电磁屏蔽中的概念及大致方法

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1、电磁屏蔽中的概念及大致方法电磁屏蔽中的概念及大致方法摘要： 电子设备已被广泛应用于生产生活各个方面。由于设备的小型化、集成 化程度越来越高，设备之间的相互电磁干扰(EMI)也成为一个重要的问题。为此， 国际组织提出了一系列技术规章，要求电子产品符合严格的磁化系数和发射准 则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性 EMC(Electromagnetic Compatibility)。EMC 是指设备在电磁环境中的适应能力，为了满足 EMC 的技 术要求，在电子设备及系统中广泛采用了电磁屏蔽技术。 关键词： 电磁兼容性；电磁屏蔽；吸收损耗；反射损耗一、引言电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或

2、系统的性能，它可以使其在自身 环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其它设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63121987)。”所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流 变化，导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这 种能量发射到周围的环境中。仪器之间的这些高频干扰被称为电磁干扰(EMI)。EMI 有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。信号辐射是藉由外壳 各种缺 1：3 泄漏出去；而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制线上离开外 壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。很多 EMI 抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，所谓屏蔽就是 在两个空间区

3、域间加以金属隔离，用以控制区域间电场或磁场的传播采用屏蔽 材料是一种有效降低 EMI 的方法。如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用， 从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及 锌线喷涂等)。屏蔽效果随频率、屏蔽体几何形状、屏蔽介质等的不同而变化， 本文以简单的平面薄板对屏蔽进行分析，以讨论一般的屏蔽概念。 二、屏蔽效果场的特性由源、介质、空间距离等特性决定。在源的附近(距离小于 X27r) 称为近场(感应场)，大于这一距离则称为远场(辐射场)。电场(E)和磁场(H)的比值称为波阻(zw)。远场时 EH 等于介质特性阻抗(即 在真空或空气中的波阻 zO=3770)；

4、近场时 EH 则取决于源的特性，如大电流 低电压源(例如天线，EH 小于 3770)，则近场为磁场；反之近场为电场。一般的在 EMI 的频率低于 1MHZ 时，近场将延伸至 50m 甚至更远的距离，因 此，在常见的仪器设备及其系统中，除非确定有远场干扰，均可看作近场影响。本文也主要讨论近场干扰的屏蔽问题。屏蔽效果通常用被屏蔽后的电场或磁场 被衰减的程度表示，其定义为： 电场：S = 20 log EoE1 (dB)磁场：S= 20 log H0H 1(dB) 其中，Eo(Ho)为人射场强，E (H )为从屏蔽体上发生的传播场强。当电磁波 入射到金属表面时产生的损耗有两种：在金属表面的反射损耗和

5、在金属内部传 播并通过介质衰减的吸收损耗。反射损耗取决于场的形式和波阻，而吸收损耗 则取决于介质的性质。一种材料的总屏蔽效果等于吸收损耗(A)、反射损耗(R)及一个在薄层屏蔽体上多次反射的修正系数(B)的总和，即： S = A + R + B (dB) (2 3)一般的，当吸收损耗 A 大于 10dB 时，修正系数 B 即可忽略不计。 三、吸收损耗 A 和反射损耗 R 1吸收损耗 A当电磁波通过介质时，其幅度以指数形式衰减(Hayt，1974)，产生这一损耗 的原因是介质中的感应电流将产生欧姆损耗，并变为热能耗散。其中，f 为人射波角频率，t 为人射距离， 。分别为介质导磁率和电导率。 一般的

6、屏蔽体厚度为一个集肤深度艿时吸收损耗约为 9dB，而屏蔽体的厚度增 加、入射波的频率增加都将加大吸收损耗。 2反射损耗 R在两种介质的交界面的反射损耗-9 两种介质的阻抗特性有关，从具有阻抗 Z 播波强度为：一般的，当入射波频率增加时，由于 zs 的增加反射损耗将下降。 四、屏蔽作用 1电场的屏蔽当干扰源为高电压低电流时，其波阻(zw)大于 377l1，这个场是高阻抗的 电场。因此，相对而言，电场的反射损耗 R 较大。为了更好地屏蔽电场，应当 采用高电导率、低导磁率的材料(如铜、铝等)，以进一步降低屏蔽阻抗(zs)， 加大反射损耗，提高屏蔽效果。同时，对电场源，其阻抗 Z Z ，大多数人射波在

7、界面被反射，故电场屏蔽 中吸收损耗较小，主要为反射损耗；同时电场在屏蔽体内的多次反射可以忽略， 即不考虑修正因子 B 的作用。 2磁场的屏蔽当干扰源为低电压高电流时，其波阻(Zw)小于 377l1，这个场是低阻抗的 磁场。但此时仍有 ZtZ：，大多数人射波将进入屏蔽介质，同时由于波阻相 对较小，因此，相对而言，磁场的吸收损耗 A 较大。为了更好地屏蔽磁场，应 当采用低电导率、高导磁率的材料(如钢、镍合金等)，尤其是在屏蔽低频磁场 时。在磁屏蔽中一个重要的问题是磁饱和。当源场强超过饱和强度时，屏蔽介质 的导磁率迅速降低，而且导磁率越高的介质产生饱和所需的外场强愈低，从而大幅降低屏蔽效果。为克服磁

8、饱和现象，可采用多层屏蔽，即采用低磁导率材料作为外层以在高 场强下饱和，采用高磁导率材料在相对低场强下饱和(如以铜材料为外层、铁磁 材料为内层)。这样，使外层降低源场强，使第二层屏蔽体在非磁饱和状态下起 到大部分屏蔽作用，从而完成磁屏蔽功能。 3缝隙与孔洞上述屏蔽效果的讨论是建立在屏蔽壳体为无缝隙的基础上的，然而实际的 屏蔽体不可能达到这一要求。影响屏蔽体屏蔽效能的通常有两个因素：一个是 整个屏蔽体表面必须是导电连续的。另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。屏蔽体上有很多导电不连续点，最主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成 的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏，如同流体会从容器上的 缝

9、隙上泄漏一样。解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料，消 除不导电点。这种材料就是电磁密封衬垫(EMI 衬垫)。缝隙或孑 L 洞的泄漏量取决于缝隙或孑 L 洞相对于电磁波波长的尺寸。当 波长远大于开口尺寸时，并不会产生明显的泄漏。因此，当干扰的频率较高时， 这时波长较短，就需要使用电磁密封衬垫。具体说，当干扰的频率超过 10MHz 时，就要考虑使用电磁密封衬垫。由此也可推论，一组小孔产生的泄露小于同 面积的一个大孑 L。五、结语电磁兼容性概念及相应设计在我国是一门很崭新的科学，电磁兼容性 EMC 的相关标准还很不完善，很多测试方法或定量分析方法、新的电磁兼容性 EMC 设计理论还有待创立。本文希望所探讨的内容能对这一方面的研究有所裨益。