隔离无线电波材料

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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划隔离无线电波材料电磁波遮蔽材料与技术简介XX-03-11郭又铨等摘要电磁波遮蔽相关产品在科技快速发展及电子产品普及应用的今日扮演举足轻重的角色，如何隔绝电子产品使用中产生之电磁波也成为各大研究团队的主要开发方向。本文由电磁波及其遮蔽机制出发，先讨论常见之电磁波遮蔽材料及制程，再分析未来产品之主要发展方向，希望能提供未来踏入此领域之专家学者做为重要之参考数据之一。一、电磁波简介近年来科技的蓬勃发展为人类带来各式各样创新且方便的生活，然而凡事一体两面，科技同时也为人类带来潜在的危机，举凡

2、各种电子产品皆带有电磁波，当一般大众使用电子产品时，将暴露在电磁波下，无形中会对人们造成直接或间接建商影响。简单来说，电磁波是传递能量的一种方式，由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波的传递不须介质，载体为光子，凡是物体本身温度大于绝对零度皆可以发射电磁波1。依据能量的高低可将电磁波分为以下三类，分别为：1.无热效应的非游离辐射:能量最强，足以将分子结构打散成带电的离子，会改变或损坏生物细胞，而导致病变，如伽玛射线线(-ray)、x光线(-ray)等。2.有热效应的非游离辐射:能量弱，但是仍会造成温度改变，如微波、紫外线。

3、3.游离辐射:能量最弱，无法造成温度改变，一般使用的家电用品及智能型手机为此范畴。而依据频率的高低可以将电磁波由频率低到高依序分为，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线，频率越高能量越强，其中微波的频率介于300MHz300GHz，早期运用在通讯产品，现代则常见于食物加热相关应用，微波因为可以穿透介质直接加热，因此可以大幅缩短加热时间，微波主要是利用与水的作用来加热食物。可见光波长大约介于300nm700nm，而依据不同的波长也会产生不同颜色的可见光，通常波长越长代表穿透力越强，在一个密闭的暗室里，外面的可见光无法穿透墙壁使暗室明亮，然而波长较长的无线电波却可以穿透墙壁，故在暗

4、室里可以侦测到无线电波的讯号却无法看到可见光，紫外光在一般生活中被视为对人体有害的电磁波，有可能会造成皮肤病以及细胞退化，然而紫外光在工业上应用广泛，举凡基材与产品清洁、UV光固化流程及侦测挥发性有机气体等，均为其应用之范围，故操作人员须与紫外光隔离，以免对身体健康造成危害。日常生活中，电磁波无所不在，即使能量较低的非游离辐射，仍可能在长期使用下对人们造成伤害，而电磁波对人们造成危害可大致分为以下五类，分别为：1.中枢神经的系统伤害:出现神经衰弱症候群，有可能会产生头疼、记忆力减弱、失眠等。2.心血管系统的伤害:使血管通透性和张力降低，容易造成心动过缓症状。3.免疫功能的伤害:使身体抵抗力下降

5、，容易受到各种疾病攻击4.视觉功能的伤害:容易造成眼球内部温度过高，视觉疲劳以及白内障等等疾病5.致癌的伤害:经由一些动物实验发现会促使致癌的机率提高虽然电磁波不全然只对人类有害，有些医疗设备运用x光、红外线等等都是有利于人们健康检查的精密设备，然而电磁波对人们的危害却不能忽略带过，因此如何防范电磁波在一般大众生活中造成的潜在危险是为十分重要的研究课题。二、电磁波遮蔽机制抑制电磁波干扰的方法有三种，滤波器、遮蔽材料、隔离装置，其中遮蔽材料抑制电磁波干扰是最有效的方法，根据Schelkunoff理论2，材料对电磁波的屏蔽行为依阶段性可分为三种，反射损失、吸收损失及多重反射损失，其示意图如图一所示

6、。图一、电磁波遮蔽行为示意图1当电磁波在空间中传播时，由于时变电场与磁场互相影响，透过马克威尔方程式的观察，可以发现对同一种材料电场值与磁场值之间有一固定的比值，可藉此定义出特征阻抗()来表示此两者的关系，当电磁波的路径是由无限大的真空进入无限厚的材料时，真空中感受到的自然阻抗值与材料中感受到的阻抗值不同，这时会造成阻抗不匹配并且发生反射，因此反射是发生在材料的交界面上，此步骤为第一阶段的屏蔽效应。假设一电磁波由介质1射入介质2且在介质1的本质阻抗为(1)，在介质2的本质阻抗为(2)，此时可以定义反射系数：当2124eV时，就可以产生电离辐射效应。我们所熟知的x射线和射线所具有的能量均超过了这

7、个值，会对人体产生电离辐射效应，而能量稍弱的可见光、红外线、微波、无线电波、红外线、微波，会对人体产生非电离辐射效应。4电磁屏蔽原理电磁屏蔽原理电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生的某个区(不包含这些源)内的电磁场效应，有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害，其作用原理是采用低电阻的导体材料，由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果，通常用屏蔽效能(SE)来表示4。EMI屏蔽是指电磁波的能量被材料吸收或反射造成的衰减，通常以屏蔽效能(ShieldingEffectiveness，SE)表示，屏蔽效能是指

8、未加屏蔽时某一观测点的电磁波功率密度与经屏蔽后同一观测点的电磁波功率密度之比，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值:SE=20log(Pi/P0)式中Pi，和P0;分别表示入射和透射电磁波的功率密度，屏蔽效能的单位为分贝(dB)；衰减值越大，表明屏蔽效能越好；EMI屏蔽有近场和远场两种，当辐射源和屏蔽材料之间的距离(D)大于/2时，属于远场屏蔽，其中是辐射源的波长。当D/2时，属于近场屏蔽。电磁波人射到材料表面时，会发生吸收、反射、内部反射和透射(如图1)8。图1电磁波入射示意图：1-屏蔽材料；2-塑料；3-透射波；4-吸收；5-入射波；6-外反射；7-内反射）屏蔽效能为电磁波被屏蔽层反射、吸收及内部

9、反射之和，表示公式为:SE=R+A+B，式中R为反射损耗，A为吸收损耗，B为内部反射损耗。A与电磁波的类型(电场或磁场)无关，只要电磁波通过屏蔽材料就会有吸收，屏蔽效能与材料的电导率及磁导率成正比，并与材料厚度呈线性增加。多层材料的叠加可减小磁畴壁，从而增加磁导率，故而材料越厚，吸收损耗越大。R与辐射源的类型及屏蔽材料到辐射源的距离有关，且与材料的表面阻抗有关。对于高频，A的值很大，B可以忽略不计。而对于低频，A的值很小，B就必须考虑。ICP材料，如PANI(聚苯胺)、PPY、PTH，具有较高的电导率和介电常数，加上质轻、环境稳定性好等优点，是应用前景十分广阔的EMI屏蔽。尤为重要的是，ICP

10、不仅能通过反射损耗，更能通过吸收损耗达到EMI屏蔽目的，因而比金属屏蔽材料更具优势。下表为典型金属材料和ICP材料物理性能的比较。表1按工作原理，电磁屏蔽可分我以下三类：电场屏蔽：静电屏蔽、低频交变磁场屏蔽；磁场屏蔽：静磁屏蔽、低频交变磁场屏蔽；电磁屏蔽：用于高频电磁场的屏蔽。我们用屏蔽效能来定量评价屏蔽体的性质，屏蔽效能的定义为：EE或SE(dB)?20log0SE?0E1E1H0HSE?0或SE(dB)?20logH1H1E0、H0-未加屏蔽时空间中某点的电场，E0、H0-未加屏蔽时空间中某点的电场。电场屏蔽电场屏蔽是防止两个设备间的电容性耦合干扰。电场屏蔽可以分为静电屏蔽和低频交变电场屏

11、蔽两种。静电屏蔽的原理是经典平衡，要求屏蔽材料的完整性和良好的接地。低频交变电场屏蔽主要是抑制低频电容性耦合干扰，主要的设计要点是低频交变电场屏蔽屏蔽体的材料以良导体为好，对厚度无要求；屏蔽体的形状对对屏蔽效能有明显影响；屏蔽体好靠近受保护的设备；屏蔽体要有良好的接地。图2静电屏蔽原理示意图磁场屏蔽磁场屏蔽也可以分为低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两种。低频磁场屏蔽是利用高导磁率的铁磁材料，对干扰的磁场进行分路：高频磁场屏蔽是利用低电阻的良导体中形成的涡电流产生反向磁通抑制入射磁场。磁场屏蔽原理的设计要点是屏蔽体要选用高导磁率的材料，但应防止次饱和；尽量缩短磁路长度，增加屏蔽体的截面积；被屏蔽物体不

12、要紧贴在屏蔽物体上；注意屏蔽体的结构设计，缝隙或长条通风孔循着磁场方向分布；对于强磁场的屏蔽可采用多层屏蔽，防止发生磁饱和；对于多层屏蔽，应注意磁路上的彼此绝缘；电磁屏蔽电场屏蔽的原理是在入射表面的反射衰减；未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；在屏蔽体内部的多次反射衰减(只在吸收衰减信号线的25针D形连接器的引脚排列,但是更常见的是具有8根信号线的9针D形连接器,如图3所示。每个方向都有一根线用于数据传输,其余的线用于通信协议。在最简单的情况下,实现RS-232总线仅使用其中三根线：Tx(发送数据),Rx(接收数据)和GND(地线)。图38信号线RS-232网络配置RS-232通常用

13、于连接多个系统,所以各系统和总线之间的隔离是至关重要的。数字隔离器不支持RS-232标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地系统之间。收发器的系统端通常连接到通用异步收发器(UART)或者处理器,采用03V或者05V的逻辑电平。因为iCoupler隔离器的输入和输出电路彼此是电隔离的,所以将其置于UART和收发器之间,作为隔离系统和电缆的一种简单方法。为了完成这种隔离,通常用一种带隔离的DC/DC变换器给该隔离器和收发器供电。ADuM1402iCoupler数字隔离器、ADM232LRS-232收发器和带隔离的电源的组合用法,如图3所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的

14、保护以防止浪涌破坏。RS-485总线：规定RS-485标准用来驱动多达32对驱动器和接收器。其通用性和驱动长4000m电缆的能力使得它常用于各种应用,尤其是远距离的系统之间互连。小型计算机系统接口(SCSI)和PROFIBUS协议都采用RS-485标准用于通信。2可用的电缆长度取决于对数据速率的要求,其速度和距离组合可以从1200米对应200kbps到100米对12Mbps。RS-485驱动器采用平衡的差分信号,通过两根输出线发送数据。接收器通过比较两个信号确定逻辑状态;如果差分信号电压大于200mV便可提供有效的逻辑电平。驱动器和接收器中的差分放大器控制信号线间的电流方向。这样就比诸如RS-

15、232单端信号方案提供较高的抗噪声干扰能力。因为RS-485通常用于连接多个系统,所以各系统和总线之间的隔离非常关键。像使用RS-232一样,数字隔离器不支持RS-485标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地系统之间。收发器的系统端通常连接到本地总线或者处理器。因为iCoupler隔离器的输入和输出电路彼此是电隔离的,所以将其置于处理器和收发器之间是一种隔离系统和电缆的简单方法。为了完成这种隔离,通常使用带隔离的DC/DC变换器给隔离器和收发器供电。ADuM1301iCoupler数字隔离器和带隔的离电源的组合用法,如图4所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。图4带隔离的RS-485电路图5示出了ADM2486单芯片隔离RS-485收发器。CAN总线：CAN总线标准,最初是为汽车应用开发的,它规定了一种2线串行通信协议,允许高达1Mbps的数据速率、多达30个结点和40米的最大电缆长度。它以帧为单位传送异步数据,帧中包括起始位(bit)和停止位、一个仲裁字段、一个控制字段、一个循环冗余校验(CRC)字段和一个确认字段。每个结点都能同时侦听和传送数据,所以该协议最重要的特点之一就是其非破坏性的位序列仲裁,它保证了不会有数据丢失。每个结点在消息开始时发送一个主消息起始(SOM)位。