第四章_电磁兼容课件-屏蔽_哈工大江滨浩.ppt

1、1,电磁屏蔽技术,电气工程系 江滨浩,研究生学位课电磁兼容（4）,2,主要内容,概 述 电场屏蔽 低频磁场屏蔽 高频磁场屏蔽 电磁屏蔽 孔洞的屏蔽效能,3,概 述,屏蔽类型：,屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来，以抑制和 控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐 射；屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁 波辐射（和场耦合）的传输途径。,主动屏蔽：屏蔽干扰源，被动屏蔽：屏蔽敏感体。,电磁波屏蔽,低频近场,4,静电场屏蔽,静电场的屏蔽,主动屏蔽:,被动屏蔽 接地防止电力线通过孔缝侵入屏蔽壳体内部 完全静电场屏蔽的必要条件： 1.完整的导体，2. 接地。,空腔,

2、5,交变电场的屏蔽,因为低频交变电场的骚扰源与接受器之间的电场感应耦合可以用它们之间的耦合电容进行描述，低频交变电场的屏蔽可采用电路理论加以解释。直观、方便。 干扰电压（场）与 耦合电容成正比。减少耦合电容是屏蔽低频 交变电场的关键。增多骚扰源与接受器之间距离，或利用金属 板接地抑制干扰。,6,利用金屑板接地抑制干扰,接地金属屏蔽体,接地金屑板切断干扰途径。如不接地则可能产生更严重的干扰。 无论是静电场或交变电场，屏蔽的必要条件是金属体接地。,7,静磁场屏蔽 例 无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能,应用分离变量法得,可见 铁磁材料的磁导率越大屏蔽效能越高，屏蔽层的厚度增加也会加大屏蔽效能。但是

3、增加屏蔽层的厚度的做法并不经济。最好采用多层屏蔽的方法？,8,低频：100 kHz以下 屏蔽原理：利用高磁导率的铁磁材料(例如铁、硅钢片，其磁 导率约为 ）对骚扰磁场进行分路，把磁力线集中在其内部通过，限制在空气中大量发散。,低频磁场屏蔽,H0,H0,Rm,H1,R0,磁路方程,磁力线集中在其内部 (Rm)通过,H2,H2,9,结论： 磁导率越高、截面积越大，则磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，在空气中的漏磁通就大大减少。 用铁磁材料作的屏蔽罩，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。,(主动屏蔽) (被动屏蔽),10,法拉第

4、电磁感应定律，楞次定律， 高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体（铜、铝） 屏蔽原理:利用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，即利用了涡流反向磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。,高频磁场屏蔽,涡流产生的反向磁场增强了金属板侧面的磁场使磁力线在金属板侧面绕行而过。,H0,11,屏蔽是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁场而达到屏蔽 的目的，涡电流的大小直接影响屏蔽效果。屏蔽体电阻越小 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。 注：因为高频时铁磁材料的磁性损耗(包括磁滞损耗和涡流 损耗)很大，导磁率明显下降。 铁磁材

5、料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽。 屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向并且要尽可能地缩小缝 的宽度。如果开缝切断了涡流的通路则将大大影响金属盒的 屏蔽效果。,另一种解释，趋肤效应热损耗,12,屏蔽体和线圈的等效电路 涡流 当 （高频）时， 当 （低频）时,低频时涡流很小，涡流的反磁场不足以完全 排斥原干扰磁场，此法不适用于低频磁场屏蔽 一定频率后涡流不再随着频率升高，说明涡流 产生的反磁场已足以排斥原有的干扰磁场，从 而起到屏蔽作用。,is,频率,M/L,Rs/L,Rs,屏蔽体电阻,13,电磁屏蔽,时变电磁场中，电场和磁场总是同时存在的，通常所说的屏蔽，多指电磁屏蔽。电磁屏蔽是指同时抑制或削弱电场和

6、磁场。 电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽(10kHz 40GHz)。 在频率较低（近场区，近场随着骚扰源的性质不同，电场和磁场的大小有很大差别。 高电压小电流骚扰源以电场为主（电准稳态场忽略了感应电压），磁场骚扰较小（有时可忽略）。 低电压高电流骚 扰 源 以 磁 场 骚 扰 为 主（磁准稳态场忽略了位移电流），电场骚扰较小。 随着频率增高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋向于远场骚扰。远场骚扰中的电场骚扰和磁场骚扰都不可忽略，因此需要将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。,14,屏 蔽 效 能,屏蔽后场强 E2，H2,例：40dB, 衰减比1/100 GJB151A的机箱：60dB 一般

7、商业的机箱： 40dB 军用屏蔽室： 100dB,15,屏蔽机理,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。 电磁能（波）的反射，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。,透射入金属板内继续传播，其场量 振幅要按指数规律衰减。场量的衰 减反映了金属板对透射入的电磁能 量的吸收，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右边界面上时，又要发生反射，并在金属板的两个界面之间来回多次反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过屏蔽的空间。电磁波衷减的第三种机理，称为多次反射修正因子，用B表

8、示。,R,A,B,16,屏蔽效能的第一种机理电磁能的反射是因为空气金属界面上阻抗不匹配而发生的。反射系数为,辐射场的波阻抗,金属板的波阻抗,吸收损耗,第三种机理，称为多次反射修正因子：,三次反射(吸收过程) 五次反射(吸收过程),17,实心材料屏蔽效能, R AB,入射,场强,距离,吸收损耗A,R1,R2,SE R1 R2 AB,B,透射,泄漏,R 反射损耗 A吸收损耗 B多次反射修正因子,实心材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被大大衰减，将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。,反射,A,R1,R2,18,波阻抗的概念（前述）,377,波阻抗,电场为主 E 1/ r3 H 1 / r2,磁场为

9、主 H 1/ r3 E 1/ r2,平面波 E 1/ r H 1/ r,/ 2,到观测点距离 r,E/H,距离小于/时，称为近场区，大于/时称为远场区。 近场区中，波阻抗小于377，称为低阻抗波（磁场波）；波阻抗大 377， 称为高阻抗波（电场波）。波阻抗随距离而变化 。 远场区，波阻抗仅与电场波传播介质有关，空气为377。,19,反 射 损 耗,R 20 lg,反射损耗与波阻抗有关 屏蔽材料的阻抗 Zs 1 越低（r 大良导体），则反射损耗越大； 特定的屏蔽材料（Zs 一定）， 被屏蔽的波阻抗ZW 越高，则反射损耗越大。,ZW,4 Zs,Zs = 3.68 10-7 f r/r,远场：377

10、,近场：取决于源的阻抗,同一种材料的阻抗随频率变化,20,不同电磁波的反射损耗,Zs = 屏蔽体阻抗， D = 屏蔽体到源的距离（m），f = 频率（MHz）,dB,已有,于是,注意：反射损耗不是将电磁能量损耗掉，而是将其反射到空间。反射的电 磁波有可能对其它电路造成影响。特别是当辐射源在屏蔽机箱内时，反射波在 机箱内可能会由于机箱的谐振得到增强，对电路造成干扰。,21,影响反射损耗的因素,R(dB),150,0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M,平面波,f,D = 30 m,电场D = 1 m,D = 30 m,磁场 D = 1 m,电场反射损耗磁场反射损耗, 当频率升高

11、时，电场和磁场损耗趋向于一致，汇合 在平面波的反射损耗数值上。 距离电偶极源越近，则反射损耗越大（波阻抗越高）。磁偶极源，则正好相反。 频率影响：频率升高时，电场的波阻抗变低，磁场波的波阻抗变高。同时屏蔽材 料的阻抗发生变化（变大）。对于平面波，由于波阻抗一定（377），因此随 着频率升高，反射损耗降低。,22,吸收损耗,入射电磁波E1,剩余电磁波E2,E2 = E1e-t/,A 20 lg ( E1 / E2 ) = 20 lg ( e t / ),t,0.37E0, 3.34 t f rr dB,材料越厚t ，吸收损耗越大， 每增加一个趋肤深度，吸收损耗增加约20dB； 趋肤深度越小（磁导

12、率、电导率和频率越高），吸收损耗越大。,23,趋肤深度举例,相对（电导率，磁导率）：铜 （1, 1), 铝 （0.6, 1), 钢 ( 0.16, 200); 吸收损耗与入射电磁场（波）的种类（波阻抗）无关。,24,多次反射修正因子的计算,电磁波在屏蔽体内多次反射，会引起附加的电磁泄漏，因此要对前面的计算进行修正。 B = 20 lg ( 1 - e -2 t / ),说明： B为负值，其作用是减小屏蔽效能 当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略 对于电场波，可以忽略 对于电场波，反射损耗已很大了，进入屏蔽体的能量已经很小了， 所以可以忽略。,25,综合屏蔽效能 (0.5mm铝板),高频时

13、电磁波种类 的影响很小,低频：趋肤深度大，吸收损耗小，屏蔽决于反射损耗。电场电磁波磁场。 高频：电场的反射损耗降低，磁场的反射损耗增加； 频率升高，吸收损耗增加，频率高到一定程度时，屏蔽主要由吸收损耗决定。 屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。 特别是频率较低的磁场，很难屏蔽。,26,怎样屏蔽低频磁场？,方法1：高导磁率材料的表面增加一层高导电率材料，增加电场波在屏蔽材料与空气界面上的反射损耗。,方法2 ：低磁阻通路旁路。 关 键：采用高导磁率材料， 减少磁阻。,27,磁屏蔽材料的频率特性,磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多是直流情况下的，随着 频率增加，导磁率会下降 ，当频率

14、大于 时，导磁率更低。,28,磁导率随场强的变化,磁场强度 H,磁通密度 B,饱和,起始磁导率,最大磁导率, = B / H,一对矛盾：当要屏蔽的磁场很强时，即为了获得较高的屏蔽性能，需要使用导磁率较高的材料，但这种材料容易饱和。如用比较不容易 饱和的材料，往往由于 =较低，屏蔽性能又达不到要求。,29,强磁场的屏蔽,解决方法：采用双层屏蔽，先用不容易发生饱和的磁导率较低的材料将磁场衰减到一定程度，然后用高导磁率材料将磁场衰减到满足要求。 成本高、实施困难。,30,良好电磁屏蔽的关键因素,屏蔽体的 导电连续,有无穿过屏 蔽体的导体,屏蔽效能高的屏蔽体,不要忘记： 选择适当的屏蔽材料,你知道吗：

15、 与屏蔽体接地与否无关,屏蔽体的完整性（完整、封闭）+导电的连续性是屏蔽的关键,31,实际屏蔽体的问题,实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯和电缆线、电源线等 影响屏蔽效能的两个因素：屏蔽体的导电连续性和穿过屏蔽机箱的导线（危害更大辐射传导）。,电缆线,32,远场区孔洞的屏蔽效能,SE = 100 20lgl 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(l/h) = 0 dB,H,当电磁波入射到一个缝隙孔洞时，其作用相当于一个偶极天线(第二章已讲述） 当缝隙的长度达到l =/2时，其辐射效率最高（与缝隙的宽度无关），它几乎可将激励缝隙的全部能量辐射出去。

16、 若 l / 2,h,33,孔洞在近场区的屏蔽效能,在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关 若 ZC （7.9/Df）（电场源）： SE = 48 + 20lg ZC 20lg l f + 20lg ( 1 + 2.3lg (l/h) ) 若 ZC （7.9/Df）（磁场源） SE = 20lg ( D/l) + 20lg (1 + 2.3lg (l/h) ) ZC = 辐射源的阻抗（），D = 孔到源的距离（m）， l，h = 孔，洞(mm），f = 电磁波的频率（MHz） 当电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能较高），而当磁场源时，孔洞 的泄漏比远场时要大（屏蔽效能较低）. （注意：

17、对于磁场源，屏效与频率无关！危害更大！）,D,l,h,34,缝隙的泄漏,高频起主要作用,低频起主要作用,屏蔽体的导电连续问题,影响电阻，电容的因素： 接触面积（接触点数）、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压 力、氧化腐蚀等。 两个表面之间的距离越近，相对的面积越大，则电容越大 。,缝隙的阻抗越小，电磁泄漏越小，屏蔽效能越高,（电容变小）作用可能相反，整体上，高频时电磁泄漏较大,h=0 的情况,35,缝隙的处理,电磁密封衬垫,减小缝隙电磁泄漏的基本思路：减小缝隙的阻抗（增加导电接触点、加大两块金属板之间的重叠面积、减小缝隙的宽度）。 方法：增加接触面的平整度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的

18、密度， 方法：使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。,36,电磁密封衬垫的种类,金属丝网衬垫 导电橡胶 指形簧片 螺旋管衬垫,37,导电橡胶：在硅橡胶内填充占总重量70 80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。,38,39,电磁密封衬垫的主要参数,屏蔽效能 (关系到总体屏蔽效能) 回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） 最小密封压力（关系到最小压缩量） 最大形变量（关系到最大压缩量） 压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数） 电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）,40,电磁密封衬垫的安装方法,绝缘漆,环境密封,41,截止波导管,42,截止波导管的屏效,截止波导管 屏蔽效能,=,反射损耗： 远场区计算公式, 近场区计算公式,+,吸收损耗：与截止频率有关,孔洞计算屏蔽效能公式，前述,波导壁面吸收损失 屏蔽效能明显,43,截止波导管的损耗,不同金属的截止波导管的损耗。 同样情况下，波导越长，壁面吸收损失越大，屏蔽效能越好,44,圆柱波导较好，但不易组合,孔的尺度较大时，截止频率低，大于截止频率的干扰无法屏蔽,45,通风口的处理,穿孔金属板,截止波导通风板,多个小孔构成的孔阵代替一个大孔 ，提高孔的截止频率。,46,截止