起触电的危险。所以悬浮地不宜用于通信系统和一般 电子产品。(2单点接地单点接地是为许多接在一起的电路提供共同参考点的方法。串联单点接 地由于各电路单元共用一条线,易引起共地阻抗干扰。并联单点接地最简单, 它没有共阻抗耦合和低频地环路的问题。每一个电路模块都接到一个单点地, 每一个子单元在同一点与参考点相联。地线上其它部分的电流不会耦合进电 路。(3多点接地多点接地设备中的内部电路都以机壳为参考点,而所有机壳又以大地

22、为 参考。有一个安全地把所有的机壳连在一起,然后再与地或辅助信号地相连。 这种接地结构的原理在于为许多并联路径提供了到地的低阻抗通路,并且在系统内部接地很简单。只要连接公共参考点的任何导体的长度小于骚扰波长 的几分之一,多点接地的效果都很好。多点接地能够避免单点接地在高频时 的问题。在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点接地。(4混合接地混合接地既包含了单点接地的特性,也包含了多点接地的特性。例如, 系统内的电源需要单点接地,而射频部分则需要多点接地。混合接地使用电 抗性器件使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性。这在宽带敏感电路中 是必要的。在图 3中,一条较长的电缆的屏蔽外层通过电容接到

23、机壳处避免 射频驻波的产生。电容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两模块之 间的地环路形成。图 3 混合接地(1克服地线干扰的有效方法是切断干扰地环路或减少地环路面积 从电子设备的地线分布到设备内部的各级电路单元,它难免会与其它电 路构成环路,如在不对称信号传输电路中,地线和信号线可构成回路;地线 本身也可能构成地环回路。当某一交变磁场与这些回路交连时,环路中产生 的感应电动势就是差模干扰。环路中的感应电动势为:dt d e i = (3-13式中:i e 为环路中的感应电动势。地环路中的感应电动势 i e 与传输信号电压串联或者耦合输送到下一级电路的输入端,从而构成干扰。切断地环干扰的最

24、有效的方法是实施单点接地, 必须指出,从电磁兼容的角度出发,实施单点接地是重要的技术措施。(2克服共模干扰的主要办法是降低接地系统阻抗当被感应的电磁干扰在导线上进行传输时,如果导线的阻抗完全对称, 则共模干扰就不应对电路引起干扰。然而,实际的回路真正达到完全对称是 不可能的。如果阻抗出现不平衡,在传输中就会从共模干扰转换成干扰,影 响电路的正常工作。减小共模干扰的方法主要包括:减小接地电阻从接地极的电阻的组成分析,减小接地电阻主要从以下几个方面着手: ·接地极本身和接地导线的电阻;·接地极表面同接地土壤之间的接触电阻;·接地极流出的电流,其扩散过程的电阻。减小地线

25、分布电感地线选用铜材料,降低自感系数。减小电子设备对地的分布电容要减小电容一般要增加设备到地的距离。(3接地电位差干扰的抑制方法采用两点接地存在电位差,它串联在信号回路中,可以对电子设备产生 干扰。接地平面产生电位差的原因是很复杂的,在系统设计时要采取有效的 措施加以抑制,主要方法有:·设计专用地阻抗接地系统;·应用隔离变压器;·光耦合隔离;·使用光纤传输信号。(1屏蔽接地为了获得最大的屏蔽效能,屏蔽层需要很好接地。因此,在设备和系统 的设计过程中应考虑到接地。(2滤波器参考地滤波器,尤其是电源滤波器,必须以本地地为参考,以尽可能达到所设 计的滤波作用。

26、(3噪声和骚扰控制对内部噪声和外部骚扰的控制需要设备或系统上的许多点与最佳地相 连,从而为骚扰信号提供“最低阻抗”通道。(4电路参考地为了保证理想的传输,所有的信号都需要一个公共参考点。因此,电路 参考地是接地的一个重要原因之一。公共参考地必须是零电位,工作电流不应通过它。(1系统级接地如图 4为某以电子设备的接地设计框图,该系统包括了多种电子设备和 电机,因此地线应分开设置。各分系统根据设备的不同,采用不同的接地方 式,对于电源,伺服系统等低频设备采用并联单点接地,它没有共阻抗耦合 和低频地环路的问题。对于高频设备和数字电路必须使用多点接地,这样能 够避免单点接地在高频时电路上产生较大的共模

27、电压的问题。该系统设备复 杂,地线采用分组敷设,分为:信号地线 (包括数字地线、模拟地线等 、噪 声地线 (骚扰源地线 和金属件地线 (机壳地 等如图 4所示。图 4 大系统设备接地框图 (2机柜级接地机柜级的接地采用数字地、模拟地、安全地三套系统,并从印制板、组 合、机柜直至地网加以贯彻。数字地:用于数字信号接地。模拟地:用于模拟信号接地。若有高电平模拟信号,则应将高、低电平 模拟信号地分开,若信号幅值超过数字电路开启电压,可视为高电平信 号。安全地 (机壳地 :用于设备机壳、机箱、机架和不带电的金属构件及噪 声干扰大的电动机、继电器电路及高电平模拟信号,则应将高、低电平模拟 信号接地。地阻

28、抗表达式: 81014. 4-=rrRF f aR (/m (3-14式中:a 当量直径 =截面周长 2;f 工作频率;r 相对磁导率; r 相对电导率。由上式看出,接地线材料确定时, r , r 确定,地线阻抗随频率上升而 增加,特别是当地线长度与工作波长可比拟时,地线上电流、电压呈驻波分 布,地线成了辐射天线,因此低频信号采用单点接地,以削弱地环路干扰。 高频信号采用多点接地,以抑制电场辐射。数字信号包含有大量谐波分量, 应按高频信号对待。在机柜后侧设置了数字地、模拟地、安全地的接地母线,即汇流条,机柜还设置了数字地、模拟地、安全地的接地螺栓(M8x30mm , 用安装线 AF-200,

29、2.5焊接三条接地电缆,此三条线的另一端分别搭接相应 地网的接地点上,三条接地网在设备骨架上汇聚一点,统一与大地线焊接。 由上式看出,当量直径 a 在截面面积不变时,随截面周长增加而增加,因此, 应采用扁平接地电缆汇流条选用铜带以增大当量直径 a ,从而减小接地阻抗, 如图 5所示。 图 5 机柜接地(3组合级接地机柜汇流条 XT1为模拟地, XT2为安全地, XT3为数字地,组合内部设安 全地、模拟地、数字地。每一组合配一个圆形插头座 XCH24F5ZD ,插头触点分 别为模拟地,安全地,为数字地。组合与机柜汇流条连接如图 6所示。 图 6 组合接地3.5 特殊部位的特殊屏蔽措施在屏蔽体的接

30、缝处,由于结合表面不平、不干净、焊接质量不好、紧固 螺钉之间存在空隙等原因,在接缝处造成缝隙,致使屏蔽体的屏蔽效果降低。 对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前,应将要焊接表面的非导电物质清 除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用并压 紧导电衬垫,以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织 物、含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝,如门框上,采用弹性指簧以提高 接缝的电磁屏蔽效果。导电衬垫的固定方式有:沟槽定位、粘贴固定和肋片 紧固的方式。缝隙的屏蔽效能 (SE 为:(N N l t SE 41lg 203. 272+= (3-15式中:N 缝隙波阻抗和空间波阻抗

31、之比,在近区磁场中时,rlN = (3-16 在远区平面场中时,lfjN =-51069. 6 (3-17 式中:t 金属板厚度 (厘米 l 缝隙长度 (厘米 f 电磁波频率 (兆赫兹 r 缝隙到辐射源的距离 (厘米 为提高缝隙的屏蔽效能可采取以下措施:(1增加金属板厚度,可通过增加旁边长度来实现;(2减少结合面缝隙宽度,可通过提高结合面加工精度、焊接或整体铸造 来实现;(3加装导电衬垫,常用的导电衬垫有:编织金属网、软金属、梳状簧片、 导电橡胶等等;(4在接缝处涂导电涂料,常用的导电涂料有:导电胶、导电脂等等;(5调整紧固钉间距,使其小于 20, 为电磁场的波长;图 7 接缝的处理 当有通风

32、、照明、加水、测量等需要时,为提高设备的电磁屏蔽效果, 应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参 数有关。 图 8 一般孔眼示意图因电缆需要活动和弯曲,其屏蔽采用编织带的形式。编织带的屏蔽效果 随编织密度的增大而增加,随电磁波的频率的增大而降低。一般电缆的屏蔽 层是用不导磁的金属丝编织的,可以实现电磁场屏蔽。如需实现磁场屏蔽, 电缆的屏蔽层应采用导磁的金属丝编织。当设备的通风和屏蔽要求较高时,采用蜂房板屏蔽有较好的效果。蜂房 板屏蔽是利用许多并列的六角形金属管焊在一起构成的。其中每一个金属管 都起波导衰减器的作用,而通风的风压降不大。蜂房板的电磁屏蔽效果取决 于波导管

33、的衰减特性,即与波导管的几何尺寸有关。当设备需要安装表头、数据或图形显示器时,应对面板孔加以屏蔽,以 保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩。屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接,通过屏蔽罩的进出线设置穿心 电容。选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针供电缆内各个屏蔽层在电连接器 头端接,在电连接器座内各个屏蔽层的插针用尽量短的连线接到外壳后再接 到壳内各个相应屏蔽层上。为保证屏蔽的完整性:要沿着电缆一周,将电缆 的外屏蔽层和电连接器整个地连接,最好是焊接;电连接器座通过导电衬垫 与设备的金属外壳保持良好的电气连接;电连接器头也应与电连接器座保持 良好的电气连接。当单层

34、屏蔽的效果达不到要求时,可以采用多层屏蔽。特别是对频带较 宽的屏蔽,分别采用导电率和导磁率高的几种材料组成多层屏蔽,可以达到 对高频电场和低频磁场均有较好效果的屏蔽。(1在电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路之间设置导线屏蔽,并 接到电路板的基准电位上。(2将导电线条之间的涂覆层尽量多的保留,并接到电路板的基准电位 上。(3在印刷电路板的三个周边 (电连接器边除外 设置地线。(4对电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路分别设置屏蔽罩,并接 到电路板的基准电位上。(5在印刷电路板之间设置屏蔽板,并接到电路板的基准电位上。4 电磁屏蔽设计的基本方法及屏蔽效能检测4.1 电磁屏蔽的基本方法:(1屏蔽效

35、能与屏蔽体到辐射源的距离有关,距离越大,屏蔽效能越好。(2干扰源产生的干扰是以电压方式出现时,应采取电场屏蔽的方法。要 求屏蔽壳体良好接地,接地电阻应小于 2 m。当干扰源产生的干扰是以电流 形式出现时,应采取磁场屏蔽的方法。(3干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率的金属材料所产生的涡流对 外来电波的抵消作用,达到屏蔽的效果,如当干扰源的频率高于 1 00 kHz时, 应采用良导体的材料来做屏蔽壳体,壳体的厚度只考虑满足机械强度的要求, 在 0. 20. 8 mm即可。干扰电磁波的频率较低时,采用高导磁率的材料,从 而使磁力线限制在屏蔽体的内部,防止扩散到屏蔽外的空间去,如当干扰源 的频率低于

36、 1 00 kHz时,采用高导磁率的铁磁材料来做屏蔽壳体,屏蔽壳体 尽可能的厚一些,注意不能在磁通垂直方向开口。(4同一种屏蔽材料对电场屏蔽最高, 对磁场屏蔽最低, 即磁场最难屏蔽, 还应注意屏蔽材料在不同频段的特性有所不同。在某些场合,如果要对高频 和低频的电磁场都具有良好的屏蔽效果时,一般采用不同的金属材料组成多 层屏蔽。若屏蔽外部强磁场,则外部用不易饱和的高导磁率的材料,内部用 易饱和的高导磁率的材料;若屏蔽内部的强磁场,则材料的选择与上述相反。 对于双层或多层屏蔽不能进行多点电接触,否则,就相当于一层屏蔽。为了 得到最佳的屏蔽效果,对都是铁磁材料的屏蔽层,之间的距离等于每层屏蔽 材料的

37、厚度。屏蔽层是铁磁材料与导电材料共同构成的多层屏蔽时,屏蔽层 间不应有间隙。4.2 屏蔽效能的检测设备屏蔽体做好之后需要进行屏蔽效能的检测。屏蔽效能的检测设备有:变 频信号源、射频放大器、发射天线、电磁场接收天线、衰减器、测量接收机、 数据记录仪。4.3 屏蔽效能的检测方法:屏蔽效能的测试方法一般分为三种方式。屏蔽箱外部放置发射天线,内部放置接收天线,接收天线将接收的信号 通过电缆传送到频谱分析仪 (图 9 。 图 9 屏蔽体屏蔽效能测试方式一屏蔽箱内部放置发射天线,外部放置接收天线接收泄漏场。信号源通过电缆 将信号送至发射天线 (图 10 。 图 10屏蔽体屏蔽效能测试方式二发射天线为球形偶

38、极子天线,自带信号源。天线放置屏蔽箱内部,接收 天线放置在外部, 接收天线将接收的信号通过电缆传送到频谱分析仪 (图 11 图 11 屏蔽体屏蔽效能测试方式三测试方法一存在的最大缺陷就是发射天线发射的电磁波会被电缆 (接收 天线与频谱仪之间的信号电缆 接收,严重影响测试结果的准确性。即使采用 同轴电缆,影响还是很明显。测试方法二存在的最大缺陷同方法一类似,就是信号发生器与发射天线 之间的电缆 (即使是同轴电缆 会起到很好的发射作用,从而严重影响测试结 果的准确性。测试方法三采用的是自带电源的辐射源,能够避免方法一和方法二的缺 陷,但是也存在两点不足:一方面是辐射源的发射功率太小,而且一般而言

39、接缝和缝隙具有较高的屏蔽效能,使得外部的接收天线接受不到泄漏场;另 一方面由于发射功率的要求,球形偶极子天线的尺寸相对较大,直径一般都 在 150mm 以上,因而很难应用于小型电子设备。国际上也有直接将激励源放置到屏蔽体内部的测试,但是局限性也很大, 国内也在不断的探索与研究之中。缝隙屏蔽效能测试存在的困难性更加突显了进行缝隙电磁泄漏仿真的重要意义。 4.4 屏蔽效能SE的检测分析 屏蔽效能SE计算式为： SE = 20 log10 (W - H ) (Y - H ) (4-1 式中： H 测量无发射时的环境电平； W 测量无屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度； Y 测量有屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度。 计算后，将屏蔽效能SE与设计要求相比较：是否达到设计要求，安全余 量是否满足要求，是否有过设计。如果达不到要求，就要具体分析原因并加 以改进，直到满足要求。如果有过设计，也要具体分析原因并在以后的设计 中加以避免。 沈阳大学毕业设计（论文） No 31 结论 电磁兼容性是系统设计中不可忽略的问题，直接影响到系统设备工作的 可靠性、稳定性和品质指标。本文所述的方法