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1、第 1 讲 屏蔽与滤波.1 屏蔽电磁波是电磁能量的传播的主要形式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰；另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。因此屏蔽的作用可分为两个方面：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。由此可见屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，有效地抑制通过空间传播的电磁干扰，从而消除干扰，是抑制干扰源的有力措施之一。.1.1 屏蔽的分类屏蔽就是利用磁性材料或者低阻材料铝、铜等制成容器将需要隔离的设备、装置、电路全部包起来。屏蔽性质的分类，从要屏蔽的电磁场性质来划分，有电场屏蔽（静电场屏蔽及交变电场屏蔽）、磁场
2、屏蔽（静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽）及电磁场屏蔽（同时存在电场和磁场的辐射电磁场的屏蔽）等。从屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽（屏蔽室或屏蔽盒等）、非完整屏蔽体屏蔽（带有孔洞、金属网、波导管及蜂窝结构等）以及编织带屏蔽（电缆等）。.1.2 屏蔽的机理.1.2.1 电场的屏蔽原理电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。为分析简洁起见，不妨把电场感应看成是分布电容间的耦合。在图8-1中，干扰源A和受感应物的电位分别为UA和UB，那么UA和UB间的关系为：（8-1）式中，C1为A、B之间的分布电容；C2为受感应物B的对地电容。通过上式可以看出，为了减弱受感应物B上的电场感应，可能采用的方
3、法有：1) 增大A、B之间的距离，目的是减少A、B间的分布电容；2) 尽可能使受感应物B贴近接地板，以增大其对地电容；3) 可以在A、B之间插入一块称之为屏蔽板的金属薄板。下面对金属屏蔽板的作用作一分析，请参阅图8-2所示。从图8-2可见，插入屏蔽板后，新造就了两个分布电容C3和C4，其中C3被屏蔽板短路到地，它不会对B点的电场感应产生影响。而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容C2和C4实际上是处于并联的位置上（因为屏蔽板是接地的）。这样，受感应物B的感应电压UB应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1与并联电容C2和C4的分压，即（8-2）由于 C1远小于未屏蔽时的C1值，故UB值要远小于
4、未屏蔽时的UB值。因此，采用金属屏蔽体进行电场屏蔽应具备两个条件，即完善的屏蔽及良好的接地。BAABC1C2UAUBUAUBSC1C3C4C2图8-1 电场感应示意图 图8-2 电场屏蔽作用的分析.1.2.2 磁场屏蔽的机理磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。首先考察静磁场的情况，不论是由电磁铁或是由直流线圈产生的磁场均在空间散布磁力线或磁通，磁力线所通过的路径称为磁路。磁力线主要集中在低磁阻的磁路通过。因此对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合金等。这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样，磁力线将“封闭”在屏蔽体内，起了磁屏蔽的作用。对于低频交变磁场，磁屏蔽的机理
5、同静磁屏蔽一样，利用高磁导率材料作屏蔽体，将磁场约束在屏蔽材料内。为了获得好的磁屏蔽效果，必须保证磁路的畅通，即小的磁阻。因此，当屏蔽盒需要开狭缝时，狭缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与磁通的方向垂直，否则将影响磁屏蔽的效果。对于高频磁场，磁屏蔽则依据另一种原理。高频磁场会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来的磁场；同时增强屏蔽体旁边的磁场，使磁力线绕行而过，从而起到磁屏蔽的作用。高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好。因此，对于高频磁场的屏蔽，应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。随着频率增大，涡流
6、亦增大，即磁屏蔽效果越好。但当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁场时，涡流也不再增大，保持一个常值。此外，由于趋肤效应，涡流只在材料的表面产生。因此，对于高频磁场，只要很薄的金属材料就足以屏蔽。.1.2.3 电磁场屏蔽的机理在远场条件下，通常所说的电磁干扰均是电场和磁场同时存在的高频辐射电磁场。与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同，电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理：1）当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度，只要求交界面上的不连续。电磁波到达屏蔽体表面时产生的能量反射主要是由于介质（空气）与金属的
7、波阻抗不一致引起的，二者相差愈大，由反射引起的损耗也愈大；而反射和频率有关，频率愈低，反射愈严重。2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。这种物理过程被称为吸收。电磁波在穿透屏蔽体时的能量吸收损耗主要是由于涡流引起的。涡流一方面产生反电磁场来抵消原干扰磁场，同时产生热损耗，因此，频率越高，屏蔽体越厚，涡流损耗也越大。3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，在遇到金属与空气不连续的交界面时，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。这样看来，高频电磁屏蔽的原理主要依据电磁波到达金属屏蔽体时产生的反射
8、及吸收作用。.1.3 屏蔽的措施依据屏蔽的机理，可以采取相应的屏蔽措施来抑制不同机理的干扰。.1.3.1 电场屏蔽的措施1) 屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好。2) 形状对屏蔽效能的高低有明显影响。例如，全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽盒，其屏蔽效能都会受到不同程度的影响。3) 屏蔽板的材料以良导体为好，但对厚度并无要求，只要有足够强度就可以了。.1.3.2 磁场屏蔽的措施1) 选用高导磁率的材料，如坡莫合金；2) 增加屏蔽体的壁厚；3) 以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻；4) 被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内
9、的磁通；5) 注意磁屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。为此，可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小；6) 对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料排列次序要倒过来。在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的磁绝缘。当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。若需要接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发，一般还是要接地的。
10、.1.4 屏蔽材料的特性和选择.1.4.1 屏蔽材料的的特性对于不同的场的屏蔽，包括电场、磁场和电磁场，它对屏蔽材料的要求是不同的。不论是吸收损耗，还是反射损耗，都与材料的相对电导率r和相对磁导率r有密切的关系。鉴于磁性材料的相对磁导率与频率有关，表8-1给出了典型屏蔽材料在150kHz的值。表8-1 典型屏蔽材料在150kHz的电气特性金属相对电导率r相对磁导率r银1.051铜（退火后）1.001铜（冷拉）0.971金0.701铝0.611镁0.381锌0.291黄铜0.261镉0.231镍0.201磷青铜0.181铁0.171000锡0.151钢SAE10450.101000铍0.101铅
11、0.081高磁导率镍钢0.0680000莫涅耳合金0.041合金0.0380000坡莫合金0.0380000不锈钢0.021000.1.4.2 屏蔽材料的选择选择屏蔽材料的依据是它要能泄放感应电荷和承载足够异相的电流，以便抵消干扰场的影响。对材料本身所要考虑的特性是它的相对电导率和相对磁导率，屏蔽体的厚度和需要衰减的信号频率也是要考虑的重要因素。为使屏蔽材料选得恰当，应遵循下列基本规则：1) 在低频时，只有磁性材料才能对磁场起明显的屏蔽作用。2) 对于既定的材料，磁场比电场要有更厚的屏蔽体。3) 在频率较高时，对于同种材料，频率升高以后，所要求的屏蔽层厚度就下降。4) 当频率足够高时，有些金属
12、材料（如铜或铝）不论对电场还是磁场都将起相当大的屏蔽作用。5) 对60Hz80Hz（即交流电源）的电场分量，用铁、铜、铝和黄铜等导电薄板料就能轻易地达到屏蔽。.1.4.3 影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素掌握了屏蔽的机理后，可以发现下面的结论对于结构设计是十分重要的。1) 材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差，铁的导磁性很好，但导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。2) 频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗。3) 反射损
13、耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用导磁率较高的材料作屏蔽材料。4) 反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小。5) 频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。6) 电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的。尤其是低频（1kHz以下）磁场，很难屏蔽。对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料符合起来的材料。.1.5 屏蔽设计屏蔽效能是
14、电磁波经过屏蔽物时能量被衰减的量。这里以能量场原理来说明屏蔽效能。对于传输电磁波而言，屏蔽效能可以用传输线方程来分析。将平面波考虑为一信号源，从前面入射到一无限大平面薄板上；或将一点信号源封闭在一球形屏蔽体中，或两条平行带电线封闭在一圆筒形屏蔽体中。屏蔽效能一般随下列因素而变动：频率、屏蔽物的形状与材料，屏蔽中测量的位置，电磁波的种类，电磁波的入射及极化方向。通常以S表示屏蔽效能，以E0（H0）表示入射的电、磁场能量，而以E1（H1）表示经过屏蔽物后的电磁场能量，则：（8-3）或：（8-4）此外，当电磁波穿过任何金属物时，通常有两类型的损耗，一是吸收损耗，一是反射损耗，因此，屏蔽效能又可写成：
15、SARB （dB）（8-5）式（8-5）中A为吸收损耗，R为反射损耗，B为正或负的修正项；当A大于15dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波所引起的。式（8-5）中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数和导磁率，频率f（Hz）以及所存在的各种物理参数的函数。.1.5.1 吸收损耗吸收损耗A不仅取决于，和f，而且也取决于屏蔽材料的厚度d(cm)。（8-6）.1.5.2 反射损耗反射损耗取决于源的电性能和屏蔽体到源之间的距离r(cm)。低阻抗场（如距离/2的环）的反射损耗为：（8-7）条件为：f2x109 Hz高阻抗场（如距离/2的棒）的反射损耗为：(8-8)条件为：f/2的棒或环）的反射损耗为：（8-9）条件为：f2x109Hz.1.5.3 内部反射修正项如果A等于或大于15dB，修正项B可以忽略不计。如果A小于15dB，则必
