五、屏蔽-1.ppt

1、第5章 电磁屏蔽原理,目的：以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播的方法 分类：静电屏蔽（防止静电场和恒定磁场的影响） 电磁屏蔽（防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响），其机理是电磁感应现象 理想的屏蔽机壳：较厚的金属板、连续的结构、没有接缝和开口 实用的屏蔽机壳：进入内部进行维护和修理的通道、控制按钮、连接器、仪表和指示器的观察窗口、散热孔,屏蔽技术,静电屏蔽：完善的屏蔽体和良好的接地,+Q,-Q,+Q,+Q,-Q,-Q,+Q,空腔导体完全包围带电体,接地空腔屏蔽导体,空腔屏蔽导体对外来静电场的屏蔽,交变电场的屏蔽,g,s,骚扰电压的大小与耦合电容的大小有关

2、，为减小骚扰，可使骚扰源与接受器尽量远离，从而减小耦合电容，若两者的距离无法加大时，可采用屏蔽措施,g,s,要使骚扰电压比较小，必须使C1、C2和Z1减小，只有Z1=0，才能使U1=0，进而Us=0，即屏蔽体必须良好接地，才能真正将骚扰源产生的骚扰电场的耦合抑制或消除。若屏蔽导体没有接地或接地不良，耦合电容C1、C2均大于Ce，那么骚扰电压比没有屏蔽导体时的骚扰电压还要大,低频磁场的屏蔽 低频（100kHz以下）磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料（铁、硅钢片、坡莫合金等），其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对骚扰磁场进行分路,磁路的长度,磁路的横截面积,磁导率,磁阻,磁导率大则磁阻小，此时磁通主

3、要沿着磁阻小的途径形成回路，由于铁磁材料的磁导率比空气的磁导率大得多，所以铁磁材料的磁阻很小，将铁磁材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽的作用,正确,不正确,正确,不正确,由公式可知，所用铁磁材料的磁导率越高，屏蔽罩越厚（即S越大），则磁阻越小，磁屏蔽效果越好 在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙，因为若缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差 铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场屏蔽，因为高频时铁磁材料中的磁性损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）很大，导磁率明显下降,高频磁场的屏蔽 采用的是低电阻率的良导体材料，如铜、铝等。其屏蔽原理是利用

4、电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的，即利用了涡流反磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场,反磁场,高频磁场,涡流,当高频磁场穿过金属板时，在金属板中就会产生感应电动势，从而形成涡流。涡流电流产生的反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场,正确,不正确,正确,不正确,如果用良导体作出屏蔽盒，将线圈置于屏蔽盒内，则线圈所产生的磁场将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而被限制在屏蔽盒内，同样，外界磁场也将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而不能进入屏蔽盒内，从而达到屏蔽的目的,屏蔽盒上产生的涡流的大小直接影响屏蔽效果,频率高时，rs可忽略，Is=kni，屏蔽盒上产生的感应涡流与频率无

5、关，说明在高频情况下，感应涡流产生的反磁场已足以排斥原骚扰场，从而起到了磁屏蔽作用 频率低时，产生的涡流也小，因此涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场 屏蔽体电阻rs越小，则产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身的损耗也越小，所以，高频磁屏蔽材料需用良导体 由于高频电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，而屏蔽盒的内层被表面涡流所屏蔽，所以，高频屏蔽盒无须做得很厚，一般为0.20.8mm 屏蔽盒在垂直于涡流方向上不应有缝隙或开口 磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果,磁屏蔽： （1）低频时，高磁导率材料的磁屏蔽效能高于高导电性材料，当频率较高时，高导电性材料的磁屏蔽效能可能高于高磁导率材

6、料 （2）低频磁场屏蔽可使用高磁导率合金构成磁路，短路磁力线 （3）磁屏蔽效能与材料的厚度、磁导率成正比，与屏蔽体其他尺寸成反比,（4）磁场很强时，要使用多层屏蔽，以防止磁饱和 （5）机械加工会降低高磁导率材料的屏蔽效能，但热处理后可以恢复 （6）高磁导率材料的磁导率与频率有关，一般只用于1kHz以下,电磁屏蔽 同时抑制或削弱电场和磁场，电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽 在频率较低的范围内，电磁骚扰一般出现在近场区，高电压小电流骚扰源以电场为主，可只考虑电场屏蔽；低电压高电流骚扰源以磁场骚扰为主，可只考虑磁场屏蔽 频率高时，趋向于远场骚扰，电场和磁场骚扰都不可忽略，因此需要将电场和磁场同时屏

7、蔽,电磁屏蔽机理的三种理论： （1）感应涡流效应：形象，但难于推导出定理的屏蔽效果表达式，对某些因素对屏蔽效能的影响也不能解释 （2）电磁场理论：经典学说，但分析复杂、求解繁琐 （3）传输线理论：可定量计算屏蔽效能,电缆屏蔽 （1）屏蔽层为螺旋缠绕箔带的电缆在所有频率都不理想，当频率超过1MHz时，其性能将逐渐变坏 （2）箔带轴向包裹的屏蔽层比螺旋缠绕箔带的屏蔽层的屏蔽效能要好得多 （3）编织网屏蔽层在整个频率范围内的屏蔽效能都比箔带轴向包裹的屏蔽层要好得多，当频率超过10MHz时，其性能将逐渐变差 （4）在箔带上覆盖一层编织网、双层编织网或三层编织网的屏蔽效能均比单层编织网的屏蔽层好得多，但

8、均在大于100MHz时，其性能将逐渐变差,（5）两层或更多层相互隔离开的屏蔽层会更好一些，但其应用仅限于大约10MHz以下的场合，在较高频率，屏蔽层之间的谐振将降低其屏蔽效能 （6）实心铜屏蔽层的性能比编织网类的好得多，其屏蔽效能在高频时不断增加 （7）“超级屏蔽”电缆采用编织网屏蔽层与金属或类似的高磁导率材料包裹层组合起来，其性能甚至超过实心铜屏蔽层，而且具有一定的柔韧性,屏蔽效能,位置,场强/dB,入射波,或,R：反射损耗,B：多次反射损耗,A：吸收损耗,圆柱腔内的静磁场 将无限长磁性材料圆柱腔放入均匀磁场中，利用拉普拉斯方程和分离变量法求出屏蔽效能,磁性材料屏蔽体的相对磁导率为1时，其屏

9、蔽效能为零； 厚度为0的屏蔽体，其屏蔽效能也是零， 表明该公式的正确性。,厚度,屏蔽效能,内半径,屏蔽效能,内半径为5mm时，屏蔽效能随厚度和相对磁导率变化的关系曲线： 磁导率越高，屏蔽效能越大 屏蔽效能随厚度从零开始增加，但厚度增加到某一值时，继续增加屏蔽体厚度，屏蔽效能的增加非常缓慢,同一种屏蔽材料在不同厚度（平均半径远大于厚度）时屏蔽效能随内半径变化的关系曲线 壁厚度比平均半径对屏蔽效能的影响大 同一厚度时，屏蔽空间的扩大将使屏蔽效能降低，但是，屏蔽效能降低的速度非常慢,吸收损耗与屏蔽导体的电导率、磁导率、厚度和工作频率等有关,100,1k,10k,100k,1M,50,40,30,20

10、,10,0,吸收损耗/dB,铁,铜,铝,厚度为1mm,反射损耗与材料本身的特性（电导率、磁导率）有关，与金属屏蔽体的位置有关，与场源特性有关，在低频情况下，反射损耗大于吸收损耗，在屏蔽层较厚或频率较高时，屏蔽体吸收损耗较大，多次反射损耗可忽略不计,矩形截面屏蔽盒的低频磁屏蔽效能 将一个高磁导率材料做成的屏蔽盒置于均匀磁场中，由于盒壁的磁导率比空气大得多，所以绝大部分磁通经盒壁通过，从而减少了磁场对盒内空间的骚扰。,屏蔽材料的磁导率越大，屏蔽盒的厚度越大，则屏蔽效果越好； 屏蔽盒垂直于磁场方向的边长越小，屏蔽效能越大 要得到好的磁屏蔽效果，最好采用多层屏蔽,电磁屏蔽材料覆膜类,屏蔽涂料,结构型导

11、电涂料,掺杂型导电涂料,金属系,碳素系,复合系,以银、铜、镍等为填料,以高导电性和高结构性碳黑做填料,以贵金属对金属粉末、非金属及金属氧化物等粉末进行包裹后做填料,掺杂型导电涂料存在的问题：导电微粒的形状、含量、稳定性、表面效应等对材料导电性的影响，以及与基材的相互协调、基材本身的物理化学特性对整体材料性质的影响,常用的屏蔽涂料主要是以复合法制得，由树脂、稀释剂、添加剂以及导电性填料等组成。,随着近年抗氧化技术的发展，铜系涂料得以突破瓶颈制约，逐渐成为屏蔽涂料的主角,吸波涂料：能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗变成热能的一类材料,铁氧体系列吸波材料（镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧

12、体等）：吸收强、频带宽，广泛应用于各种隐身技术领域 微粉吸波材料：反射小、吸收高，但抗氧化性较差 多晶铁磁性金属纤维：重量轻（2千克/平米）、频带宽（418GHz）、斜入射性能好 希克夫盐基视黄脂：吸波性能优、重量轻、频带宽 电介质陶瓷吸波材料：吸波效果好、但吸收带宽小 导电高分子材料：密度小、可通过掺杂调节电导率来控制其吸波性能 手性吸波材料：在其中传播的电磁波只能是左旋或右旋的圆偏振波，调节手性参数就可以调节阻抗匹配，易于宽频吸收,目前已获得实用的吸收体结构 单层结构：表现为复合材料的单涂层和单层吸收体 多层结构：由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等组成，设计中经常要用到入射波与反射

13、波相互抵消技术，此时虽然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到影响,从理论上讲，EMC技术对吸波材料的基本要求 无反射（即完全吸收） 吸收频带尽可能宽,化学镀,不应与常规的电镀混淆，电镀需要用直流电流使金属镀覆，化学镀是化学镀覆均匀的固态金属涂层，它将减小零件表面的微电池反应 塑料的化学镀处理是在非导电塑料基材上产生薄金属涂层，通常采用复合镀，即镀铜（高导电性）再镀镍（防锈） 塑料镀一般由三个主要处理步骤组成，即预处理、催化处理和化学镀处理,较差质量的模压制品不适用于双侧处理，因所有模压制品的高应力部分对化学反应都很敏感，在化学腐蚀阶段要发生破裂 在塑料表面进行化学镀时，目前常采用表面选择法，许多

14、不适用于双侧处理的聚合物模压制品，可以在屏蔽壳的内表面进行选择表面镀 由于采用更厚的金属涂覆，塑料制品双侧和单侧镀处理都能使屏蔽效能增加而提供更大的衰减,火焰喷涂,在两条金属导线之间产生电弧，将金属汽化，利用空气吹在塑料基体上，当熔融金属的粒子撞击塑料表面时，这些粒子因温度较高而将塑料表面的塑料融化，金属离子流也被塑料表面展平并被嵌入，冷却后，形成连续的金属薄膜 其应用受到粘着性和温度这两个内部相关因素的限制,在面对枪的一侧，锌涂覆的薄膜相当厚，对于大部分应用都能提供有用的屏蔽效能和低电阻率 如果机壳内侧被设计得更容易进行电弧喷涂，则还可以达到消除机壳原有裂缝深度的效果 锌是除银以外，可以在塑

15、料上获得商用屏蔽涂层的最常用的导体之一,胶箔和胶带,有时需要改变机壳的等效形状，此时可采用背胶金属箔来实现屏蔽，背胶金属箔主要用于塑料的表面 两个固有的问题： 生产时，必须手工在基体易损的表面上安放箔片 由于两基体连接时，两基体的材质和过渡区的形状很少能够完全吻合，特别是在覆盖复杂圆角时，这一问题尤其突出。在一些部件上，需要在箔片之间进行重叠，这就很可能留下缝隙而成为缝隙天线。所采用的背胶常常是非导电的，它将在重叠的胶带或箔片之间形成电阻层,填料：导电填充物在不损伤塑料机械性质的情况下提供屏蔽性能，包括铝粉和纤维、石墨、不锈钢、镍粉和涂银玻璃球 影响选择填充物材料有三个因素 （1）成本； （2

16、）要求导电填充物所占百分数，高百分数填充物不仅增加设备的磨损，还影响模压件的表面光洁度和物理性能； （3）纤维将按照处理时的熔液流动方向排列，而使角形和截面变化区域的屏蔽不均匀性增加，同时还会不定期地引起机械强度的损失,粉末金属已被证明具有某些优点，它能通过粉末与聚合物树脂的连接，改进模压件的机械性能 还应考虑到在有些模压件中存在导电颗粒的不均匀漂移问题 树脂胶内的金属化填料均能在一对配件之间提供很好的电气连接。,粘合剂：除了导电性以外，还要有足够的机械结合强度，用于连接、密封或焊接两个导电表面 导电粘合剂的溶剂有环氧树脂和硅树脂两种，其导电成分主要是银 典型应用于固定导电衬垫、凹槽、螺栓和螺

17、钉孔，实现电溅射的光导膜片和金属化织物间的连接,导电润滑脂：能在涂有润滑剂的配件之间提供很小的接触电阻 以银硅树脂为主的导电润滑剂是一种电导率很高的材料，在很多环境条件下，这种材料都能保持它的电特性和润滑特性 大多数导电润滑剂是粘滞软膏，能在高温或架空的表面上使用而不滴落或流动，还具有防潮和防腐蚀性能 导电润滑脂用在配电站内的开关中或悬挂的绝缘子中心减小RFI/EMI噪声，也能减小开关滑动金属触片的击穿概率,导电漆：衬底一般为聚丙烯、聚氨酯、乙烯树脂或环氧树脂等 银漆：能用于陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木质表面，有良好的抗磨损特性和可焊接性 镍漆：镍通常与聚丙烯组成镍漆，理想情况下以A

18、BS、聚苯乙烯、聚碳酸酯为衬底,铜漆：由于铜填充物的易腐蚀性，铜漆没能广泛使用，要克服这个问题，只能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层，但使用的结果是，在一种工作条件下铜漆的性能比较稳定，而在另一种工作条件下，铜漆将更容易失效 底漆：导电漆的性质一般都与基底材料不相容，特别是在胶质物质中更是如此，所以要用专门的底漆，底漆将与塑料基底胶粘在一起，而漆的化学连接本身将转化为层间与底漆的连接。,导电玻璃：导电薄膜技术还广泛应用于在光学玻璃、有机玻璃基片上喷涂导电屏蔽层，既透光又能导电，常用来制作各种观察窗口的屏蔽材料。 屏蔽效能可以达到80100dB，它随频率升高而下降，在1MHz以上每增加十倍

19、频，屏蔽效能将下降20dB，对大于30MHz的电磁波屏蔽效能很低，在1GHz以上，几乎失去屏蔽作用 屏蔽效能与透光率还相互制约，涂层越薄，其导电微粒越松散不连续，表面电阻就增大，屏蔽效能就较差，而透光率却因涂层薄而比较高，相反，涂层越厚，表面电阻越小，屏蔽效能就增大，而透光率却较差,电磁屏蔽材料编织类,EMI屏蔽网：基材可以是各种可镀或可涂覆的非导电材料，甚至是导电材料 两种主要的纺织方式：单线纺织、多线纺织 由特殊材料制成的线用于单线纺织，单线纺织精度很高，线间距离是一定的 一些细小的纤维在一起构成了多线，这些线纺织在一起构成的材料上面涂覆连续的金属层（通常为镍），不同纤维以及线之间的交叉点

20、由金属涂覆层连接,紧密屏蔽的接触点可以通过传统的缝制技术制造，包括三叠缝制，或使用经过精心设计的导电拉链、镀银的钩子等紧固装置连接 可以用银导电胶来形成低阻抗连接，有些导电编织物可以用低熔点焊锡焊接，还可铆接和用订书钉连接,导电壁纸：导电纤维编织的壁纸，其电磁干扰屏蔽效果接近昂贵和笨重的金属屏蔽技术，这种复合材料通常是随机交叉在无纺布里镀镍碳纤维,编织丝网衬垫：为在接缝处恢复屏蔽体完整性以及其他壳体的连续性，提供了简便的方法,硅橡胶衬垫：在硅橡胶中掺入均匀分布的金属颗粒，形成导电的弹性化合物，既可屏蔽RFI，又可气密。,截止波导,波导是简单的管状金属结构，允许截止频率以上的信号通过，而低于截止

21、频率的信号被阻止或衰减，在电气上呈现高通滤波器的特性 当屏蔽体上需要有物理实体的连通，并且这种连通不能造成电磁泄漏时，可以考虑使用截止波导管,需注意的几个问题： 波导管必须是截止的，应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，如器件的调节杆、电缆等，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，波导与屏蔽体基体之间的连接也是一个潜在的泄漏源,圆形波导管：,矩形波导管：,蜂窝板屏蔽设计中使用最多的截止波导 铝箔粘接的蜂窝材料是将铝箔一层一层按照一定规律粘接起来，然后拉开形成的，这种材料要用到电磁屏蔽时，必须进行金属涂覆处理，

22、利用金属涂层在每个蜂窝周边形成连续导电层 金属板焊接的蜂窝板是一种较理想的屏蔽材料 需注意蜂窝板周边与屏蔽基体的搭接问题，一个是蜂窝板芯与边框的搭接，一个是边框与屏蔽体基体的搭接,磁屏蔽材料,工作频率在100KHz以下的磁场屏蔽是不同于EMI屏蔽技术的技术问题，这类低频率的磁场屏蔽，需要提供极低磁阻表面来完成 磁屏蔽材料有箔型和板型两种形式 金属是一种高镍的铁镍合金，具有很高的磁导率，是一种常见的磁屏蔽材料 磁导率会随外加磁场、频率等变化，高磁导率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性 当需要屏蔽的磁场很强时，仅用单层屏蔽材料，不是达不到屏蔽要求，就是会发生饱和。宜采用组合屏蔽的方法,屏蔽完整

23、性,盖板：使用导电填料或硅树脂填料、指形物支撑 通风孔：屏蔽盖板、蜂窝状盖板 缝隙：当缝长小于四分之一波长时，在平面波作用下，缝隙中的波阻抗将大于自由空间波阻抗，从而产生屏蔽作用；当缝长大约等于 三倍金属板的集肤深度时，缝隙的吸收损耗和金属板的吸收损耗相等，缝隙基本不降低屏蔽效能；当缝长大于三倍金属板的集肤深度时，缝隙效能就会减小,可采用以下方法来提高屏蔽效能： 增加缝隙深度 提高接合面加工精度 加装导电衬垫 在接缝处涂导电涂料 增加接缝处的重叠尺寸,指示灯、表盘的处理 （a）采用金属网与电磁密封衬垫相互配合的方法 （b）采用滤波器加隔离舱的屏蔽方法 （c）采用截止波导,（a）,（b）,（c）,穿过屏蔽体的导线：既可以将屏蔽体外部的干扰信号传导至屏蔽体内部，造成屏蔽体屏蔽效能的下降，又可能将屏蔽体内部的信号传导到屏蔽体外部，对其他设备造成干扰，解决此问题的方法一般是将屏蔽电缆作为屏蔽体的延伸，屏蔽体