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中南大学电磁兼容及其应用电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作,因此不需要对电路做任何修改。所谓电磁屏蔽就是以某种材料(导电或导磁材料)制成的屏蔽壳体(实体的或非实体的)将需要屏蔽的区域封闭起来,形成电磁隔离,使其内部产生的电磁场不能越出这一区域而干扰区域外部设备,而外部电磁场不能进入这一区域(或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减)。第2章屏蔽技术电磁屏蔽的作用原理是屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用,而这些作用与屏蔽结构表面和屏蔽体内所感应的电荷、电流及极化现象密切相关。屏蔽效能屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点无屏蔽存在时电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比,用SE表示HHEESSSESE00或式中,、分别为无屏蔽使某点的电场强度和磁场强度;、分别表示屏蔽后同一点的电场强度和磁场强度。由屏蔽效能的定义可知,屏蔽效能的数值越大,说明屏蔽效果越好。E0H0EsHs电磁屏蔽屏蔽前的场强E1屏蔽后的场强E2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:SE=20lg(E1/E2)dB由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一,因此通常用分贝来表述。下表是衰减量与屏蔽效能的对应关系:无屏蔽场强:有屏蔽场强屏蔽效能SE(dB)10:120100:1401000:16010000:180100000:11001000000:1120一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下,军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60B,TEMPEST设备的屏蔽机箱的屏蔽效要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的,成本也很高。根据屏蔽的工作原理,可将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三大类。2.1电场屏蔽电场屏蔽简称电屏蔽,它利用与大地相连接的导体导电性良好的金属容器,使导体内部的电力线不外传,外部的电力线不内传,其目的是减少设备(或电路、组件、元件等)间的电场感应,包括静电屏蔽和交变电场屏蔽。2.1.1静电屏蔽静电屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽,主动屏蔽表示给孤立的带电体以导体容器包围,然后把导体容器接地,起到屏蔽作用。被动屏蔽,当屏蔽体外部有电场干扰时,屏蔽体内部的导体为等电位体,内部空间不会出现电力线,从而实现了对外界电场的屏蔽作用。+Q+Q-Q+Q屏蔽体B+Q-QBAA图2-1主动静电情况a)孤立体Ab)屏蔽体B包围的情况c)静电屏蔽屏蔽体B-Q+Q图2-2被动静电屏蔽2.1.2交变电场屏蔽对交变电场的屏蔽原理,可以用电路理论加以解释,此时干扰源与被干扰源对象之间感应可以用分布电容描述。如图2-3所示,设有一电压为Us的交变干扰源S,在其附近有一被干扰对象(干扰接收器C),则C上感应的干扰为CCUCUCSCSCSC(2-1)从上式可以看出,S与C之间的分布电容越大,则C受到的干扰电压越大。为了减少干扰,可使S与C尽量远离;当无法满足要求时,则要采用屏蔽技术。SCACUsCcCSCUc图2-3交变电场耦合电路(未加屏蔽体)SCACUsCcCCJUcUjUj(Zj)屏蔽体JCSJ图2-4交变电场耦合(为接地的屏蔽体)CCUCUCCCCUCUCCJJCCCJJSJSSJJCJ//为了减少干扰,在两者之间加入作为屏蔽的大导电板J,如图2-4所示,由于泄露的电力线很少,因此S与C之间的分布电容很少,可以忽略,可得(2-2)从上式可以看出,C接收的干扰电压取决于J的电位Uj,以及C与J之间的分布电容。在J离地较远,且离S很近的情况下,有及,则上式可得(2-3)CCUCUCCJSCCJ由于金属板的尺寸远比干扰源尺寸大,C与J之间的远大于。因此,在加了不接地的J后,可能非但没有起到屏蔽作用,反而增大了干扰。当J接地后,如图2-5所示J对地的电压为SjwjwJUZCCZUZUJSJSJJSJ.1(2-4)CSJCsc此时电压取决于J的接地电阻,如J良好接地,则。在这种情况下,C感应的电压主要源于S与C之间的分布电容,C感应的干扰电压为0,0UZJJCCCUCUCJCSCSCSC''(2-5)SCACUsCcCCJUcUjUj(Zj)屏蔽体J'CSCCSJ图2-5交变电场耦合(加接地屏蔽体)当J很大时,C感应的干扰电压很小。根据上述,屏蔽体必须可靠的接地,且屏蔽体必须选用导电性能好的材料,只有这样才能有效地减少干扰。2.2磁场屏蔽磁场屏蔽简称磁屏蔽,是用于抑制耦合实现磁隔离的技术措施。它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。2.2.1低频磁场屏蔽低频(100kHz)以下磁场屏蔽常用的材料是高磁导率的铁磁材料(如铁、硅钢片、坡莫合金等)。低频磁场屏蔽的原理是利用高磁导率的材料对于干扰磁场进行分路。要想提高磁导率的屏蔽性能,应采用高磁导率的屏蔽材料,且增大屏蔽体的壁厚。根据磁路理论,磁路上a,b两点间的磁位差为为通过磁路的磁通量。之间的磁阻;为式中,mmabmmbadlHRRU,.m(2-6)的磁感应强度。因此为穿过为磁路的截面积;式中,SBSdlBsm.(2-7)(2-8)上式可化简为与磁路的截面垂直,则均匀分布的,磁场方向是均匀的,且磁场也是若磁路截面SdlBdlHSbamR..铁磁材料只适用于低频,不能用于高频磁场屏蔽,因为高频时铁磁材料中的磁性损耗很大(包括磁滞损耗和涡流损耗)。磁通流过屏蔽体。大部分时,其磁阻很小,所以的铁磁材料做磁屏蔽体导率成反比,因而选用高磁与)可见,由式(越大。越小,则一定时,)可见当由式(为磁导率。式中,RRURmmmmmSlBSHl9262(2-9)2.2.2高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽采用的是低电阻率的良好导体材料,如铜、铝等。原理是利用电磁感应现象壳体表面所产生的涡流产生的反向磁场来达到屏蔽的目的,也就是说,利用了涡流反磁场对于元干扰磁场的排斥作用,来抵消进入屏蔽体的磁场。图2-6为一高频磁场屏蔽。由高频磁场屏蔽的原理可知,屏蔽盒上所产生的涡流的大小将直接影响屏蔽效果。下面通过等效电路来说明影响涡流大小的因素。把屏蔽壳体看成是一匝线圈如图2-7所示。良好导体正确不正确图2-6高频磁场屏蔽LLACRsIIsMU图2-7屏蔽线圈等效电路在高频下,可以认为于是这说明在低频情况下,产生的涡流小,而且涡流与频率成正比。可见这种方法适用于高频情况。LrIISsjwjwMs..则有LrsswIrIsjwMs..2.3电磁屏蔽2.3.1电磁屏蔽原理在交变电磁场中,电场分量和磁场分量总是同时存在的,只是在低频接地范围内,干扰一般发生在近场,此时高压小电流干扰源以电场为主,而低压大电流干扰源则以磁场为主。随着频率增大,电磁辐射能力增强,将产生辐射电磁场,并趋向于远场干扰。远场中的电场和磁场都不能忽略,因而就要对电场和磁场同时屏蔽,即进行电磁屏蔽。电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频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。交变屏蔽的机理:1)感应涡流理论,高频干扰电磁场在中屏蔽体内会产生涡流,涡流产生的磁场对高频干扰电磁场有抵消/削弱的作用。2)电磁场理论,分析电磁屏蔽原理和效能的经典理论。3)传输线理论,它是根据这样一个事实:电磁波在金属屏蔽体中传播的过程与行波在传输线中传播的过程很相似。因此,可用传输线方程来对电磁屏蔽机理做等效分析计算。2.3.4传输理论和屏蔽效能分析实心材料屏蔽能效的计算一般有解释法、图解法、查表法,本章以解释法为主。图2-8实心材料屏蔽能效的计算1.电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗,这种损耗可以分为两部分:反射损耗和吸收损耗。※反射损耗:当电磁波入射到不同媒质的分界面时,就会发生反射,使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面,因此要发生两次反射。因此,电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗的总和。对于电场波而言:第一个界面的反射损耗较大,第二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言,情况正好相反,第一个界面的反射损耗较小,第二个界面的反射损耗较大。※吸收损耗:电磁波在屏蔽材料中传播时,会有一部分能量转换成热量,导致电磁能量损失,损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。※多次反射修正因子:电磁波在屏蔽体的第二个界面(穿出屏蔽体的界面)发生反射后,会再次传输到第一个界面,在第一个界面发射再次反射,而再次到达第二个界面,在这个截面会有一部分能量穿透界面,泄漏到空间。这部分是额外泄漏的,应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子。2.源的位置对屏蔽效能计算的影响如果辐射源在屏蔽机箱的外部(例如,屏蔽是为了机箱内的电路免受外界干扰的影响),则反射损耗和吸收损耗都对屏蔽效能有贡献。如果辐射源在屏蔽机箱内部(例如,屏蔽是为了抑制机箱内的电路辐射),则主要是吸收损耗对屏蔽效能有贡献,因为反射的能量总是在机箱内。377波阻抗E/HrrEH23/1/1,磁场为主rrHE23/1/1,电场为主rHrE/1/1,平面波到观测点距离r0图2-9波阻抗3.波阻抗的概念2/在电磁兼容分析中,经常用到波阻抗这个物理量。电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗,定义如下:ZW=E/H近场和远场:根据观测点到辐射源的距离不同,划分出近场区和远场区两个区域,当距离小于/时,称为近场区,大于/时称为远场区。波阻抗的值近场区中,波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、低电压(辐射源电路的阻抗较低),则产生的电磁波的波阻抗小于377,称为低阻抗波,或磁场波。若辐射源为高电压,小电流(辐射源电路的阻抗较高),则波阻抗大于377,称为高阻抗波,或电场波。在远场区,波阻抗仅与电场波传播介质有关,其数值等于介质的特性阻抗,空气为377。波阻抗的变化在近场区内,特定电场波的波阻抗随距离而变化。如果是电场波,随着距离的增加,波阻抗降低,如果是磁场波,随着距离的增加,波阻抗升高。在远场区,波阻抗保持不变。注意:近场区和远场区的分界面随频率的不同而不同,不是一个定数,这在分析问题时要注意。例如,在考虑机箱的屏蔽时,机箱相对与线路板上的高速时钟信号而言,可能处于远场区,而对于开关电源较低的工作频率而言,可能出于近场区。后面会看到,在近场区设计屏蔽时,要分别考虑电场屏蔽和磁场屏蔽。2.吸收损耗的计算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:E1=E0e-t/H1=H0e-t/电磁波衰减为原始强度的1/e或37%时所传播的距离称为趋肤深度。趋肤深度的计算公式为:=0.066/(frr)1/2mm,f的单位为MHz,常用金属的趋肤深度如下(单位为毫米):频率铜铝钢金属100Hz6.68.380.660.481kHz2.082.670.200.0810kHz0.660.890.761MHz0.080.080.00810MHz0.020.0250.0025从吸收损耗的公式可以得出以下结论:◇屏蔽材料越厚,吸收损耗越大,厚度每增加一个趋肤深度,吸收损耗增加约9dB;◇屏蔽材料的磁导率越高,吸收损耗越大;◇屏蔽材料的电导率越高,吸收损耗越大;◇被屏蔽电磁波的频率越高,吸收损耗越大。3.反射损耗反射损耗与电磁波的波阻抗Zw和屏蔽材料的特征阻抗Zs有关。一般表达式为:R=lg(Zw/4Zs)dB从式中可以看出,对于特定的屏蔽材料(Zs一定),被屏蔽的电磁波的波阻抗越高,则反射损耗越大;对于确定的电磁波(Zw一定),屏蔽材料的阻抗越低,则反射损耗越大。屏蔽材料的阻抗计算方法为:Zs=3.68×10-7(fr/r)1/2f=入射电磁波的频率(Hz),r=相对磁导率,r=相对电导率。在远场:电磁波的波阻抗为377。在近场:电场波和磁场波的波阻抗是不同的,因此做近场屏蔽时,
本文标题:电磁屏蔽技术大全
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