电磁屏蔽技术讲义

1、现代电磁屏蔽设计技术电磁屏蔽技术是电磁兼容技术的一个重要组成部分，是抑制辐射干扰的最有效手段。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。本章将从工程设计人员的角度出发，本着“设备所要满足的标准屏蔽设计所要达到的屏效指标屏蔽原理及分类屏蔽要素及控制屏效指标确定屏蔽设计方法屏蔽材料特性及应用工程屏蔽设计”的思路，并尽量结合工程实例，来讲述现代电磁屏蔽设计技术。1、 电磁辐射相关标准与所要求的屏效1.1 军用标准及所要求的屏效衡量设备是否达到电磁兼容的要求，其主要手段是确定设备是否满足相应的

2、电磁兼容标准。与电磁辐射发射与敏感度相关的军用电磁兼容标准为：gjb151a(151)/152a(152) 97(86) 军用分系统或设备电磁发射与敏感度要求（测试方法） 。根据军方的要求， 98 年以后新签的装备按 gjb151a/152a 执行， 98 以前签订的装备按 gjb151/152 执行。gjb151a/152a 在 gjb151/152 的基础上，等效采用了mil std 461d/462d ，与 gjb151/152 相比，在测试项目、频率范围、测试环境、测试方法等方面均发生了较大的变化。表 1.1 给出了 gjb151a/152a与 gjb151/152 的比较。 两个标准

3、中， 与屏蔽有直接关系的测试项目如表1.2 所示，表1.3 给出的 gjb151a 的测试要求。表 1.1 gjb 151a,152a与 gjb151 ，152 之比较gjb151,152gjb151a,152a备注要 求说明要 求说 明ce0125hz-15khz 电源线和互连线的传导发射ce10125hz-10khz 电源线传导发射， 120-76db a ；潜艇： 95-76 db ace030.015-50mhz 电源线和互连线传导发射ce10210khz-10mhz电源线传导发射，94-60db a ；利用 50 hlisnce0610khz-26ghz 天线端子的传导发射ce106

4、10khz-40mhz 天线端子传导发射，-80db ，接收机： 34db vce07电源线尖峰信号 (时域 )的传导发射ce107电源线尖峰信号( 时域 ) 的传导发射，交流，50%；交流 +50%， -150%cs0125hz-50khz 电源线的传导敏感度cs10125hz-50khz 电源线传导敏感， 2 或 7v，80w通过 0.5负载cs020.05-400mhz 电源线的传导敏感度取消cs0315khz-10ghz 互调制 ( 双信号 )cs10315khz-10ghz 天线端子互调传导敏感度， 由产品规范规定cs0425hz-20ghz 无用信号的抑制cs10425hz-20g

5、hz 天线端子无用信号抑制传导敏感度，由产品规范规定cs0525hz-20ghz 交叉调制cs10525hz-20ghz 天线端子交调传导敏感度，由产品规范规定cs06cs106电源 线 尖峰 信 号传 导 敏感 度 e=100-400v，电源线尖峰信号的传导敏感度t=0.15-10 s保留cs07静噪抑制线路的传导敏感度取消1cs0950hz-100khz 壳体电流的传导敏感度cs10950hz-100khz 壳体电流传导敏感度， 120-60db acs11410khz-400mhz 电 缆 束 注 入 传 导 敏 感 度 ，40-110db a, 集束注入cs115电缆束注入脉冲激励传导

6、敏感度，tr=2ns ，td=30ns，prf=30hz,5acs11610khz-100mhz 电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度， 0.1-5are0125hz-50khz 磁场辐射发射re10125hz-100khz 磁场辐射发射， 180-110dbpt ，7cm或 146-76dbpt，50cmre0214khz-10ghz 电场辐射发射re10210khz-18ghz电 场 辐 射 发 射 ， 2-100mhz ；62-24db v/m ； 18ghz ，69db vre03谐波和乱真辐射发射re10310khz-40ghz天线谐波和乱真输出辐射发射，80dbrs0125hz-50

7、khz 磁场辐射敏感度rs10125hz-100khz 磁场辐射敏感度， 175-90dbptrs02尖峰信号和电源频率的磁感应场辐射敏感度rs0314khz-40ghz 电场辐射敏感发射rs10310khz-40ghz 电场辐射敏感度， 5-200v/m ，1khz方波调制rs105瞬变电磁场辐射敏感度， 可用 gtem ，tem cellum03战术和专用车辆及机动设备辐射发射油机发电机及相应的附件，不间断的供电设um04备及移动式电源的传导发射，辐射发射及敏感度um05民用电气及机电设备的传导和辐射发射um06民用汽车新增新增新增取消新增取消取消取消取消表 1.2gjb151a/152a

8、re101re102rs101rs103rs105gjb151/152re01re02rs01rs02rs03从表 1.3 中可以看出，re102和 rs103是各类设备必做的测试项目，(re02 和 rs03也是 gjb151 所要求必做的测试项目 ) 。在实际工程中， re02(re102)是最难通过的项目，我们以要求最高的陆军用设备的re02(re102)为例子说明其屏效的指标要求。表 1.3 gjb151a要求矩阵安装在平台或装置潜陆军飞机空军空间系统陆军海军空军水面海军内的或从平台或装( 含航线( 含运载置发射的设备和分保障设艇飞机火箭 )地面地面地面舰船飞机系统备 )2ce101a

9、aalce102aaaaaaaaace106lllllllllce107sss要cs101aaaaaaaaacs103sssssssss求cs104sssssssss项cs105ssssssssscs106sssssssss目cs109l适cs114aaaaaaaaacs115aaaall用cs116aalaaalaa性re101aaalre102aaaaaaaaare103lllllllllrs101aaalllrs103aaaaaaaaars105lllll表中， a 表示该要求适用；l 表示该项要求应按标准相应条款加以限制；s 表示由订购单位在订购规范中对适用性和极限要求作详细规定；空白

10、栏表示该项要求不适用。图 1.1根据电磁屏蔽定义，屏蔽效能（se）可表示为se = 设备的预期（实际）发射极限值（ 1.1）se = 敏感度极限值设备预期（实际）的干扰响应阈值（ 1.2）通过分析或实测设备的发射量（阈值），就可根据所需满足的标准，确定设备所需达到的屏蔽效能。值得说明的是 （1.1）式表示对于干扰源的抑制屏蔽效能，（ 1.2）式表示对于受干扰设备抗干扰的屏蔽效能。显然，要准确确定屏效，就需要对具体的设备、典型电路进行认真分析才可达到目的。通过采用 emcad（ electromagnetic compatibility analysis and design ）软件，以最为常见

11、的计算机以及典型的发射机为例，可以确定所需的屏蔽效能。表 1.4计算机外设等设备与器件满足gjb151 所需的屏效10khz30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz3电路至至至至至至至至至至至至30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz10ghzcrt 显示器（视频）8089 db8089db7079db5059 db3039 db-100 db6069 db5059 db4049 db3039 db2029 db09 db-100 dbcrt 显示器（水平

12、同步）led 显示器等离子体显示器微处理器（ z-80）微处理器（ 1802）微处理器（ 2900）1019 db1019 db1019 db1019 db1019 db09 db09 db-100 db1019 db1019 db1019 db1019 db1019 db2029 db1019 db09 db09 db6069 db6069 db5059 db5059 db4049 db2029 db-100 db6069 db6069 db6069 db5059 db4049 db1019 db-100 db7079 db7079 db6069 db4049 db3039 db-100 d

13、b内存（ 100-200 纳秒存取）内存（ 200-500 纳秒存取）内存（ 500-700 纳秒存取）7079 db7079 db6069 db4049 db2029 db-100 db6069 db6069 db6069 db5059 db3039 db09 db6069 db6069 db6069 db5059 db4049 db09 db-100 db磁盘（软）磁盘（硬）开关功率电源（ 10-20khz）开关功率电源（ 20-50khz）开关功率电源（ 50-100khz）5059 db5059 db4049 db4049 db4049 db1019 db-100 db5059 db5

14、059 db5059 db5059 db5059 db3039 db09 db5059 db5059 db5059 db5059 db5059 db4049 db3039 db2029 db-100 db5059 db5059 db5059 db5059 db5059 db5059 db3039 db2029 db09 db6069 db6069 db5059 db5059 db5059 db3039 db2029 db09 db打印机（打印头）7079 db7079 db6069 db6069 db5059 db4049 db2029 db1019 db4049 db4049 db3039

15、db3039 db2029 db1019 db-100 db打印机（托架）互连电缆（ 500khz ）5059 db5059 db5059 db4049 db4049 db2029 db09 db4049 db5059 db5059 db4049 db2029 db-100 db互连电缆（ 5mhz ）表 1.5发射机满足gjb151 辐射发射要求所需的屏效10khz30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz功率等级至至至至至至至至至至至至30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300

16、mhz1ghz3ghz10ghz1 瓦3039 db3039 db4049 db5059 db6069 db6069 db7079 db7079 db7079 db6069 db5059 db5059 db10 瓦4049 db4049 db5059 db6069 db7079 db7079 db8089 db8089 db8089 db7079 db6069 db6069 db100 瓦5059 db5059 db6069 db7079 db8089 db8089 db9099 db9099 db9099 db8089 db7079 db7079 db500 瓦5059 db6069 db7

17、079 db8089 db8089 db9099 db100109 db9099 db9099 db9099 db8089 db7079 db1 千瓦6069 db6069 db7079 db8089 db9099 db9099 db100109 db100109 db100109 db9099 db8089 db8089 db2 千瓦6069 db7079 db7079 db8089 db9099 db100109 db100109 db100109 db100109 db100109 db9099 db8089 db5 千瓦6069 db7079 db8089 db9099 db9099

18、db100109 db110119 db100109 db100109 db100109 db9099 db8089 db10 千瓦50 千瓦7079 db7079 db8089 db9099 db100109 db100109 db110119 db110119 db110119 db100109 db9099 db9099 db7079 db8089 db9099 db100109 db100109 db110119 db120129 db110119 db110119 db110119 db100109 db9099 db表 1.6敏感电路及接收机满足gjb151 辐射敏感度所需的屏效1

19、0khz30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz电路至至至至至至至至至至至至30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz10ghz逻辑电路， ttl逻辑电路， coms-100 db09 db09 db09 db09 db09 db-100 db逻辑电路， lsttl-100 db09 db4049 db4049 db3039 db2029 db1019 db4逻辑电路， sttl-100 db09 db1019 db1019 db1019 db1019 db

20、1019 db09 db09 db逻辑电路， ecl-100 db09 db1019 db2029 db2029 db2029 db2029 db2029 db1019 db09 db模拟增益带宽 =1mhz-100 db09 db1019 db2029 db2029 db2029 db2029 db2029 db2029 db1019 db09 db09 db模拟增益带宽 =10mhz-100 db09 db1019 db2029 db3039 db4049 db4049 db4049 db4049 db3039 db2029 db1019 db模拟增益带宽 =100mhz-100 db09

21、 db1019 db2029 db3039 db4049 db5059 db7079 db7079 db5059 db5059 db4049 db接收机10 微伏敏感度3039 db4049 db5059 db6069 db7079 db8079 db9089 db100109 db100109 db100109 db 100109 db100109 db接收机1 微伏敏感度4049 db5059 db6069 db7079 db8089 db9089 db100109 db110119 db110119 db110119 db 110119 db110119 db接收机0.1 微伏敏感度50

22、59 db6069 db7079 db8089 db9099 db100109 db110119 db 120129 db120129 db120129 db 120129 db120129 db从表中可以看出，对于发射机以及灵敏的接收机，其屏效在大多数频率范围内，均要达到80db 以上。1.2 民用标准及所要求的屏效en55022、fcc 以及 vde0871 是比较著名的电磁骚扰 （ emi ）标准，iec61000-4 是电磁抗扰度 （ems ）的标准。图 1.2 给出了上述三个电磁骚扰标准的极限值。与军用标准的论述相类似，下列表格给出了同类设备所需的屏效。图 1.2表 1.7 计算机外

23、设等设备与器件满足vde 0871 所需的屏效10khz30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz电路至至至至至至至至至至至至30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz10ghzcrt 显示器（视频）3039db3039db1019 db09 db-100 db-100 db-100 dbcrt 显示器（水平同步）led 显示器等离子体显示器微处理器（ z-80 ）微处理器（ 1802）-100 db-100 db-100 db-100 db-100 db09

24、 db1019 db1019 db1019 db-100 db2029 db2029 db2029 db1019 db09 db2029 db2029 db2029 db2029 db2029 db1019 db-100 db微处理器（ 2900）内存（ 100-200 纳秒存取）内存（ 200-500 纳秒存取）2029 db2029 db2029 db2029 db09 db2029 db2029 db2029 db1019 db1019db1019 db1019 db1019 db09 db内存（ 500-700 纳秒存取）磁盘（软）磁盘（硬）09 db09 db09 db09 db09

25、 db1019 db1019 db1019 db1019 db1019 db-100 db5开关功率电源（ 10-20khz）开关功率电源（ 20-50khz）开关功率电源（ 50-100khz）-100 db-100 db09 db09 db09 db-100 db-100 db-100 db1019 db1019 db1019 db09 db09 db09 db09 db1019 db1019 db1019 db1019 db1019 db09 db09 db打印机（打印头）打印机（托架）09 db09 db1019 db1019 db1019 db09 db-100 db互连电缆（ 50

26、0khz ）互连电缆（ 5mhz ）09 db09 db09 db09 db09 db2029 db2029 db2029 db09 db表 1.8敏感电路及接收机满足mds-201 辐射敏感度所需的屏效10khz30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz电路至至至至至至至至至至至至30khz100khz300khz1mhz3mhz10mhz30mhz100mhz300mhz1ghz3ghz10ghz逻辑电路， ttl逻辑电路， coms1019 db 1019 db09 db-100 db逻辑电路， lsttl-100 db

27、逻辑电路， sttl逻辑电路， ecl模拟增益带宽 =1mhz模拟增益带宽 =10mhz模拟增益带宽 =100mhz-100 db-100 db-100 db-100 db09 db09 db1019 db1019 db09 db-100 db-100 db09 db1019 db3039 db3039 db3039 db2029 db1019 db接收机 10 微伏敏感度接收机 1 微伏敏感度接收机 0.1 微伏敏感度3039 db4049 db5059 db6069 db6069 db7079 db7079 db7079 db4049 db5059 db6069 db7079 db7079

28、 db8089 db8089 db8089 db5059 db6069 db7079 db8089 db8089 db9099 db9099 db9099 db与表 1.4、表 1.6 的对比可以看出，军用及民用标准对于屏蔽效能的差别大致在3040db 。通过大量的实例测试， 也可证明上述分析是正确的。 因此可以对满足不同标准的设备所需的屏蔽效能，给出下列规律：民用设备： 3565 db军用设备： 60100 db明确了所需的屏蔽效能，就可以确定具体的屏蔽结构以及选取所需的屏蔽材料。2、 屏蔽分类与屏蔽原理屏蔽是用导电或导磁材料制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体，将电磁能限制在一定空间范围

29、内的抑制辐射干扰的一种有效措施。由于辐射干扰在各个频段均可能发生，而各频段的屏蔽原理却各不相同，因而有必要先对屏蔽加以分类。2.1 屏蔽分类工程中，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；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 2.1)。因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行讨论，就可得出实际辐射源的远、近场及波阻抗的概念，及远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。6i 2i 3i 1i2i 3i 4r335i 112r34r24

30、i5rr5r1r2r1i4r5p4rp(a) 非闭合载流导线辐射源在 p点(b) 闭合载流导线辐射源在 p点产生的电磁场产生的电磁场图 2.12.1.1 两个基本源的电磁场由电磁场理论，可得电偶极子和磁偶极子的场分布（由于篇幅所限，未列出具体表达式）。（ 1）远近场的区分电偶极子和磁偶极子的场分布表达式是1r 的函数（ r 是场点到源点的距离） ，计算比较复杂，为简化计算，取 r为远近场的分界点，r为近场， r为远场。222根据定义，可得电偶极子和磁偶极子在近场及远场的波阻抗。(2) 电偶极子的近场波阻抗模值zwe120(2.1)2r当 r 时， zwe 377 。所以电偶极子在近场的波阻抗为

31、高阻抗。2(3) 磁偶极子的近场波阻抗2r其模值zwe 120(2.2)当 r 时， zwe 377。所以磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗。2(4) 电偶极子和磁偶极子在远场的波阻抗zwh=zwe=120 =377(2.3)图 2.2 给出了两种源的波阻抗模值与场源距离及场源特性的关系。由于空间某点的场特性取决于场源性质和该点与场源间的距离，对于不同场源，不同区域，各种场分量的作用是不相同的。因此为了确定主要因素，简化计算，有必要对其进行能量分析。根据电磁场理论，能量密度表达式为we1 e d(2.4)2wh1 h b(2.5)27(5) 电偶极子的近场能量密度将电偶极子近场的电场、磁场分量分别

32、代入(2.4)、 (2.5)式，可得10k10k3k3k1k1k0300100100303010101234 5 7123图2.2空气波阻抗的模值与场点至源点的距离、场源特性的关系w e w h(2.6)这说明电偶极子的近场主要为电场分量，可以忽略磁场分量。(6) 磁偶极子的近场能量密度将磁偶极子的电场，磁场分量分别代入(2.4)、 (2.5)式，可得w h w e(2.7)这说明磁偶极子的近场主要为磁场分量，可以忽略电场分量。(7) 电偶极子和磁偶极子的远场能量密度将两种偶极子运场的电场、磁场分量分别代入(2.4)、(2.5) 式，可得w e=w h(2.8)这说明在两者的远区场中，电场和磁

33、场分量分量均起非常重要的作用。通过上面的波阻抗和能量分析，可以看出两类源在近场的差别较大，因此又可根据其波阻抗和能量的性质，将上述两种源称为高阻抗电场源和低阴抗磁场源。2.1.2 屏蔽分类从前面的分析得知，对于不同场源，其电场分量和磁场分量总是同时存在的，只是在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时，干扰趋于远场，此时其电场分量和磁场分量均不可忽略。对于上述三种情况的屏蔽分别称为：电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。静电屏蔽和恒定磁场的屏蔽是电屏蔽和磁屏蔽的特例。2.2 屏蔽原理如前所述，不同的辐射干扰源在不同的区域 (不同

34、频率 )，所形成的干扰场性质是不同的，因而屏蔽原理也不相同。2.2.1 电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，它包括静电屏蔽和对高阻抗电场源的近区场即低频时变电场的屏蔽两部分内容。(1) 静电屏蔽根据电磁场理论，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，内部没有定向运动的电荷流，因此导体中的电场强度必然为零(外加静电场与在导体上的感应电场的矢量和为零)。另有导体的场方程：8e0n e0(2.9)snes0方程表明，导体表面一定存在电荷，电力线起始于正电荷而终止于负电荷，电力线垂直于导体表面。静电屏蔽正是利用导体在静电场中的性质，来达到屏蔽目的。如图 2.3

35、 所示，屏蔽体内侧感应出等量的负电荷，外侧感应出等量的正电荷。从图(b)可看出，仅用屏蔽体将静电场源包围起来，实际上起不到屏蔽的作用，只有将屏蔽体接地 (图 c)时，才能将静电场源所产生的电力线（ a）（ b）（c）封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到屏蔽的作用。(2) 低频电场的屏蔽对于低频电场的屏蔽原理， 采用电路理论加以解释较为方便。因为干扰源与感受器之间的电场感应可用分布电容来进行描述。设干扰源 g 上有一交变电压 v g，在其附近有一受感器 s 通过阻抗 zs 接地，干扰源 g 对受感器 s的电场感应作用等效为分布电容 cj，从而形成了由 v g、 cj、 zg 和 z s 构成的回

36、路 (图 5.15)，在受感gsgs sevszgzsvg器上产生的干扰v s 为：vsj c j z sz s ) v g(2.10)1 j c j ( z g从式中可以看出分布电容js大 ) 。为c 越大，则受感器受到的干扰越大 (vc j了减小干扰，可在布局时使干扰源与受感器尽量远离，当无法满足要求时，则要采用屏蔽。为了减少 g 对 s 的干扰， 在两者之间如图 2.5加入屏蔽体， 使得原来的gcscj 变为 c j、 c j、c j 。由于 c j 较小，故可以忽略，jc jzgvjzs v s受感器上被感应的电压vgz jvsj c j z jj c j z s(2.11)1 j c j (z gz j ) 1 j c j (z jzs )从上面两式可以看出，要使v s 比较小，则 zj应比较小，而 zj 为屏蔽体的阻抗zm 和接地阻抗 z c 之和。这一事实表明，屏蔽体必须选用导电性能好的材料，必须接地。只有这样才能有效的减少干扰。一般情况下，要求接地的接触阻抗小于2m ，比较严格的场合要求小于0.5m。若屏蔽体不接地或接地不良，则c jc j (c 与两极板间距成反比，与极板面积成正比)，这将导致加屏蔽体后，干扰变得更大