在电磁兼容领域一提到屏蔽材料-工程中屏蔽材料的屏蔽效能分析

18│电磁干扰与兼容│2008年03月行业论坛Forum在电磁兼容领域一提到屏蔽材料，对于工程师来讲首先想到的无外乎使用何种材料能达到更好的屏蔽效果；此项工程选择哪种屏蔽材料能达到更合适的性价比……本期论坛将带您走进屏蔽材料在工程实践中的效能实现和如何选择合适的屏蔽材料等行业人士比较关注的话题。如何做到屏蔽材料的有效利用蒋全兴：随着电子装备性能的提高，对屏蔽技术的要求也越来越高，面对国外高科技屏蔽材料进入中国，如何应对自主知识产权问题，研发出适合国情的电磁功能材料？我们只能从结构设计对材料需求的视角关注其动向，特别是射频密封材料如何应用的问题。就结构设计环境条件适应性而言，它涵盖了：振动冲击隔离、热设计、防腐蚀、电磁兼容、人机工程。因此20世纪70年代起ITEM就成了我们获取信息的窗口。在电磁兼容性工程中，屏蔽起到阻隔发射源与感受器耦合通道的作用。以一个屏蔽室为例，它除了屏蔽壁板主体外，还需要屏蔽门、截止波导式通风窗、线缆贯通接口板、电源干扰抑制滤波器、射频密封衬垫等，它们有别于传统的结构材料。目前，国内新型屏蔽材料的研究开发有了长足的进展，特别是复合型新材料呈雨后春笋之势。但是从实验室小件试样到工程应用，还有相当长的路要走。例如掺杂型复合屏蔽材料，工程应用就回避不了拼缝的材料及处理工艺；透光屏蔽材料同样存在边缘密封连接的瓶颈。又如，对于各种喷涂型材料，其性能既与自身基本的导电组分构成及连接剂组分有关，还与被覆盖基体的化学活性有关；各种射频密封材料，除了可以简单地以其导电性能衡量之外，还要考虑其安装定位结构型式以及形变压力要求，而后者又受制于待密封结构主体的结构型式和材料。再如：对于铁磁工程中屏蔽材料的屏蔽效能分析和选择性材料而言，从以往的工频应用向高频或脉冲型应用延伸，从常温到极端高温、低温工作条件的改变，屏蔽问题都会遭遇新的难点。就屏蔽材料的有效利用问题来说，简单地讲，屏蔽室的屏蔽效能遵循“木桶原理”，哪个环节都不能出问题；其次，屏蔽的完整性问题不能就“屏蔽”而屏蔽，有时辅之有效的“接地、搭接”，可能事半功倍。现代的屏蔽室通风如果不用波导通风窗似乎不可思议。但是人们往往不注意：波导通风窗对于低频磁场的屏蔽效能并不好；钢板焊接而成的轮船舱室通道对于低频段辐射干扰信号而言恰恰就具有截止式波导的功能。有人问：为什么开设在舱室通道上的人员出入屏蔽门，对抑制低频辐射干扰用处不大；方舱上的截止波导管内一旦有空调用的控制线或管道贯通，“波导管”就成了“同轴线”，方舱整体屏蔽效能马上下掉。究其原因都是因为对“截止波导”工作原理的理解不透。移动式连接线缆的屏蔽是一个众所周知的难题，有时双层屏蔽电缆外面再加屏蔽护套效果并不明显。但如果把线缆紧贴接地屏蔽体敷设，或者用柔性接地金属带条与线缆平行布线，可能使线缆所拣拾的杂散干扰明显下降，已不乏成功的案例。此外对于低频的杂散干扰，采用扭绞线和屏蔽层单端接地，不失为一种经济而且行之有效的方法。拿机柜的活动式屏蔽门来讲，若采用内衬较硬泡绵型导电衬垫，屏蔽门刚性不足，屏蔽门所呈现的屏蔽特性可能远不如材料供应商所提供数据；安装在方舱铝型材上的导电屏蔽玻璃，如果仅用导电橡胶防振、密封，由于电化学腐蚀，屏蔽效能将很快丧失；金属簧片类导电衬垫，使用不当，在振动条件下可能出现屏蔽效能不稳定；某些金属丝编织类导电衬垫，在高频段的屏蔽效能可能下降；对于刚性较好、表面光滑平整的屏蔽密封配合面，加了射频密封衬垫之后，得到的屏蔽增量甚至可能呈现负值，表明这种情况下未必需要采用衬垫。关于各种射频密封材料供应商所提供的屏蔽效能、屏蔽质量、屏蔽增量、转移阻抗等数据，使用者务必了解这些数据的定义和测试方法，认真甄别，以免望文生义或被误导，必要时可以查阅相关标准。至于衬垫的选用加权表，可以查阅MIL-STD-1857(EL)GroundingBondingandShieldingDesingnPractices1976[GJB1210]；有关屏蔽理论及材料选用，建议参考MIL-HDBK-419AGroundingBondingandShieldingforElectronicEquipmentsandFacilities1987[GJB/z25]。东南大学电磁兼容研究室蒋全兴19│电磁干扰与兼容│2008年03月行业论坛ForumGJB对于屏蔽室的屏蔽效能要求和屏蔽效能的实现周开基：GJBz20219-94《军用电磁屏蔽室通用技术要求和检验方法》对屏蔽室按屏蔽效能的高低分为B级和C级，B级屏蔽室屏效在0.01~1000MHz电场和平面波不低于50dB，磁场（0.01~4MHz）由10~50dB。C级屏蔽室在0.01~1000MHz电场和平面波屏效不低于110dB，微波（1~10GHz）屏效不低于100dB，磁场（0.01~1MHz）磁场屏效由55~110dB。GJB2926-97《电磁兼容性测试实验室认可要求》规定EMC屏蔽室的屏效至少应达到：频率范围：14kHz~1MHz1~1000MHz1~18GHz屏蔽效能：60dB90dB80dB比较起来，GJBz20219-94对屏蔽效能的要求，C级要严于GJB2926-97。一般说，满足GJB2926-97屏蔽要求的屏蔽室是满足EMC军标和民标的认证测试环境要求的。目前国内外屏蔽室制造商的设计与制造水平均可达到GJBz20219-94的C级屏蔽室要求。国外的屏蔽室标准有EN50147-1，GAMT20，NSA65-6，MIL-STD-285，IEEE299等。屏蔽的目的是将不希望的电场、磁场限制在一个范围内，不致对其他设备产生电磁干扰。考虑到这种不希望的电场、磁场的性质差异，应用的屏蔽机理也不同。通常将这种产生不希望的电场、磁场的干扰源分为3种。第一种是恒定电场，由静电荷和恒定直流产生，此时采用静电屏蔽来抑制；第二种是恒定磁场，由永久磁铁和恒定直流产生，此时采用磁屏蔽来抑制；第三种是时变电磁场，也是我们见的最多的情况，此时采用电磁屏蔽来抑制。对第一种恒定电场，通常采用高电导率的金属壳体并将其接地即可实现满意的静电屏蔽效能。对第二种恒定磁场，通常采用高导磁率的铁磁性材料如钢板、硅钢片等，为干扰磁场提供低磁阻的通路，使磁感线沿此通路而不致交链到被保护的设备上。对第三种时变电磁场，根据干扰源的频率、性质、干扰源与屏蔽体的距离，分为以下3种情况：a.干扰源为类似环形天线辐射体，低阻大电流，产生时变电磁场在近区（）主要是磁场分量，电场分量可忽略，波阻抗（）大大小于远区波阻抗（120πΩ）。b.干扰源为类似偶极子天线辐射体，高阻高电压，产生时变电磁场在近区（）主要是电场分量，磁场分量可忽略，波阻抗大大高于远区波阻抗。c.平面电磁波。不管干扰源是低阻磁场辐射器还是高阻电场辐射器，当传播到远区（）后波阻抗趋于恒定值（120πΩ），此时时变电场与时变磁场相互变换，向远方传播。屏蔽壳体屏蔽效能的估算可以采用各种理论和方法，但EMC工程上广泛采用传输理论。它最适用于平面波垂直入射到无限大的薄屏蔽板的情况，但也可近似用于非平面波照射在有限大小的无规则形状的薄屏蔽板和壳体情况（误差在3dB以内）。采用传输理论估算壳体屏蔽效能SE时，SE=A+R+B（dB）式中A为屏蔽壳体的吸收损耗dB（1）按上述时变电磁场的3种情况，R的表达式如表2：表2反射损耗表达式B为在屏蔽体两个面之间的内部反射损耗，如果A15dB，B可忽略不计，否则按下式计算：在高频（大于10MHz）时，吸收损耗占优势，所以对于多数屏蔽应用，任何足够厚的屏蔽材料都可提供满足实用的屏蔽效能。这是从选材角度来说的，至于一个屏蔽壳体的屏效还取决于很多结构因素，例如是否有缝隙、进出线管的处理等。如何根据不同的需求选择合适的电磁屏蔽材料王群：为解决电磁兼容的实际问题，在电磁兼容设计中广泛采用屏蔽技术，屏蔽封材料的正确选择是其中的重要内容。实践证明，一名优秀的电磁兼容设计工程师除应掌握电磁兼容标准、电子电路以及电磁波等基本理论外，还需对有关材料、元件的工作原理、种类、应用方法有所了解。根据材料作用机理的不同，屏蔽材料可分为电磁屏蔽材料和电磁密封材料。一、电磁屏蔽材料按照材料形式进行分类，电磁屏蔽材料包括：金属板带材料、表面金属沉积材料、导电高分子材料、电磁屏蔽涂料和电磁屏蔽织物五种形式。1.金属板带材料：是由钢铁工业生产的轧制板材，主要包括低炭钢、硅钢和铁镍合金三种钢铁材料。这三种材料所具有陕西海泰电子有限责任公司周开基源反射损耗，R条件低阻抗环天线高阻抗杆天线平面波、杆或环天线20│电磁干扰与兼容│2008年03月行业论坛Forum的优良的宽频电磁屏蔽性能和低频磁屏蔽性能是目前任何一种工程屏蔽材料都不具有的。电磁屏蔽室、微波暗室一直以来都是这类电磁屏蔽材料的主要应用领域。一些特殊成分的合金熔体通过快速冷却的方法，能够获得非晶态金属带材。非晶态合金以其优良的磁导率和饱和磁化强度特性为解决磁干扰问题提供了一个很好的技术方案。2.表面金属沉积材料：表面金属沉积材料是采用金属熔射、真空蒸镀、阴极溅射、电化学沉积的方法在非导电材料的表面覆盖一层导电薄膜。真空镀铝、化学镀铜/镍等是电磁屏蔽材料或元件经常采用的技术手段。3.导电高分子材料：导电高分子材料按其组成和导电机理，可分为本征型和复合型两种。本征型导电高分子主要有：π共轭型、金属螯合物型、电荷转移络合物型等。复合型导电高分子材料是将不同的导电填料分散复合于高分子基材中制成导电高分子复合材料，如普遍使用的导电塑料、导电橡胶等。4.电磁屏蔽涂料：电磁屏蔽涂料是由合成树脂、导电填料、溶剂和助剂组成的一种半液态混合物，使用过程中将其涂敷于基材表面，固化后形成的导电膜发挥电磁屏蔽的功能。成膜树脂主要有醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等；导电填料包括石墨、银、铜、镍导电粉料，目前人们正在开发、推广Ag/Cu/Ni三种金属的包覆粉料，被覆粉体有石墨、空心玻璃微珠、片型矿物粉体等。5.电磁屏蔽织物：电磁屏蔽织物是一类具有织物网络结构的电磁屏蔽材料。目前，电磁屏蔽织物包括：化纤布表面金属沉积织物、金属纤维编织物、金属纤维无纺布、导电纤维与化纤的混纺织物，涉及的金属材料有Cu、Fe、Ni、Al、不锈钢纤维。二、电磁密封材料电磁密封材料是一类表面导电的弹性材料，通过在屏蔽体之间提供低阻抗的导电通路实现结构屏蔽的目的。电磁密封材料在使用时处于导电体的结合处或屏蔽结构体的缝隙处，以消除导电不连续性。目前普遍使用的电磁密封材料如下：1.铍铜指形簧片：通过冲压、热处理工艺方法制成的各种形状的高弹性铍铜簧片。2.导电橡胶条/片：将银、铝镀银、铜镀银、玻璃镀银等导电粉末掺入橡胶中。3.金属丝网屏蔽条：由金属丝网编制的弹性导电衬垫，常用金属材料有：镀锡磷青铜、镀锡铜包钢、蒙乃尔合金、铍铜。4.螺旋管：由铍铜/不锈钢条卷制成的螺旋管。5.导电布衬垫：采用电化学沉积方法在化纤布上镀铜、镍获得的导电布，包裹高分子泡沫材料制成的条状导电衬垫。6.定向金属丝橡胶衬垫：许多独立的细金属丝垂直于接触面方向嵌入橡胶中，使上下接触面导电。7.导电化合物：一类由导电填料与高分子基料复合而成的材料。导电填料包括银、镍、石墨、银包铜、银包铝、镍包石墨等。导电化合物种类有：导电胶、导电腻子、导电涂料等。从学科发展的角度，目前我们比较关注电磁屏蔽材料三方面的内容：1）电磁兼容材料的基础理论；2）新型电磁屏蔽材料的研制和应用技术；3）电磁兼容技术的材料解决方案。在如何提高屏蔽材料的有效利用问题上，我们主要关注以下几个方面：1）研究具有“薄、轻、宽、高”特征的宽频电磁屏蔽薄膜材料，提高电磁屏蔽材料的应用范围。2）开发填充型导电高分子材料的导电粉体，提高材料的导电性能和降低材料的制造成本。3）研制系列电磁干扰抑制材料和元件，为电磁兼容设计提供新的技术方案。电磁混响室的工程实践案例剖析宋立军：电磁混响室技术作为电磁兼容领域中近些年刚刚兴起的一项新技术，其应用前景十分广泛。衡量电磁混响室的重要指标，就是要达到一个尽可能大的均匀场区，能量损失越少越好、各个位置的场