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1、第4章（2） 电磁屏蔽技术,屏蔽材料的选择 实际屏蔽体的设计,电磁屏蔽,屏蔽前的场强E1,屏蔽后的场强E2,对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB,电磁屏蔽是解决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。用电磁屏蔽的方法来解决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。 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与有屏蔽时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。如果屏蔽效能计算中使用的磁场，则称为磁场屏蔽效
2、能，如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。,由于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，因此通常用分贝来表述。下表是衰减量与屏蔽效能的对应关系： 无屏蔽场强 ：有屏蔽场强 屏蔽效能SE （dB） 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120 一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60B，TEMPEST设备的屏蔽机箱的屏蔽效要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。,
3、实心材料屏蔽效能的计算,入射波,场强,距离,吸收损耗A,R1,R2,SE R1 R2 AB, R AB,B,波阻抗的概念,波阻抗,电场为主 E 1/ r3 H 1 / r2,磁场为主 H 1/ r3 E 1/ r2,平面波 E 1/ r H 1/ r,377,/ 2,到观测点距离 r,E/H,吸收损耗的计算,t,入射电磁波E0,剩余电磁波E1,E1 = E0e-t/,A 20 lg ( E0 / E1 ) = 20 lg ( e t / ) dB,0.37E0,A 8.69 ( t / ) dB,A = 3.34 t f rr dB,趋肤深度举例,反射损耗,R 20 lg,ZW,4 Zs,反射
4、损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。,ZS = 3.68 10-7 f r/r,远场：377,近场：取决于源的阻抗,同一种材料的阻抗随频率变,不同电磁波的反射损耗,远场: R 20 lg,377,4 Zs,4500,Zs = 屏蔽体阻抗， D = 屏蔽体到源的距离（m） f = 电磁波的频率（MHz）,2 D f,D f Zs,Zs,电场: R 20 lg,磁场: R 20 lg,dB,影响反射损耗的因素,150,0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M,平面波,3 108 / 2r,f,R(dB),r = 30 m,电场r = 1 m,靠近辐射源,r = 30 m,
5、磁场 r = 1 m,靠近辐射源,综合屏蔽效能 (0.5mm铝板),150,250,平面波,0,0.1k 1k 10k 100k 1M 10M,高频时 电磁波种类 的影响很小,电场波 r = 0.5 m,磁场波 r = 0.5 m,屏蔽效能（dB）,频率,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,说明一：对于电场波，由于大部分能量在金属与空气的第一个界面反射，进入金属的能量已经很
6、小，造成多次反射泄漏时，电磁波在屏蔽材料内已经传输了三个厚度的距离，其幅度往往已经小可以忽略的程度。 说明二：对于磁场波，在第一个界面上，进入屏蔽材料的磁场强度是入射磁场强度的2倍，因此多次反射造成的影响是必须考虑的。 说明三：当屏蔽材料的厚度较厚时，形成多次反射泄漏之前，电磁波在屏蔽材料内传输三个厚度的距离，衰减已经相当大，多次反射泄漏也可以忽略。,怎样屏蔽低频磁场？,低频磁场,低频,磁场,吸收损耗小,反射损耗小,高导电材料,高导磁材料,高导电材料,改善低频磁场屏蔽效能的方法：使用导磁率较高的材料，以增加吸收损耗。 理由：对于磁场而言，反射损耗已经很小，主要是靠吸收损耗，吸收损耗的增加往往比
7、反射损耗的减小幅度大，因此还是能够改善屏蔽效能的。 改进的方法：为了能同时对电场和磁场有效的屏蔽，希望既能增加吸收损耗，又不损失反射损耗，可以在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。,高导磁率材料的磁旁路效果,H0,H1,H0,Rs,R0,H1,R0,Rs,SE = 1 + R0/RS,H1 = 屏蔽体中心处的磁场强度，H0 = 屏蔽体外部的磁场强度， RS = 屏蔽体的磁阻， R0 = 空气的磁阻,旁路作用的计算： 用电路模型来等效磁路：画一个并联电路图，图中并联的两个电阻分别代表屏蔽材料的磁阻和屏蔽体中空气的磁阻。用计算并联电路的方法可以如下关
8、系式： H1 = H0 RS / （RS + R0） 式中： H1 = 屏蔽体中心处的磁场强度，H0 = 屏蔽体外部的磁场强度，RS = 屏蔽体的磁阻，R0 = 空气的磁阻,根据屏蔽效能的定义： 屏蔽效能 = H0 / H1 =（RS + R0）/ RS = 1 + R0 / RS 磁阻的计算： R = S /（ A ） 式中： S = 屏蔽体中磁路的长度， A = 屏蔽体中穿过磁力线的截面面积， = 0 r 。,低频磁场屏蔽产品,磁屏蔽材料的频率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金属,镍钢,冷轧钢,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r 103,钢的相对磁导率 频率（MHz）
9、r 0.0001 1000 0.001 1000 0.01 1000 0.1 1000 1.0 700 10.0 500 100.0 100 1000.0 50,磁导率随场强的变化,磁通密度 B,磁场强度 H,饱和,起始磁导率,最大磁导率, = B / H,屏蔽强磁场时的问题：当要屏蔽的磁场很强时，存在一对矛盾，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。如果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。 解决方法： 采用双层屏蔽可以解决这个问题。先用导磁率较低，但不容易饱和的材料将磁场强度衰减到较低的程度，然后用高导磁率材料提供足够的屏蔽。 多层
10、屏蔽的屏蔽效能要比单层屏蔽（即使没有饱和）的屏蔽效能高，因为多了两层反射界面。,加工的影响,20,40,60,80,100,10 100 1k 10k,跌落前,跌落后,加工的影响：对高导磁率材料进行机械加工， 如焊接、折弯、打孔、剪切、敲打等，都会降低高导磁率材料的磁导率。工件受到机械冲击也会降低磁导率。从而影响屏蔽体的屏蔽效能。 解决方法：按照材料生产厂商的要求进行热处理。,高导磁率材料的一个共性就是在机械加工后磁导率会降低，从而导致屏蔽效能降低。因此，磁屏蔽部件加工完成后，一定要进行热处理，恢复磁性。,强磁场的屏蔽,高导磁率材料：饱和,低导磁率材料：屏效不够,低导磁率材料,高导磁率材料,解
11、决这个矛盾的方法是：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。,良好电磁屏蔽的关键因素,屏蔽体 导电连续,没有穿过屏 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： 与屏蔽体接地与否无关,保持屏蔽体的导电连续性才是关键：电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。 穿过屏蔽体的导体危害最大：实际机箱屏蔽效能低的另一个主要原因是穿过屏蔽机箱的导体。,实际屏蔽体的问题,通风口,显示窗,键盘,指示灯,电缆插座,调节旋钮,实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙
12、通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等,电源线,缝隙,远场区孔洞的屏蔽效能,L,L,SE = 100 20lgL 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(L/H) = 0 dB 若 L / 2,H,对于一个厚度为0材料上的缝隙，近似计算公式如图所示，式中各量如下： L = 缝隙的长度（mm），H = 缝隙的宽度（mm）， f = 入射电磁波的频率（MHz）。 例：一个机箱上有显示窗口6020mm，面板与机箱之间的缝隙3000.3mm，计算远场的屏蔽效能。,解： SE显示窗口 = 100 20 lg 60 20 lg f + 20lg（1 + 2.3lg (60 / 20) )
13、= 64 - 20lg f + 6 = 70 - 20lg f = 0 dB 在 f = 2500MHz时( L = / 2 )， SE缝隙 = 100 20 lg 300 20 lg f + 20lg（1 + 2.3lg (300 / 0.3) ) = 50 - 20lg f + 18 = 68 - 20lg f = 0 dB 在 f = 500MHz时( L = / 2 ) ，,孔洞在近场区的屏蔽效能,1、若ZC （7.9/Df）：（说明是电场源） SE = 48 + 20lg ZC 20lg L f + 20lg ( 1 + 2.3lg (L/H) ),ZC = 辐射源电路的阻抗（），
14、D = 孔洞到辐射源的距离（m）， L、H = 孔洞长、宽（mm）， f = 电磁波的频率（MHz）,孔洞在近场区的屏蔽效能,2、若ZC （7.9/Df）：（说明是磁场源） SE = 20lg ( D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ) （注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）,ZC = 辐射源电路的阻抗（）， D = 孔洞到辐射源的距离（m）， L、H = 孔洞长、宽（mm）， f = 电磁波的频率（MHz）,缝隙的泄漏,低频起主要作用,高频起主要作用,缝隙处的阻抗： 缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效。低频时，电阻分量起主要作用；高频时，电容分量起主要作用。由于电容的容抗随着频率的升高降低，因此如果缝隙是主要泄漏源，则屏蔽机箱的屏蔽效能经常随着频率的升高而增加。,影响电阻成分的因素： 影响缝
