电磁屏蔽基本原理介绍

之袁州冬雪创作在电子设备及电子产品中，电磁干扰（ElectromagneticInterference）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来停止传输•为知足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采取滤波技术，即采取EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采取屏蔽技术加以抑制.在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下，其重要性就显得更为突出.屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法•由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的分歧，在资料选择、布局形状和对孔缝泄漏节制等方面都有所分歧•在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明白频率范围，再根据各个频段的典型泄漏布局，确定节制要素，进而选择恰当的屏蔽资料，设计屏蔽壳体.屏蔽体对辐射干扰的抑制才能用屏蔽效能SE（ShieldingEffectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义：没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点（P）的场强丘1（召1）和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点（P）的场强豆2（冲2）之比，用dB（分贝）暗示.图1屏蔽效能定义示意图屏蔽效能表达式为(dB)5®=20log屏蔽效能表达式为(dB)5®=20log10£1(dB)工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：近似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和近似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源.由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点发生的场，都可由若干个基根源的场叠加而成（图2）.因此通过对电偶极子和磁偶极子所发生的场停止分析，便可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供杰出的实际依据.图2两类基根源在空间所发生的叠加场远近场的划分是根据两类基根源的场随1/r（场点至源点的间隔）的变更而确定的，厂二仏为远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所分歧.表1两类源的场与传播特性场源类型近场（"S远场（广>血）场特性传播特性场特性传播特性电偶极子非平面波1以八衰减平面波1以广衰减磁偶极子非平面波1以八衰减平面波1以广衰减波阻抗氐|为空间某点电场强度与磁场强度之比，场源分歧、远近场分歧，则波阻抗也有所分歧，表2与图3分别用图表给出了必I的波阻抗特性.表2两类源的波阻抗场源类型7波阻抗w（。）近场（八％）远场（八％“）电偶极子几120n2曲120n磁偶极子2JET120n兄120n能量密度包含电场分量能量密度和磁场分量能量密度，通过对由同一场源所发生的电场、磁场分量的能量密度停止比较，可以确定场源在分歧区域内何种分量占主要成份，以便确定详细的屏蔽分类.能量密度的表达式由下列公式给出：1一亠17电场分量能量密度％=严小矿网1亠一1亠2磁场分量能量密度囲厂呼尹同场源总能量密度 爵皿汀陷表3两类源的能量密度场源类型能量密度比较近场（八弘）远场（于V电偶极子%讥磁偶极子%认陷表3给出了两种场源在远、近场的能量密度•从表中可以看出，两类源的近场有很大的区别，电偶极子的近场能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子的近场能量主要为磁场分量，可忽略电场分量；两类源在远场时，电场、磁场分量均必须同时思索.屏蔽类型依据上述分析可以停止以下分类：表4屏蔽分类场源类型近场（广＜汕）远场（八）电偶极子（非闭合载流导线）电屏蔽（包含静电屏蔽）电磁屏蔽磁偶极子（闭合载流导线）磁屏蔽（包含恒定磁场屏蔽）电磁屏蔽电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响•电屏蔽的原理是在包管杰出接地的条件下，将干扰源所发生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体•因此，接地杰出及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽可否起作用的两个关键因素.磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场停止分流，因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的资料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素.电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所发生的电场和磁场分量•由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的节制要素.屏蔽体的泄漏耦合布局与所需抑制的电磁波频率紧密亲密相关，三类屏蔽所涉及的频率范围及节制要素如表5所示：表5泄漏耦合布局与节制要素屏蔽类型磁屏蔽电屏蔽电磁屏蔽频率范围10kHz〜500kHz1MHz〜500MHz500MHz〜40GHz泄漏耦合布局屏蔽体壳体屏蔽体壳体及接地孔缝及接地节制要素合理选择壳体资料合理选择壳体资料，杰出接地抑制孔缝泄漏，杰出接地实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合布局（n个），设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合布局的单独屏蔽效能（如只思索接缝）为SEi（i=1,2,…，n）,则屏蔽体总的屏蔽效能由上式可以看出，屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合布局中发生最大泄漏耦合的布局所决议的，即由屏蔽最单薄的环节所决议的.因此停止屏蔽设计时，明白分歧频段的泄漏耦合布局，确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则.在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大.尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键，成为屏蔽设计中应重点思索的首要因素.图4典型机柜布局示意图根据孔耦合实际，决议孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸.二者皆大，则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大.图4所示为一典型机柜示意图，上面的孔缝主要分为四类：•机箱（机柜）接缝该类缝虽然面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却非常大，由于维修、开启等限制，致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝，采取导电衬垫等特殊屏蔽资料可以有效地抑制电磁泄漏.该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬垫资料并停止适当的变形节制.•通风孔该类孔面积和最大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配布局的设计.在知足通风性能的条件下，应尽可以选用屏效较高的屏蔽通风部件.•观察孔与显示孔该类型孔面积和最大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光资料的选择与装配布局的设计.•毗连器与机箱接缝这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致毗连器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采取导电橡胶等毗连器导电衬垫.综上所述，孔缝抑制的设计要点归纳为：•合理选择屏蔽资料；•合理设计装置互连布局.电磁屏蔽电磁屏蔽是处理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处理.用电磁屏蔽的方法来处理电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改.选择屏蔽资料屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量.屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强E1与有屏蔽时该位置的场强E2的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度.用于电磁兼容目标的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一，因此通常常使用分贝来表述屏蔽效能，这时屏蔽效能的定义公式为：SE=20lg(E1/E2)(dB)用这个定义式只能测试屏蔽资料的屏蔽效能，而无法确定应该使用什么资料做屏蔽体.要确定使用什么资料制造屏蔽体，需要知道资料的屏蔽效能与资料的什么特性参数有关.工程中实用的表征资料屏蔽效能的公式为：SE=A+R(dB)式中的A称为屏蔽资料的吸收损耗，是电磁波在屏蔽资猜中传播时发生的，计算公式为：A=3.34t (f|iror) (dB)t=资料的厚度，^r=资料的磁导率,or=资料的电导率，对于特定的资料，这些都是已知的.f=被屏蔽电磁波的频率.式中的R称为屏蔽资料的反射损耗，是当电磁波入射到分歧媒质的分界面时发生的，计算公式为：R=20lg(ZW/ZS) (dB)式中，Zw二电磁波的波阻抗，Zs=屏蔽资料的特性阻抗.电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值：Zw=E/H.在间隔辐射源较近(〈入/2n，称为近场区)时，波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的间隔、介质特性等.若辐射源为大电流、低电压(辐射源电路的阻抗较低)，则发生的电磁波的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波.若辐射源为高电压，小电流(辐射源电路的阻抗较高)，则波阻抗大于377，称为高阻抗波或电场波.关于近场区内波阻抗的详细计算公式本文不予阐述，以免冲淡主题，感兴趣的读者可以参考有关电磁场方面的参考书•当间隔辐射源较远(＞入/2n,称为远场区)时，波波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗， 空气为 377Q.屏蔽资料的阻抗计算方法为：IZSI=3.68X107(fur/or) (Q)f二入射电磁波的频率(Hz),^r二相对磁导率，"二相对电导率从上面几个公式，便可以计算出各种屏蔽资料的屏蔽效能了，为了方便设计，下面给出一些定性的结论.在近场区设计屏蔽时，要分别思索电场波和磁场波的情况；屏蔽电场波时，使用导电性好的资料，屏蔽磁场波时，使用导磁性好的资料；同一种屏蔽资料，对于分歧的电磁波，屏蔽效能使分歧的，对电场波的屏蔽效能最高，对磁场波的屏蔽效能最低，也就是说，电场波最容易屏蔽，磁场波最难屏蔽；一般情况下，资料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高；屏蔽电场波时，屏蔽体尽可以接近辐射源，屏蔽磁场源时，屏蔽体尽可以远离磁场源；有一种情况需要特别注意，这就是1kHz以下的磁场波这种磁场波一般由大电流辐射源发生，例如，传输大电流的电力线，大功率的变压器等.对于这种频率很低的磁场，只能采取高导磁率的资料停止屏蔽，常常使用的资料是含镍80%左右的坡莫合金.孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策一般除了低频磁场外，大部分金属资料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在实际中，罕见的情况是金属做成的屏蔽体，并没有这么高的屏蔽效能，甚至几乎没有屏蔽效能.这是因为许多设计人员没有懂得电磁屏蔽的关键.首先，需要懂得的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系.这与静电场的屏蔽分歧，在静电中，只要将屏蔽体接地，就可以够有效地屏蔽静电场.而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是必须明白的.电磁屏蔽的关键点有两个，一个是包管屏蔽体的导电持续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、持续的导电体.另外一点是不克不及有穿过机箱的导体.对于一个实际的机箱，这两点实现起来都非常坚苦.首先，一个实用的机箱上会有很多孔洞和孔缝：通风口、显示口、装置各种调节杆的启齿、分歧部分连系的缝隙等.屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机箱的其他性能（雅观、可维性、靠得住性）.其次，机箱上总是会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆.这些电缆会极大地危害屏蔽体，使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝.妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害当电磁波入射到一个孔洞时，其作用相当于一个偶极天线（图1）,当孔洞的长度达到入/2时，其辐射效率最高（与孔洞的宽度无关），也就是说，它可以将激励孔洞的全部能量辐射出去.对于一个厚度为0资料上的孔洞，在远场区中，最坏情况下（造成最大泄漏的极化方向）的屏蔽效能（实际情况下屏蔽效能可以会更大一些）计算公式为：SE=10020lgL20lgf+20lg[1+2.3lg(L/H)](dB)若 L鼻入/2， SE=0(dB)式中各量：L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm） ，f=入射电磁波的频率（MHz）在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关.当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能高），而当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏比远场时要大（屏蔽效能低）.近场区，孔洞的电磁屏蔽计算公式为：若ZC＞（7.9/D・f）：SE=48+20lgZC20lgL・f+20lg[1+2.3lg(L/H)]若Zc<（7.9/D・f）：SE=20lg[(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H)]式中：Zc二辐射源电路的阻抗（Q）,D=孔洞到辐射源的间隔（m），L、H=孔洞长、宽（mm），f=电磁波的频率（MHz）说明：•在第二个公式中，屏蔽效能与电磁波的频率没有关系.大多数情况下，电路知足第一个公式的条件，这时的屏蔽效能大于第二中条件下的屏蔽效能.第二个条件中，假设辐射源是纯磁场源，因此可以认为是一种在最坏条件下，对屏蔽效能的守旧计算.对于磁场源，屏蔽效能与孔洞到辐射源的间隔有关，间隔越近，则泄漏越大.这点在设计时一定要注意，磁场辐射源一定要尽可以远离孔洞.多个孔洞的情况当N个尺寸相同的孔洞摆列在一起，而且相距很近（间隔小于入/2）时，造成的屏蔽效能下降为20lgN1/2.在分歧面上的孔洞不会增加泄漏，因为其辐射方向分歧，这个特点可以在设计中用来防止某一个面的辐射过强.除了使孔洞的尺寸远小于电磁波的波长，用辐射源尽可以远离孔洞等方法减小孔洞泄漏以外，增加孔洞的深度也可以减小孔洞的泄漏，这就是截止波导的原理.一般情况下，屏蔽机箱上分歧部分的连系处不成能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列.缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一.减小缝隙泄漏的方法有：•增加导电接触点、减小缝隙的宽度，例如使用机械加工的手段（如用铣床加工接触概况）来增加接触面的平整度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度；•加大两块金属板之间的重叠面积；•使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电资料.如果在缝隙处装置上持续的电磁密封衬垫，那末，对于电磁波而言，就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样，不会发生电磁波的泄漏.穿过屏蔽体的导体的处理造成屏蔽体失效的另外一个主要原因是穿过屏蔽体的导体.在实际中，很多布局上很严密的屏蔽机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败，这是缺乏电磁兼容经历的设计师感到猜疑的典型问题之一.断定这种问题的方法是将设备上在试验中没有需要毗连的电缆拔下，如果电磁兼容问题消失，说明电缆是导致问题的因素.处理这个问题有两个方法：•对于传输频率较低的信号的电缆，在电缆的端口处使用低通滤波器，滤除电缆上不需要的高频频率成分，减小电缆发生的电磁辐射（因为高频电流最容易辐射）.这同样也能防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内的电路.•对于传输频率较高的信号的电缆，低通滤波器可以会导致信号失真，这时只能采取屏蔽的方法.但要注意屏蔽电缆的屏蔽层要360°搭接，这往往是很难的.在电缆端口装置低通滤波器有两个方法•装置在线路板上，这种方法的优点是经济，缺点是高频滤波效果欠佳.显然，这个缺点对于这种用途的滤波器是十分致命的，因为，我们使用滤波器的目标就是滤除容易导致辐射的高频信号，或者空间的高频电磁波在电缆上感应的电流.•装置在面板上，这种滤波器直接装置在屏蔽机箱的金属面板上，如馈通滤波器、滤波阵列板、滤波毗连器等.由于直接装置在金属面板上，滤波器的输入、输出之间完全隔离，接地杰出，导线上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果十分抱负.缺点是装置需要一定的布局配合，这必须在设计初期停止思索.由于现代电子设备的工作频率越来越高，对付的电磁干扰频率也越来越高，因此在面板上装置干扰滤波器成为一种趋势.一种使用十分方便、性能十分优越的器件就是滤波毗连器.滤波毗连器的外形与普通毗连器的外形完全相同，可以直代替换.它的每根插针或孔上有一个低通滤波器低通滤波器可以是简单的单电容电路，也可以是较复杂的电路.处理电缆上干扰的一个十分简单的方法是在电缆上套一个铁氧体磁环，这个方法虽然往往有效，但是有一些条件.许多人对铁氧体寄予了过高期望，只要一遇到电缆辐射的问题，就在电缆上套铁氧体，往往会失望.铁氧体磁环的效果预测公式为：共模辐射改善=20lg（加磁环后的共模环路阻抗/加磁环前的共模环路阻抗）例如，如果没加铁氧体时的共模环路阻抗为100Q，加了铁氧体以后为1000Q,则共模辐射改善为20dB.说明：有时套上铁氧体后，电磁辐射并没有分明的改善，这其实纷歧定是铁氧体没有起作用，而可以是除了这根电缆以外，还有其他辐射源.在电缆上使用铁氧体磁环时，要注意下列一些问题：•磁环的内径尽可以小•磁环的壁尽可以厚•磁环尽 可以 长•磁环尽可以装置在电缆的端头处金属屏蔽效率可用屏蔽效率（SE）对屏蔽罩的适用性停止评估，其单位是分贝，计算公式为SEdB=A+R+B其中A：吸收损耗（dB）R：反射损耗（dB）B：校正因子（dB）（适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况）一个简单的屏蔽罩会使所发生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可以会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB.吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算式为AdB=1.314(fXoXu)1/2Xt其中f：频率（MHz）U：铜的导磁率o：铜的导电率t：屏蔽罩厚度反射损耗（近场）的大小取决于电磁波发生源的性质以及与波源的间隔.对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，然后随着与波源间隔的增加而下降，但平面波阻则无变更（恒为377）相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻越低.波阻随着与波源间隔的增加而增加，但当间隔超出波长的六分之一时，波阻不再变更，恒定在377处反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变更，因此它不但取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的间隔这种情况适用于小型带屏蔽的设备近场反射损耗可按下式计算R(电)dB=321.8(20Xlgr)(30Xlgf)[10Xlg(u/o)]R(磁)dB=14.6+(20Xlgr)+(10Xlgf)+[10Xlg(u/o)]其中r：波源与屏蔽之间的间隔.SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为B=20lg[exp(2t/o)]此式仅适用于近磁场环境而且吸收损耗小于10dB的情况.由于屏蔽物吸收效率不高，其外部的再反射会使穿过屏蔽层另外一面的能量增加，所以校正因子是个负数，暗示屏蔽效率的下降情况.EMI抑制战略只有如金属和铁之类导磁率高的资料才干在极低频率下达到较高屏蔽效率.这些资料的导磁率会随着频率增加而降低，别的