电磁兼容技术讲义

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1、1,第6章 屏蔽、搭接、系统接地与隔离,刘 洋应用物理教研室,2,6.1 电磁屏蔽原理 为了保证电设备的正常工作，需要对电磁波 辐射进行控制，在通常采取的技术中，比较 有效的技术均是基于以下3项技术的： 一是优化电路设计技术； 二是配线分离技术(该技术包括线路板设计的相关技术)； 三是屏蔽技术。,3,4,电磁屏蔽就是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。 按性质： 电场屏蔽(静电场屏蔽及交变电场屏蔽)； 磁场屏蔽(静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽)； 电磁场屏蔽(同时存在电场及磁场的辐射电磁场的屏蔽)等。电磁屏蔽的机理是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁

2、感应屏蔽壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场对屏蔽体内电路的影响，产生了屏蔽效果。,5,静电场的屏蔽,6,磁场的屏蔽,7,金属对高频磁场的排斥作用,趋肤效应,8,按结构： 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)。,9,6.1.1 屏蔽效能电场强度与磁场强度之比称为波阻抗。对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数，因为它决定了耦合效率，也决定了导体的屏蔽效能。 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：,10,SE

3、 = 20lg(E1/E2)dBSE = 20lg(H 1/H2)dB 其中E1为屏蔽前的场强 ，E2为屏蔽后的场 强，1为屏蔽前的磁场强度，2为屏蔽后的 磁场强度。 如下图所示，屏蔽效能包括吸收损耗A、反射 损耗R与多次反射损耗B三部分组成。,11,12,下图是最常见的3种屏蔽体在厚度为1毫米时的吸收 损耗随频率变化的曲线。由曲线可以看出，金属屏 蔽体的吸收损耗与材料本身的特性密切相关。,13,金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特 性(电导率、磁导率)有关，而且与金属屏蔽体 所在的位置有关，还与场源特性有关。 总的屏蔽效能SE = A 为吸收损耗+ R 为反射损耗+ B 为多次反射损耗。

4、单位都为 dB。 以Pam为电磁场从空气介质至金属面的反射系数，Pma 为电磁场从金属屏蔽体至空气介质面的反射系数，为传播常数，j，其中为衰减常数，为相常数。,14,电磁波在屏蔽体表面及体内的吸收及反射过程,15,吸收损耗 A,屏蔽体中电磁能损耗由感生的涡流产生。由于高频涡流有趋肤效应，电磁场在金属屏蔽体中将以衰减常数按指数规律衰减。衰减常数即为涡流系数：,为趋肤深度。当电磁波在介质中传播时，无论电场还是磁场，它们的幅度都是按照指数规律衰减：,16,常用金属的趋肤深度（mm）,17,常用金属材料对铜的相对电导率r 和相对磁导率r,18,6.1.2 屏蔽技术 静电屏蔽 静电干扰分为静电场感应产生

5、的干扰和静磁场耦合产生的干扰。它们都可以用屏蔽方法来抑制。 静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。,19,磁屏蔽 常规屏蔽对低频磁场是无效的，因为低频场的屏蔽取决于反射而不是吸收。 电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频辐射电磁波在空间传播的技术措施。屏蔽体起着切断或削弱电磁波传输的作用。 对于远场情况的交变电磁场，电场分量和磁场分量同时存在，交变电磁屏蔽的机理有3种理论：,20,(1)感应涡流效应。 (2)电磁场理论。 (3)传输线理论。 当要屏蔽的磁场很强时，如果使用高磁导率材料， 会在强磁场中饱和，丧失屏蔽效能，而使用低磁导 率材料，由于吸收损耗不够，不能满足要求。遇到 这种情况，

6、可采用双层屏蔽，如下图所示。,21,第一层屏蔽具有低磁导率，但不易饱和，第二层屏 蔽具有高磁导率，但易饱和。第一层屏蔽先将磁场 衰减到适当的强度，不会使第二层屏蔽饱和，第二 层高磁导率材料能够充分发挥屏蔽效能。,22,对于近处频率很低的磁场骚扰源(AC或DC电源线、 电源变压器、马达、继电器等)，为了保护对磁场敏 感设备的正常工作，磁旁路是另一种很有效的屏蔽 方法。如下图所示，在这里，为磁场提供一条磁阻 很小的通路，将磁力线约束在这条低磁阻通路中， 使敏感器件免受磁场的骚扰。,23,综上所述，可以得出如下结论：(1)低频时，高磁导率材料的磁屏蔽效能高于高导电性材料，但当频率较高时，高导电性材料

7、的磁屏蔽效能可能高于高磁导率材料。(2)低频磁场屏蔽可使用高磁导率合金构成磁路，以短路磁力线；(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；,24,(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。 电缆屏蔽 电缆屏蔽必须对整条电缆在360范围内覆盖。 对于同轴电缆，它的屏蔽层既传输信号的回流，又 传输外部干扰电流。 可以用两种办法来度量屏蔽电缆的屏蔽效能，一种 是屏蔽效能(SE)，另一种是转移阻抗(ZT)。,25,6.2 电磁屏蔽材料 6.2.1

8、覆膜类电磁屏蔽材料与工艺 在机箱内外壁上覆盖一种或多种具有导电导磁的电 磁波屏蔽膜，是对设备进行屏蔽的一个非常重要的 方法。其主要手段有：涂覆导电导磁涂料、金属溅 射、真空镀铝、电镀、化学镀以及粘贴金属箔或复 合箔等。 电磁辐射防护涂料包括：屏蔽涂料、吸波涂料和屏 蔽吸收型涂料。,26,屏蔽涂料 屏蔽涂料又称为导电涂料，根据其组成和导电机理 又可分为两大类：结构型导电涂料和掺杂型导电涂 料。 掺杂型导电涂料可大致分为三类：金属系和碳素系 及二者的结合系即复合系， 金属系导电涂料主要是以银、铜、镍等为填料的涂料。 碳素系主要指以高导电性和高结构性碳黑做填料的导电涂料， 复合系主要是以贵金属对金属

9、粉末、非金属及金属氧化物等粉末进行包裹后做填料的涂料。,27,吸波涂料 吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量、并通过材料的损耗转变成热能的一类材料。电磁波吸收材料的研究最早开始于军事信息安全技术。 目前国内外正在研制和已经实用化的吸波材料和吸波体主要有以下几种： 铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等)。 微粉吸波材料。 多晶铁磁性金属纤维。,28,希克夫盐基视黄脂。 电介质陶瓷吸波材料。 导电高分子材料 手性吸波材料 实际应用中一般较少采用单一的材料做吸收体，并很少直接使用，而是采用电磁波吸收体的形式。 电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料，

10、它可以以商品的形式出现。目前已获得实用化的吸收体结构有：,29,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。 从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点：(1)无反射(即完全吸收)；(2)吸收频带尽可能的宽。,30,化学镀 化学镀的程序不应与常规的电镀混淆，电镀需要用直流电流使金属镀覆。化学镀或自动催化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。,31,火焰喷涂 金属电弧喷涂，通常用来镀锌，它比导电漆和箔屏蔽更有

11、效。 金属电弧喷涂工艺为：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。,32,胶箔和胶带 在机壳的实际应用时，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。然而，此项技术存在两个固有的问题： (1)生产时，必须手工在基体易损的表面上安放箔片； (2)由于两基体连接时，两基体的材质和过度区的形状很少能够完全吻合，特别是在覆盖复杂的圆角时，这一问题尤其突出。,33,填料、粘合剂和导电润滑脂 影响选择

12、填充物材料的3个因素是：成本；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；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。不同材料被用 作塑料中的导电填充物，包括铝粉和纤维、石墨、 不锈钢、镍粉和涂银玻璃珠。,34,导电粘合剂与填料相比，填料仅需具有合适的性，能密封空隙即可，而粘合剂除了导电性外，还要有足够的机械接合强度，它们用于连接、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。 导电润滑脂的功能之一就是能在涂有润滑剂的配件之间

13、提供很小的接触电阻，如开关。 导电漆 迄今为止，性能较好的导电漆都是基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯树脂或环氧树脂等衬底的。,35,(1) 银漆 银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用 于木质表面上，它有良好的抗磨损特性和可焊接性。 (2) 镍漆 镍通常与聚丙烯组成镍漆，理想情况下以ABS、聚 苯乙烯、聚碳酸酯为衬底。 (3) 铜漆 在近20年的时间内，专家们为开发出有效的铜填充 导电涂层进行了各种试验。由于铜填充物的易腐蚀 性，铜漆没能得到广泛使用。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

14、更容易失效。,36,(4) 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。 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，这种既透光又能导电的玻 璃称为导电玻璃，常用它来制作各种观察窗口的屏 蔽材料，在航空航天领域应用较广。,37,6.2.2 编织类电磁屏蔽材料 编织类屏蔽材料是目前应用最广泛的屏蔽材料，特别是在电缆的屏蔽方面，编织类屏蔽材料表现出比其他屏蔽材料更优越的性能。,38,EMI屏蔽网 构成织物的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。纺织的方法也有多种形式。 两种主要的纺织方式：一种是单

15、线纺织，另一种是 多线纺织。 导电壁纸 导电纤维编织的壁纸，可以提供某种程度的电磁干 扰屏蔽，其效果接近昂贵和笨重的金属屏蔽技术。,39,编织丝网衬垫 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。机壳、机柜或机箱材料，无论是塑料喷涂导电漆的，还是用全金属的，都有密封要求。在接头和缝隙处，导电衬垫是补救屏蔽裙带性被破坏的方法之一。,40,典型的编织屏蔽层结构示意图,41,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。硅橡胶衬垫之所以具备上述性能，是由于材料中金属颗粒和弹性体的联合作用的结果。硅橡胶系统通常用于模压成

16、形、薄片冲压成形、印制板屏蔽衬垫和模制零件等，硅橡胶衬垫现已得到广泛应用。,42,6.2.3 截止波导与蜂窝板 波导是简单的管状金属结构，它在电气上呈现高通滤波器的特性。波导允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减，这与高通滤波器的频率特性相似。 在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起，构成截止波导阵列，这样可以形成很大的开口面积，同时能够防止电磁波泄漏。 由于这里的截止波导截面是六角形的，形成阵列后很像蜂巢，因此称为蜂窝板，使用蜂窝板材料时需要注意的问题同样是蜂窝板周边与屏蔽基体的搭接问题。,43,电磁密封垫性能比较,44,

17、45,46,6.2.4 磁屏蔽材料 低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。低频磁场往往随距离的增大衰减很快，因此在很多场合，将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的十分有效的措施。但当由于空间限制无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效的措施。,47,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。这时，一种方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非磁导率材料做支撑，如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体高得多，因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。,