第二章屏蔽技术

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1、第二章屏蔽技术电磁屏蔽原理屏蔽的定义利用磁性材料或者低阻金属材料（铝、铜）等制成容器将需要隔离的设备、装置、电路全部包起来称之为屏蔽。屏蔽的作用：其一是将容器里的设备、装置、电路不去干扰容器外边的接收器，其二是容器外边的电磁干扰源对容器里边的接收器不构成干扰。屏蔽的分类：静电屏蔽：主要防止静电藕合干扰；屏蔽磁屏蔽：主要防止低频磁场干扰；电磁屏蔽：主要防止高频场的干扰。静电屏蔽消除两个设备、装置及电路之间由于分布电容藕合所产生的静电场干扰称之为静电屏蔽。 屏蔽的机理：利用低阻金属材料制成容器使其内部的电力线不传到外部，而外部的电力线也不影响到内部，把电场终止在屏蔽壳体接地来实现 由电磁场理论可知

2、，导体在电场中要产生静电平衡，导体是个等位体，导体表面是个等位面，即导体内部的静电场为零也就是说导体不让电力线通过。要达到静电屏蔽的目的，一定要将屏蔽壳体接地要求屏蔽外壳接地电阻愈低愈好。一般设计在1欧以下2低频磁场屏蔽从狭义角度，是指甚低频(VLF)和极低频(ELF)的磁场屏蔽。主要屏蔽机理是利用高导磁材料具有低磁阻的特性，使磁场尽可能通过磁阻很小的屏蔽壳体，而尽量不扩散到外部空间。屏蔽壳体对磁场起磁分路作用。其屏蔽效能主要取决于屏蔽材料的磁导率；随着频率增加，材料的电导率也起一定作用。图中A是磁场源，B是接受设备，C是磁场屏蔽体低频磁场屏蔽材料选择原则：(1)屏蔽层的开口或缝隙处不能切断磁

3、力线（见课本P44图）(2)屏蔽材料的磁导率要足够高；(3)屏蔽层数要满足要求；(4)屏蔽层厚度要厚。不能用于高频，否则，由于磁性损耗导不能用于高频，否则，由于磁性损耗导至导磁率明显下降。至导磁率明显下降。3. 电磁屏蔽电磁屏蔽用金属和磁性材料对电场和磁场即电磁波进行隔离称之为电磁屏蔽。（这种屏蔽通常用在10kHz以上高频段中） 1屏蔽原理 ：（)传输线理论：将屏蔽壳体比作为传输线，并认为辐射场通过金属时，在外表面被反射一部分，部分在金属内传播：被吸收而受到衰减。（这一理论与行波在传输线上传播的理论类似，而且计算也方便，精度也高，是当前广泛采用的一种分析方法。） (2)涡流效应：电磁波在金属壳

4、体上产生感应涡流，而这些涡流又产生了与原磁场反相的磁场，抵消削弱了原磁场而达到屏蔽作用。（这种方法忽略磁导率的因子，误差大，应用受到局限） (3)电磁矢量分析：用电磁失量方程来分析，精确度很高。（由于计算复杂也受到一定限制）2.2 屏蔽效能屏蔽壳体可以做成金属隔板式、盒式，也可以作成电缆屏蔽和连接器屏蔽。屏蔽的壳体一般有实芯型、非实芯型(如金属网)和金属编织带几种类型，后者主要用作电线的屏蔽。各种屏蔽体的性能，均用该屏蔽体的屏蔽效果来表示。屏蔽效能用下述方式来定义：(1)用相应的磁场比；(2)用相应的电场比；(3)用场内所讨论的点在屏蔽插入前、后的功率密度比；(4)屏蔽前表面入射波场强与这表面

5、辐射出场强之比，于是屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)为影响屏蔽效果的大小的因素：1.与屏蔽材料的性能有关，2.与辐射频率、屏蔽体与辐射源的距离、以及壳体上可能存在的各种不连续的形状和数量有关。在进行屏蔽设计时，应先了解待屏蔽区域屏蔽前的场强及屏蔽以后允许的场强分别是多少，两者的差值即为所需的屏蔽效果。3均匀屏蔽(金属板屏蔽体)在均匀屏蔽理论中是把金属板屏蔽体看成是无洞、无孔、无缝隙、地为无限大的均匀平面，屏蔽效能主要是由屏蔽方式和屏蔽材料决定的。 目前，供评定屏蔽材料用的屏蔽效能计算公式，常用的是谢昆诺夫公式。它是利用传输线原理，在屏蔽板是薄的无限大平面和入射波为

6、垂直入射的横电磁波条件下成立时，用一段长度为屏蔽板厚度，特性阻抗为屏蔽本征阻抗的有损耗传输线代替金属屏蔽板，金属板的屏蔽效能SE(dB)为SE=A1+A2+A3A1吸收损耗(dB)； A2第一内边界、第二边界的反射功率损耗之和(dB)，A 2=R1+R2； A3屏蔽的内表面之间的多次反射的因素(dB)。若A115dB时, A3可忽略。 r干扰源离金属板的距离(m)。 当Al10时，A3可以直接从图37中查得。在一定条件下，金属箔越薄，屏蔽效能越高有人对0.036、0.107和0.249mm三种不同厚度的电解铜箔屏蔽效能进行实测，结果表明0.036厚的电解铜箔材料屏蔽效能最好。由实测可以看出谢昆

7、诺夫公式在高谢昆诺夫公式在高频和屏蔽体厚度很薄的情况下是不适用的频和屏蔽体厚度很薄的情况下是不适用的。 （见课本P表）频率和厚度又是有关的：由电磁场理论可知，电磁波在良导体中的衰减很快，用集肤深度表示：集肤深度控制理论频率高则集肤深度小，就是说屏蔽效果相同时，频率高，则屏蔽体厚度就小。趋肤深度举例反射损耗 R 20 lgZW4 Zs反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。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 lg3774 Zs4500Zs

8、= 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 fD f Zs Zs电场: R 20 lg磁场: R 20 lgdB综合屏蔽效能 (0.5mm铝板)150250平面波平面波00.1k 1k 10k 100k 1M 10M高频时高频时电磁波种类电磁波种类的影响很小的影响很小电场波电场波 r = 0.5 m磁场波磁场波 r = 0.5 m屏蔽效能（dB）频率怎样屏蔽低频磁场？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4.非实心型屏蔽应用场合包括：(1)需要带眼的屏蔽 (2)需要设置通风孔、电缆或导线的进出孔、照明孔、照伤孔、加水孔和电表

9、的安装孔等；(3)为便于人们查看而留且的屏蔽不连续。这种不连续包括紧密连接的两金属面间的接缝(如两金属板用铆接或螺钉紧固时残留的缝隙)和两金属扳间置入金属衬垫后形成的开口和缝隙。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通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等电源线缝隙非实心型屏蔽金属网屏蔽金属编织物屏蔽蜂房式金属结构屏蔽（用许多并列的六角形金属管焊在一起构成的，其中每一个金属管都起着波导衰减器的作用）等。孔洞的屏蔽效能SE = 以长方形孔为例，孔深为L，与电场垂直的矩形孔宽度为W孔洞的屏蔽效能实践证明，即使非常密织的金属网，其屏蔽

10、效能也比金属板差很多。特别在高频时就差得很明显。当需要100dB以上的屏蔽效能时。必须采用双层和多层金属网屏蔽。屏蔽材料的选择屏蔽效能屏蔽材料，其中包括小孔金属材料(如金属网、冲孔金属板)、伪均匀金属材料(如金属化喷涂)和实心金属材料(加金属箔、金属板等)。这些材料可以分成两类：铁磁性材料和非铁磁性材料。除极簿的金属箔以外，都可以按式来计算屏蔽效能。 计算结果表明，有些金属对电磁波的吸收损耗很大(见表64) 如镍钢为354dB/ m，坡莫合金为2528dBm。但是由于它们的价格昂贵，而局限了它们的用途。因此只有在常用的金属，如铜、铝、铁中加以考虑来选择。续表 表高阻抗场对钢、铝、铁的反射损耗

11、2材料选择(1)价格与加工工艺，坡莫合金在热处理和加工过程中会降低值，一般不宜采用。铝不易焊接，一般也不宜采用。 (2)耐腐蚀性，因为屏蔽材料都属于金属材料，所以在盐雾气候和潮湿条件下会使异种材料连接处发生电化学腐蚀和自身的锈蚀。所以应选择有镀层保护的金同材料、耐腐蚀性强的材料。(3)材料特性，这是选择屏蔽材料主要考虑的问题，即由屏蔽材料的吸收损耗和反射损耗来选择。金属箔应选择电导率大的非铁磁性材料。金属网应选择电导率大的非铁磁性材料。有关金属板屏蔽材料应该这样选择：低阻抗磁场选择吸收损耗A1大的金属；高阻抗电场和平面波选择反射损耗A2大的金属；磁场和平面波选择吸收损耗大的铁磁性金属材料2.4

12、屏蔽的应用1设备组件的屏蔽 有些设备内部有发电机、电动机、继电器、变压器等元件，它们产生的电磁场对设备里的敏感部件有干扰，有时无法工作。这时需要将干扰源和敏感部件进行屏蔽处理。 2连接器的屏蔽 对电缆端头、螺钉、沟槽、螺栓、垫圈进行屏蔽，从面消除由于它们处理不当而引起的电磁干扰。 3设备的屏蔽 设备的外壳对内部易受干扰的组件进行屏蔽保护，此时设备的外壳要按屏蔽要求来设计。但其壳体为了电源线、控制线、信导线的输入、输出线等，还有散热，通风等原因需在壳体上开孔开窗，这就造成电气不连续使屏蔽效能大大降低，造成外壳泄漏或易受干扰。在小窗上装上金属网或者使孔隙的尺寸满足最小波长的要求(对缝隙的直线尺寸要

13、求小于110波长洞孔尺寸小于15波长)。在结构装配上要充分考虑屏蔽性，要装导电性填料或金属密封垫片。 4电缆的屏蔽 电缆是传送信息的途径，也是干扰的传送途径，电缆可在各种电磁环境敷设，高电平电缆辐射干扰，低电平电缆感受干扰，而且电缆又是成束地敷设的，其藕合干扰也不小。为了衰减辐射干扰和降低感受度，对电缆要进行屏蔽，为此屏蔽又是电缆去耦的方法，并要良好接地才能达到好的屏蔽效果。2.5专门的屏蔽材料和元件 为使一些特殊应用场合下的屏蔽，例如非永久性开口的屏蔽或者通过连接器进出屏蔽系统的滤波器的屏蔽能保持必要的屏蔽效果，研制了各种专门的屏蔽材料和元件 电磁密封衬垫金属接缝处的配合表面，通常难于作得十

14、分规则，这就要导致不允许的电磁泄漏。如果将一种具有导电性能的衬垫材料堵塞在接续中间，就可以在不提高接合面加工精度的情况下，使接缝具有较高的电磁屏蔽能力。电磁密封衬垫的种类 金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)导电橡胶(不同导电填充物的)指形簧片(不同表面涂覆层的)螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)导电布螺旋管电磁密封衬垫电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能 (关系到总体屏蔽效能) 回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） 最小密封压力（关系到最小压缩量）最大形变量（关系到最大压缩量） 压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数） 电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）选用、成型和安装射频衬垫材料时，必须遵循的

15、准则：应把衬垫放置于接缝、盖板缝和边角等容易形成射频辐射的地方。但是，衬垫的总面积应尽可能小一些。为使衬垫具有良好的射频密封作用，外加的紧固力应不小于1.2kgcm，使能破坏衬垫表面的防护膜，实现良好的低阻接触。 为了避免衬垫承受过大的压力，在某些接缝中可以设置必要的“止动销”。 对于需要多次使用的衬垫外加紧固力不应超过材料弹性极限的33。 如果衬垫表面受到腐蚀，则其射频屏蔽效果将降低。因此，应正确选择接合金属，以尽量减小腐蚀并排除电解液作用于不同金屑表面的可能。 应根据实际环境温度的要求，选择合适的衬垫材料。2 弹性指簧弹性指簧通常安装于门框上，如微波烘箱的箱门以及用作电磁干扰试验室的房门。它必须保证门关上后，射频能量无法从门缝中穿过。当需要通过一个开口经常进出时，弹性指簧则被当作射频衬垫使用。为此，不但要求弹性指簧能够保持接触面的射频屏蔽完整性，而且也要求它能够提供跨配合表面的地接触。弹性指簧一般制成平直的条带形状，但有时也制成弯角形状，此外，当用它为穿过面板的金属旋转轴提供接地通路时，弹性指簧应作成圆环形状。指形簧片对指簧的要求一个成功的指簧设计，应考虑到它可能承受的最大机械冲击范围，并使指簧实现多线接触。指簧应有较长的寿命，也就是即使开关工作几千次以上，指簧仍应有足够大的、足以破除表层氧化膜和清除灰尘并对接合面继续保持强大压触作用的能力。