简述电场、磁场、电磁场的屏蔽原理及屏蔽要点

1、Maintained Experience1994-2008 China Academic Journal Electrons Publishing House. All rights reserved, tmpwwwxrid.nct1994-2008 China Academic Journal Electrons Publishing House. All rights reserved, tmpwwwxrid.nct【关竇词】电场干扰 屏蔽现代社会中，随着各种电子设备的广泛应用， 给我们的生活和工作带来了惬意与便捷。但电子设 备工作时有意、无意的电磁辐射及其间的相互干扰 也带给了我们无尽

2、的烦恼。如何防止电子设备受到 干扰，又能同时阻止其产生干扰，正得到我们越来 越多地关注和正视。本文通过对电场、磁场、电磁 场屏蔽原理的简要介绍，有助于明确屏蔽的概念及 其内涵所在，以求更有利于设备的优化配置和正常 有效的工作。再鵬I瀚墓奉擁念屏箴就是用导电或导磁材料制成的盒、壳、 板、栅等结构形式，将电磁千扰场限制在一定的空 间范围内，使干扰场经过屏蔽体时受到很大衰减, 从而抑制电磁干扰源对相关设备或空间的干扰。屏蔽是抑制电確干扰源的有力措施之一。从屏 蔽的侧章范围可大体分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁场 屛蔽三种：(1) 电屛蔽，即对静电或电场的屏蔽，防止 或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。(

3、2) 磁屏蔽，即磁场屏蔽。用于防止磁感应， 抑制寄生电感耦合，隔离礒场T扰。(3) 电磁场屏蔽，用于防止和抑制高频电磁琴广录 国家厂电总局554台场(电磁波)的屏蔽。屏蔽效能，即：屏蔽前后空间某点的电(磁) 场强度之比，常用分贝数表示。2电丽K从场的观点看，电屏蔽实质是干扰源发出的电 力线被终止于屏蔽体，切断易感受器与干扰源的联 系；从电路的观点看，屏蔽体起着避免或减少干扰 源与感受器之间分布电容的耦合作用。2.1静电屏蔽静电干扰分为静电场感应作用和静磁场耦合作 用。当某电子元器件或电路上具有电荷时，在其空 间就会产生电场；当这些电荷流动时，在其周围空 间还同时产生磁场。这种电场和磁场作用到其

4、周围 邻近的电路或元件时就将产生感应电流和电压，这 些感应电流和电压又反过来影响原来电路或元件中 的电流或电压。在用电设备中通过电场和磁场产生 的寄生感应干扰，统称为静电干扰。静电干扰可通过静电屏蔽来抑制。设导体A带有正电荷，则其邻近导体B将由 于静电感应而带负电荷，如图1 (a)o如图1 (b),如果将导体A屏蔽，屏蔽体外 侧将感应岀与A等址的正电荷，导体A不直接影 响导体B,但导体B同样因屏蔽体的电场感应而1994-2008 China Academic Journal Electrons Publishing House. All rights reserved, tmpwwwxrid.

5、nct经吸交流Maintained Experience1W4-200SJ China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttpv'图1静电场的屏蔽原理示意图1W4-200SJ China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttpv'此时的感应电压可表示为:带负电，电力线复杂。导体B如何才能避免导体A的静电干扰呢？ 如图（c）,将屏蔽体接地，消除屏蔽体的外电场， 导体B才能免受导体A的

6、静电干扰。可见，将屏蔽体良好接地是防止静电干扰的关 键，接地电阻愈低愈好。2.2近场电屏蔽：|1 ：=近场电屏蔽的一神扌法就是在感应源与受感器 之间加一接地良好的金属板，把感应源的寄生电容 短接到地，通过抑制寄生电容耦合，达到电场屏蔽 的目的。电场耦合示例如图2,设导体g为感应源（现 g上有高频电压Eg）,导体s为g近电场的受感器。此时Us可表示为:在金属板接地住好的条件下.Cl、C2的影响 可略未不计，此时主要是匕、s之间迂回金属板的 电力线所形戍的分布电容C'”造成的耦合。若金属 板定够大，则C,将趋于零，Us也将趋于零，即 金属板屏蔽了 g的电场对s的影响。金属板越是靠近s, C

7、2将越大，Us将越小， 故屏蔽体要尽屋靠近被屏蔽体。如吳屏蔽体不接地或接地不好，则情况又发生（C3值很小，可1W4-200SJ China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttpv'设s与地之间分布电容为Cs, g与s之间分布 电容为Cgs,则s受g的影响而产生的感应电压Us 可近似为（在Eg频率很高时）：不考虑）C1C2Us =CI+C2C1C2CL+C21W4-200SJ China Academic Journal Electronic Publishing House. All

8、rights reservedhttpv'S距离g越远，Cgs将越小，Us也将越小。也 可通过加大Cs的方法来减小Us。现在g、S间距离一定，可在g、S间加一块接 地良好的金属板，减小g、s间的电容耦合Cgs, 以减小Us,如图3。式口昌島 可视为浜s之间的耦合电容个屛 大于图2中的Cq。显然，金属板不仅未能起到屏 蔽作用，反而增大了 g、s之间的耦合。可见，屏 蔽体的良好接地非常的重要，接地电阻常要求在 1Q以下。电场屏蔽可使用任何金属，对金属的厚度及其 导电率元特殊要求。电路中最常见的电场屏蔽是导 线屏蔽，當用接地良好的编织线作为屏蔽层将导线 包围起兴，能保护线路避免外部电场干扰，

9、同时防 止导线忑身产生的电力线向外泄漏。 9 * 磁场屏藏可分低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两 类。任何载流导体或线圈周围都会产生磁场，磁场 随导体电流的变化而变化，这种变化的磁场常对周 围的电子线路或敏感器件造成干扰。电子线路中常 存在有环形右线（如线圈、信号环路等），强信号 环路易形成磁场发射，弱信号环路则更易受周围交 变磁场的干扰。3.1低频磁场的屏蔽原理对于低频磁场（含恒定磁场），其屏蔽体的屏 蔽效能远不如电屏蔽和电磁屏蔽。当憑场频率低亍 100kHz时，屏蔽措施主耍有朝于髙磁野率材料所 起到的磁分路作用，利用铁氧体材料（如铁、硅钢 片、坡莫合金等）的為碱导率特性对干扰磁场进行 磁场分路，

10、涡流在其中所起到的屏蔽作用很小。电场有电力线，磁场有磁力线，磁力线通过的 路径称为磁路。磁路与电路有类似的特征。磁路具 有磁阻，磁阻与磁路的长短、磁路的截面积及相对 磁导系数（相对磁导率：金属的磁导率与空气的磁 导率之比）有关。磁导率越大，磁阻就越小，磁通 主要选择通过高磁导率材料。如果磁场中存在高磁 导率的磁场通路，则磁通相对通过周围空气的部分 就大为减小，使得周围空间的磁场干扰也同时大为 减少，客观上起到了磁场屏蔽作用。如图5所示， 屏蔽体c由高磁导材料构成，屏蔽了A的磁场对 B的干扰。图5磁场屏裁示意图高磁导材料（如铁镖合金等）的磁导率会随外 加磁场强度的变化而变。当外加磁场强度较低时，

11、 磁导率会随磁场强度的增加而升高，而当外加的磁 场强度超过某限值时，磁导率将会急剧下降，称此 时磁导材料发生了磁导饱和，也意味着该材料同时 失去了磁屏蔽性能。磁导率越高，越容易饱和，所 以选择具有足够磁导率和饱和特性的磁导材料是低频磁场屏蔽的关键。图6交叉扭绞布线减小磁场干扰作为导线的磁场屏蔽常见形式，交叉扭绞布线 和双绞线是利用其特殊结构实现磁场屏蔽的典型例 子，如图6示。图6 （a）为某信号环路，中间的 连接导线是构成此环路的主要那分。当环路内有交 变磁场存在时，必将产生缪鱼电弟而对信号造成干 扰；当此电路属于强信号込路讨，又会在其周围产 壬强的扰磁场。为抑制此种情况的出现，可通过 改蛮导

12、线的布线结构，如图6 （b）所示，将单一 环路分成两个面积相等的交叉回路，使得外部干扰 磁场产生的感应电势和伴生的感应电流方向正好相 反，在负载上正好相互抵消。该环路对外界的干扰 也同时大大减小，起到了磁场屏蔽的目的。根据以上分析，电源线或信号线的连接导线常 扭绞成双绞线，俗称麻花线，具有很好的抗干扰能 力和抑制其对外界干扰的能力，非常适用于干扰 频率低于100kHz的磁场屏蔽。如果将双绞线再外 加金厲编制网还可同时克服其易静电感应的缺点， 屏蔽效果更好。3.2高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽原理是屏蔽体利用电磁感应现 象所产生的涡流反磁场对原干扰磁场的排斥作用来 达到屏蔽目的的。屏蔽体材料采用的

13、是低电阻率的 良好导体，如铜、铜镀银等。由法拉第电磁感应定律，闭合回路产生的感应 电动势等于穿过该回路的礒通量的变化率。感应电 势伴生感应电流，感应电流产生的磁通要阻碍原来 磁通的变化，与原来的磁通方向相反，即反磁场。如图7 （a）,如果选择产生感生电势的载体为 良导体的金属板，则感应电流阻抗近乎于短路而产 生涡流，此涡流产生的反磁场将抵消穿过此金属板 的原磁场。反磁场的作用增强了金厲板四周的磁 场，看起来就像原磁场从金厲板四周绕行而过。如 图7 （b）示，使金厲板右侧的空间得到屏蔽。Maintained Experience(b)图7涡流效应及其反磁场对原磁场的排斥作用高频磁场的屏蔽材料需要

14、用良导体，以减小涡 流阻抗，减小发热和损耗。同时，要尽量避免在垂 直于涡流的方向上有缝隙，以免阻碍涡流电流的流 动，影响屏蔽效能。由于高频电流的集肤效应，高 频屏蔽盒无需太厚。此外，屏蔽体是否接地不影响 屏蔽效果，但由于电场屏薮必须接地，故若将屏蔽 体接地，就同时具有了电场屏蔽和高频磁坛屏蔽的 双重作用。：4遇树场赛蔽电磁场屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽，这 也是我们一般意义上屏蔽的俗称。在电场屏蔽和磁 场屏蔽的基础上，更利于理解电磁场屏蔽。在物理上，对于电磁场辐射源的周围，常分近 场与远场两个范围。辐射源周團称近场，距离辐射 源大于的范围称远场(入为波长)。对于近 场，若辐射源为高电压小电流

15、，主要考虑的是电场 干扰；若辐射源为低电压大电流，则主要考虑磁场 干扰。近场中的这两种情况上面已经作了分析，以 下考虑远场中的电磁屏蔽。在远场中，由麦克斯韦方程，电场与磁场方向 相互垂直，但相位相同，以电磁波的形式在空间向 四方辐射能量。其对电路的干扰也是以电磁波能量 的辐射形式进行的。不能理解为近场中电场与磁场 干扰的叠加。这里的电磁场屏蔽是用屏蔽体阻止电磁波在某 空间传输的种措施。电磁波在通过金属等屏蔽材 料时，会受到一定程度的衰减，说明该材料对电磁 波有屏蔽作用。屏蔽的效能与材料的性质和电磁波 的特性等有关。下面以金属板为例，分析其对垂直 入射的横电磁波的衰减特性与屏蔽功能。设有一块无限

16、大的无孔、无洞、无缝隙的金属 板放在某电磁场中，将空间分为两部分。设定辐射 源在左部，其右侧为此金属板的屏蔽区域。同时设Hmo Hmt > >LHoHmrE >Emo Emt -»tE*&nr一 .I区 II区地面为无限大的均匀平面，如图8。图8金属板对电磁波传播的影响入射电磁波由左至右传播，先到达金属板的左 表面。因为金属板m空气慝于不同传输介质，则将 在金屬氏的左表面产生反射波，使一部分电磁波向 左折日，如图的Kor. Eor0另一部分电磁波入射 到金黒内部，继续向右传播，在途中经过金属对电 磁波的不断吸收衰减后到达金属板的右界面。在金 属板的右界面，一

17、部分电磁波向左反射折回，仍在 金属板内部传输，另一部分则穿过右界面继续向右 传播。因为金属板的存在，I区的电磁波必须经过反 射、吸收、再反射等才能到达II区，是一个场强逐 渐减弱的过程。这个衰减过程可分为三部分，即左 界面的反射、金属内部的吸收、右界面的反射。故 金属板的总屏廠效果S由三个参数组成，包括表 面反射损耗衰减R (左右两个界面损耗之和)、吸 收损耗衰减A及金属板内部多次反射损耗衰减B 共三个部分。所以有：S (dB) = A+R+B(1) 金属板吸收损耗衰减A (dB)计算公式为：A-3Y*t*/ufijr式中：t屏蔽厚度(cm)； ur金厲材料相对 于空气的导磁率；6 金属材料相

18、对于铜的导电 率；一电磁波频率。A项也可理解为涡流损耗，涡流产生的反磁场 抵消了部分入射电磁波的电磁场，即认为是金属板 吸收了一部分电磁能量而产生屏蔽效果的。(2) 金属板表面反射损耗R (dB) 对于垂直入射的横向电磁波而言，R=168.2+101g(a 加,)R与金属板的厚度无关。金属的导电性越好， R越大；金属的导磁性越好，R越小。(3) 金属板内部多重反射损耗B (dB)B是金属板吸收损耗A的函数，A越小则B1W4-200SJ China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttpv'

19、;绘验空流Maintained Experience就越小。当A大于15 (dB)时，B可忽略不计。A的表达式又叫谢昆诺夫公式，在高频和金属 板很薄的情况下使用是有限制的。主要是由于高频 信号在金殛内传播时存在集肤效应，在金属内的传 输场强随距离以指数方式衰减。金属板的导电、导 磁性越好，电磁波的频率越高，金属的吸收能力就 越强。实际情况下t无需太厚，经计算有： 当£>lMHz,用0.5mm厚的任何一种金属板 屏蔽物，都可使场强衰减lOOdB； 当f>10MHz,用0.1mm厚的铜箔作屏蔽物， 即可使场强衰减lOOdB； 当f>100MHz,在绝缘材料上镀银或铜，即 可达到以上要求。现在常使用的表面金属化薄膜由子启电层很 薄，吸收损耗变得很小，主要第反射擴耗R迄屛 蔽作用。即使很薄的金属魁乜电lOOdB以上的屏 蔽效能，如常用的铜箔、钢箔等。从频率的角度 看，吸收损耗随频率的增加而增加，反射损耗随频 率的增加而降低。低频电磁波的大衰减有赖于反 射损耗R,而高频时的衰减则主要是吸收损耗的作 用。金屬网与金属板相比，屏蔽效能差很多，在高 频时更为明显。当需要采用金属网屏蔽时