电磁屏蔽基本原理介绍

在电子设备及电子产品中，电磁干扰（ElectromagneticInterference）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下，其重要性就显得更为突出。屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（ShieldingEffectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强1（1）和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强2（2）之比，用dB（分贝）表示。图1屏蔽效能定义示意图屏蔽效能表达式为(dB)或（dB）工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成(图2)。因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。图2两类基本源在空间所产生的叠加场远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r（场点至源点的距离）的变化而确定的，为远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。表1两类源的场与传播特性场源类型近场（）远场()场特性传播特性场特性传播特性电偶极子非平面波以衰减平面波以衰减磁偶极子非平面波以衰减平面波以衰减波阻抗为空间某点电场强度与磁场强度之比，场源不同、远近场不同，则波阻抗也有所不同，表2与图3分别用图表给出了的波阻抗特性。表2两类源的波阻抗场源类型波阻抗（Ω）近场（）远场（）电偶极子120π120π磁偶极子120π120π能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度，通过对由同一场源所产生的电场、磁场分量的能量密度进行比较，可以确定场源在不同区域内何种分量占主要成份，以便确定具体的屏蔽分类。能量密度的表达式由下列公式给出:电场分量能量密度磁场分量能量密度场源总能量密度表3两类源的能量密度场源类型能量密度比较近场（）远场（）电偶极子磁偶极子表3给出了两种场源在远、近场的能量密度。从表中可以看出，两类源的近场有很大的区别，电偶极子的近场能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子的近场能量主要为磁场分量，可忽略电场分量；两类源在远场时，电场、磁场分量均必须同时考虑。屏蔽类型依据上述分析可以进行以下分类：表4屏蔽分类场源类型近场（）远场（）电偶极子（非闭合载流导线）电屏蔽（包括静电屏蔽）电磁屏蔽磁偶极子（闭合载流导线）磁屏蔽（包括恒定磁场屏蔽）电磁屏蔽电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表5所示：表5泄漏耦合结构与控制要素屏蔽类型磁屏蔽电屏蔽电磁屏蔽频率范围10kHz~500kHz1MHz~500MHz500MHz~40GHz泄漏耦合结构屏蔽体壳体屏蔽体壳体及接地孔缝及接地控制要素合理选择壳体材料合理选择壳体材料，良好接地抑制孔缝泄漏，良好接地实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构（n个），设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能（如只考虑接缝）为SEi（i=1,2,…，n），则屏蔽体总的屏蔽效能由上式可以看出，屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的，即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。因此进行屏蔽设计时，明确不同频段的泄漏耦合结构，确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键，成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。图4典型机柜结构示意图根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。两者皆大，则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。图4所示为一典型机柜示意图，上面的孔缝主要分为四类：●机箱（机柜）接缝该类缝虽然面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却非常大，由于维修、开启等限制，致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝，采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。●通风孔该类孔面积和最大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。在满足通风性能的条件下，应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。●观察孔与显示孔该类型孔面积和最大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。●连接器与机箱接缝这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。综上所述，孔缝抑制的设计要点归纳为：●合理选择屏蔽材料；●合理设计安装互连结构。电磁屏蔽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。1选择屏蔽材料屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强E1与有屏蔽时该位置的场强E2的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。用于电磁兼容目的的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屏蔽效能，这时屏蔽效能的定义公式为：SE=20lg(E1/E2)(dB)用这个定义式只能测试屏蔽材料的屏蔽效能，而无法确定应该使用什么材料做屏蔽体。要确定使用什么材料制造屏蔽体，需要知道材料的屏蔽效能与材料的什么特性参数有关。工程中实用的表征材料屏蔽效能的公式为：SE=A+R(dB)式中的A称为屏蔽材料的吸收损耗，是电磁波在屏蔽材料中传播时发生的，计算公式为：A=3.34t（fμrσr）(dB)t=材料的厚度，μr=材料的磁导率，σr=材料的电导率，对于特定的材料，这些都是已知的。f=被屏蔽电磁波的频率。式中的R称为屏蔽材料的反射损耗，是当电磁波入射到不同媒质的分界面时发生的，计算公式为：R=20lg（ZW/ZS）(dB)式中，Zw=电磁波的波阻抗，Zs=屏蔽材料的特性阻抗。电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值：Zw=E/H。在距离辐射源较近（λ/2π，称为近场区）时，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。关于近场区内波阻抗的具体计算公式本文不予论述，以免冲淡主题，感兴趣的读者可以参考有关电磁场方面的参考书。当距离辐射源较远（λ/2π，称为远场区）时，波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377Ω。屏蔽材料的阻抗计算方法为：｜ZS｜=3.68×10-7(fμr/σr)(Ω)f=入射电磁波的频率(Hz），μr=相对磁导率，σr=相对电导率从上面几个公式，就可以计算出各种屏蔽材料的屏蔽效能了，为了方便设计，下面给出一些定性的结论。●在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场波和磁场波的情况；●屏蔽电场波时，使用导电性好的材料，屏蔽磁场波时，使用导磁性好的材料；●同一种屏蔽材料，对于不同的电磁波，屏蔽效能使不同的，对电场波的屏蔽效能最高，对磁场波的屏蔽效能最低，也就是说，电场波最容易屏蔽，磁场波最难屏蔽；●一般情况下，材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高；●屏蔽电场波时，屏蔽体尽量靠近辐射源，屏蔽磁场源时，屏蔽体尽量远离磁场源；有一种情况需要特别注意，这就是1kHz以下的磁场波。这种磁场波一般由大电流辐射源产生，例如，传输大电流的电力线，大功率的变压器等。对于这种频率很低的磁场，只能采用高导磁率的材料进行屏蔽，常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金。2孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际中，常见的情况是金属做成的屏蔽体，并没有这么高的屏蔽效能，甚至几乎没有屏蔽效能。这是因为许多设计人员没有了解电磁屏蔽的关键。首先，需要了解的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。这与静电场的屏蔽不同，在静电中，只要将屏蔽体接地，就能够有效地屏蔽静电场。而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是必须明确的。电磁屏蔽的关键点有两个，一个是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。另一点是不能有穿过机箱的导体。对于一个实际的机箱，这两点实现起来都非常困难。首先，一个实用的机箱上会有很多孔洞和孔缝：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机箱的其他性能（美观、可维性、可靠性）。其次，机箱上总是会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆。这些电缆会极大地危害屏蔽体，使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝。妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大）。当电磁波入射到一个孔洞时，其作用相当于一个偶极天线（图1），当孔洞的长度达到λ/2时，其辐射效率最高（与孔洞的宽度无关），也就是说，它可以将激励孔洞的全部能量辐射出去。对于一个厚度为0材料上的孔洞，在远场区中，最坏情况下（造成最大泄漏的极化方向）的屏蔽效能（实际情况下屏蔽效能可能会更大一些）计算公式为：SE=100-20lgL-20lgf+20lg[1+2.3lg(L/H)](dB)若L≥λ/2，SE=0(dB)式中各量：L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm），f=入射电磁波的频率（MHz）。在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关。当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能高），而当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏比远场时要大（屏蔽效能低）。近场区，孔洞的电磁屏蔽计算公式为：若ZC（7.9/D·f）：SE=48+20lgZC-20lgL·f+20lg[1+2.3lg(L/H)]若Zc（7.9/D·f）：SE=20lg[(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H)]式中：Zc=辐射源电路的阻抗（Ω），D=孔洞到辐射源的距离（m），L、H=孔洞长、宽（mm），f=电磁波的频率（MHz）说明：●在第二个公式中，屏蔽效能与电磁波的频率没有关系。●大多数情况下，电路满足第一个公式的条件，这时的屏蔽效能大于第二中条件下的屏蔽效能。●第二个条件中，假设辐射源是纯磁场源，因此可以认为是一