第5章_电磁屏蔽技术

1、1 第第5 5章章 电磁屏蔽技术电磁屏蔽技术2 主要内容主要内容 n 概概 述述n 电场屏蔽电场屏蔽n 低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽n 高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽n 电磁屏蔽电磁屏蔽n 孔洞的屏蔽效能孔洞的屏蔽效能3 概概 述述p 屏蔽类型屏蔽类型：p 屏蔽屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来，以抑制和是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来，以抑制和 控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应感应和和辐辐 射射。 屏蔽技术屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断电磁 波辐射（和场耦合）的传

2、输途径波辐射（和场耦合）的传输途径。p 主动屏蔽主动屏蔽：屏蔽干扰源，：屏蔽干扰源， 被动屏蔽被动屏蔽：屏蔽敏感体。：屏蔽敏感体。4静电场屏蔽静电场屏蔽p 静电场的屏蔽静电场的屏蔽 5 交变电场的屏蔽交变电场的屏蔽 低频交变电场的骚扰源与接受器之间的电场感应耦低频交变电场的骚扰源与接受器之间的电场感应耦合可以用它们之间的等效合可以用它们之间的等效耦合电容耦合电容CeCe进行描述，可采用进行描述，可采用电路理论电路理论加以解释。加以解释。 直观、方便直观、方便。屏蔽低频交变电场的关键。屏蔽低频交变电场的关键。 方法方法：增大骚扰源与接受器之间距离，或利用：增大骚扰源与接受器之间距离，或利用6p

3、利用利用接地金属接地金属屏蔽体屏蔽体11000,sZUU7p低频低频：100 kHz100 kHz以下以下3401010,mmmURRl s 低低 频频 磁磁 场场 屏屏 蔽蔽H1R0RmH0H0RmH1R0p 磁路方程磁路方程磁力线集中在其内部磁力线集中在其内部 (Rm)通过通过H2H2p 屏蔽原理屏蔽原理：利用高磁导率的铁磁材料例如铁、硅钢片，：利用高磁导率的铁磁材料例如铁、硅钢片，其磁导率约为其磁导率约为 ）对骚扰磁场进行分路，把磁力）对骚扰磁场进行分路，把磁力线集中在其内部通过，限制其在空气中大量发散。线集中在其内部通过，限制其在空气中大量发散。8 (主动屏蔽主动屏蔽) (被动屏蔽被动

4、屏蔽) 用铁磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为用铁磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。若缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。9u高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体（铜、铝）高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体（铜、铝）高高 频频 磁磁 场场 屏屏 蔽蔽H0u屏蔽原理屏蔽原理: : 利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的，即利用了涡流反向磁场对于原骚扰磁场的排斥作来达到屏蔽的目的，即利用了涡

5、流反向磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。涡流产生的反向磁场增强了金属涡流产生的反向磁场增强了金属板侧面的磁场使磁力线在金属板板侧面的磁场使磁力线在金属板侧面绕行而过。侧面绕行而过。10n 高频磁屏蔽高频磁屏蔽是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁场而达到屏蔽的目的，涡电流的大小直接影响屏蔽效果。场而达到屏蔽的目的，涡电流的大小直接影响屏蔽效果。屏蔽体电阻越小产生的感应涡流越大而且屏蔽体自身的屏蔽体电阻越小产生的感应涡流越大而且屏蔽体自身的损耗也越小。损耗也越小。所以高频磁屏蔽材料需用良导体。所以高频磁屏蔽材料需用

6、良导体。n 因为高频时铁磁材料的磁性损耗因为高频时铁磁材料的磁性损耗(包括磁滞损耗和涡流包括磁滞损耗和涡流损耗损耗)很大，导磁率明显下降。很大，导磁率明显下降。所以铁磁材料的屏蔽不适所以铁磁材料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽。用于高频磁场屏蔽。n 屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向并且要尽可能地缩屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向并且要尽可能地缩小缝的宽度。如果开缝切断了涡流的通路则将大大影响金小缝的宽度。如果开缝切断了涡流的通路则将大大影响金属盒的屏蔽效果。属盒的屏蔽效果。所以开缝方向会影响高频磁场屏蔽。所以开缝方向会影响高频磁场屏蔽。结论：结论：11电磁屏蔽电磁屏蔽p时变电磁场中，电场和磁场总是同

7、时存在的，通常所说的屏蔽，多指电时变电磁场中，电场和磁场总是同时存在的，通常所说的屏蔽，多指电磁屏蔽。电磁屏蔽是指同时抑制或削弱电场和磁场。磁屏蔽。电磁屏蔽是指同时抑制或削弱电场和磁场。p电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽(10kHz 40GHz)。p在频率较低（近场区，近场随着骚扰源的性质不同，电场和磁场的大小在频率较低（近场区，近场随着骚扰源的性质不同，电场和磁场的大小有很大差别。有很大差别。 高电压小电流高电压小电流骚扰源以电场为主骚扰源以电场为主（电准稳态场忽略了感应电压（电准稳态场忽略了感应电压），磁场），磁场骚扰较小（有时可忽略）。骚扰较小（有时可

8、忽略）。 低电压高电流低电压高电流骚骚 扰扰 源源 以以 磁磁 场场 骚骚 扰扰 为为 主主（磁准稳态场忽略了位移电（磁准稳态场忽略了位移电流流），电场骚扰较小。），电场骚扰较小。p随着频率增高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋向于远场骚随着频率增高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋向于远场骚扰。远场骚扰中的电场骚扰和磁场骚扰都不可忽略，因此需要将电场和扰。远场骚扰中的电场骚扰和磁场骚扰都不可忽略，因此需要将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。12 屏 蔽 效 能屏蔽前场强屏蔽前场强 E1, H1屏蔽后场强 E2，H2p 对电、磁对电、磁场和电磁场和电磁波产生

9、衰减的作用就是波产生衰减的作用就是电磁波电磁波屏蔽屏蔽, 屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) , SH = 20 lg ( H1/ H2 ) dBp 衰减量与屏蔽效能的关系衰减量与屏蔽效能的关系例：例：40dB, 衰减比衰减比1/100 GJB151A的机箱：的机箱：60dB一般商业一般商业的机箱：的机箱： 40dB 军用屏蔽室：军用屏蔽室： 100dB 1E2E 13屏蔽机理屏蔽机理p设金属平板左右两侧均为空气，因而在左右两个界面上出现波阻抗突变，入射电磁波在界面上就产生反射和透射。p 电磁能（波）的反射，是屏蔽体对电磁波衰

10、减的第一种机理，称为反射损耗反射损耗，用R表示。p 透射入金属板内继续传播，其场量 振幅要按指数规律衰减。场量的衰 减反映了金属板对透射入的电磁能 量的吸收，电磁波衰减的第二种机 理称为吸收损耗吸收损耗，用A表示p 在金属板内尚未衰减掉的剩余能量达到金属右边界面上时，又要发生反射，并在金属板的两个界面之间来回多次反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过屏蔽的空间。电磁波衷减的第三种机理，称为多次反射修正因子多次反射修正因子，用B表示。tRAB14怎样屏蔽低频磁场？低频磁场低频磁场低频低频磁场磁场吸收损耗小吸收损耗小（趋肤深度大（趋肤深度大）反射损耗小反射损耗小( (低阻抗低阻抗）高导电材料高导电材

11、料高导磁材料高导磁材料高导电材料高导电材料方法方法1：高导磁率材料的表面：高导磁率材料的表面增加一层高导电率材料，增加增加一层高导电率材料，增加电场波在屏蔽材料与空气界面电场波在屏蔽材料与空气界面上的反射损耗。上的反射损耗。方法方法2 ：低磁阻通路旁路。低磁阻通路旁路。 关关 键：键：采用高导磁率材料，采用高导磁率材料， 减少减少磁阻。磁阻。H115 磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金坡莫合金 金属金属镍钢镍钢冷轧钢冷轧钢 0.01 0.1 1.0 10 100 kHzr 103n 磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多是直流情况下的，随着磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多是直流情况下的

12、，随着 频率增加，导磁率会下降频率增加，导磁率会下降 ，当频率大于，当频率大于 时，时，导磁率更低导磁率更低。10kHz16 磁导率随场强的变化磁导率随场强的变化磁场强度 H磁通密度 B 饱和起始磁导率最大磁导率 = B / Hp 一对矛盾一对矛盾：当要屏蔽的磁场很强时，即为了获得较高的屏蔽性能，当要屏蔽的磁场很强时，即为了获得较高的屏蔽性能，需要使用导磁率较高的材料，但这种材料容易饱和。如用比较不容易需要使用导磁率较高的材料，但这种材料容易饱和。如用比较不容易饱和的材料，往往由于饱和的材料，往往由于 =较低，较低，屏蔽性能又达不到要求屏蔽性能又达不到要求。17 强磁场的屏蔽强磁场的屏蔽高导磁

13、率材料：饱和饱和低导磁率材料：屏效不够屏效不够低导磁率材料低导磁率材料高导磁率材料n 解决方法：采用双层屏蔽，先用不容易发生饱和的磁导解决方法：采用双层屏蔽，先用不容易发生饱和的磁导率较低的材料将磁场衰减到一定程度，然后用高导磁率材率较低的材料将磁场衰减到一定程度，然后用高导磁率材料将磁场衰减到满足要求。料将磁场衰减到满足要求。n 成本高、实施困难。成本高、实施困难。 18 良好电磁屏蔽的关键因素良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体的屏蔽体的导电连续导电连续有无穿过屏有无穿过屏蔽体的导体蔽体的导体屏蔽效能高的屏蔽体屏蔽效能高的屏蔽体不要忘记：不要忘记：选择适当的屏蔽材料你知道吗：与屏蔽体接地与否无关屏

14、蔽体的完整性（完整、封闭）屏蔽体的完整性（完整、封闭）+导电的连续性是屏蔽的关键导电的连续性是屏蔽的关键19实际屏蔽体的问题实际屏蔽体的问题p 实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯和通风口、显示窗、按键、指示灯和电缆线、电源线电缆线、电源线等等p 影响屏蔽效能的两个因素：影响屏蔽效能的两个因素：屏蔽体的导电连续性和屏蔽体的导电连续性和穿过穿过屏蔽机箱的导线屏蔽机箱的导线（危害更大辐射传导危害更大辐射传导）。通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮电源线电源线缝隙缝隙电电缆缆线线20 远场远场区孔洞的屏蔽效能区孔洞的屏

15、蔽效能l lSE = 100 20lgl 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(l/h) = 0 dB Hn 当电磁波入射到一个缝隙孔洞时，其作用相当于一个偶极天线当电磁波入射到一个缝隙孔洞时，其作用相当于一个偶极天线(第二章已讲述）第二章已讲述）n 当缝隙的长度达到当缝隙的长度达到l = /2时，其辐射效率最高（与缝隙的宽度无时，其辐射效率最高（与缝隙的宽度无关），它几乎可将激励缝隙的全部能量辐射出去。关），它几乎可将激励缝隙的全部能量辐射出去。n 若若 l / 2 h5002fMHzl21 孔洞在孔洞在近场区近场区的屏蔽效能的屏蔽效能p 在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关在

16、近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关 若若 ZC （7.9/Df）（电场源）：）（电场源）： SE = 48 + 20lg ZC 20lg l f + 20lg ( 1 + 2.3lg (l/h) ) 若若 ZC （7.9/Df）（磁场源）（磁场源） SE = 20lg ( D/l) + 20lg (1 + 2.3lg (l/h) )u ZC = 辐射源的阻抗（辐射源的阻抗（ ），），D = 孔到源的距离（孔到源的距离（m），）， l，h = 孔，洞孔，洞(mm），），f = 电磁波的频率（电磁波的频率（MHz）p 当电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能较高），而当当电场源时，孔洞的泄漏

17、比远场时小（屏蔽效能较高），而当磁场源时，孔洞磁场源时，孔洞 的泄漏比远场时要大（屏蔽效能较低）的泄漏比远场时要大（屏蔽效能较低）.（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！危害更大！）注意：对于磁场源，屏效与频率无关！危害更大！） Dlh22 缝隙的泄漏缝隙的泄漏高频起主要作用高频起主要作用低频起主要作用低频起主要作用屏屏蔽蔽体体的的导导电电连连续续问问题题影响电阻，影响电阻，电容电容的因素：的因素：p 接触面积（接触点数）、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压接触面积（接触点数）、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压 力、氧化腐蚀等力、氧化腐蚀等。n 两个表面之间的距离越近，相对

18、的面积越大，则电容越大两个表面之间的距离越近，相对的面积越大，则电容越大 。 缝隙的阻抗越小，电磁泄漏越小，屏蔽效能越高（电容变小）作用可能相反，整体上，（电容变小）作用可能相反，整体上，高频时高频时电磁泄漏较大电磁泄漏较大h=0 的情况的情况缝隙23缝隙的处理缝隙的处理电磁密封衬垫缝隙n 减小减小缝隙电磁泄漏的基本思路：缝隙电磁泄漏的基本思路：减小减小缝隙的阻抗（增加导电接触点、加缝隙的阻抗（增加导电接触点、加大两块金属板之间的重叠面积、减小缝隙的宽度）大两块金属板之间的重叠面积、减小缝隙的宽度）。方法：增加接触面的平整度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度，方法：增加接触面的平整度，增加紧固件

19、（螺钉、铆钉）的密度，方法：方法：使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。24电磁密封衬垫的种类n 金属丝网衬垫n 导电橡胶n 指形簧片n 螺旋管衬垫25衬垫种类衬垫种类优点优点缺点缺点适用场合适用场合导电橡胶导电橡胶同时具有环境密封同时具有环境密封和电磁密封作用，和电磁密封作用，高频屏蔽效能高高频屏蔽效能高需要的压力大，需要的压力大，价格高价格高需要环境密封和较高屏需要环境密封和较高屏蔽效能的场合蔽效能的场合金属丝网金属丝网条条成本低，不易损坏成本低，不易损坏 高频屏蔽效能，高频屏蔽效能，适合适合1GHz以上以上的场合没有环境的

20、场合没有环境密封作用密封作用干扰频率为干扰频率为1GHz以下以下的场合的场合指形簧片指形簧片屏蔽效能高允许滑屏蔽效能高允许滑动接触形变范围大动接触形变范围大 价格高没有环境价格高没有环境密封作用密封作用有滑动接触的场合屏蔽有滑动接触的场合屏蔽性能要求较高的场合性能要求较高的场合p 导电橡胶：导电橡胶：在硅橡胶内填充占总重量在硅橡胶内填充占总重量70 80比例的金属颗粒，如银粉、比例的金属颗粒，如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅橡胶良好弹性的特性，同时具有较好的导电性。橡胶良好弹性的特性，同

21、时具有较好的导电性。 26螺旋管螺旋管屏蔽效能高，屏蔽效能高，价格低价格低, 复合型复合型能同时提供环能同时提供环境密封和电磁境密封和电磁密封密封 过量压缩时容易过量压缩时容易损坏损坏屏蔽性能要求高的场合屏蔽性能要求高的场合有良好压缩限位的场合有良好压缩限位的场合需要环境密封和很高屏蔽需要环境密封和很高屏蔽效能的场合效能的场合多重导电橡多重导电橡胶胶弹性好弹性好 ，价格，价格低，低， 可以提供可以提供环境密封环境密封 表层导电层较薄，表层导电层较薄，在反复磨擦的场在反复磨擦的场合容易脱落合容易脱落需要环境密封和一般屏蔽需要环境密封和一般屏蔽性能的场合不能提供较大性能的场合不能提供较大压力的场合

22、压力的场合导电布衬垫导电布衬垫柔软，需要压柔软，需要压力小力小 价格低价格低 湿热环境中容易湿热环境中容易损坏损坏不能提供较大压力的场合不能提供较大压力的场合27 电磁密封衬垫的主要参数电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能 (关系到总体屏蔽效能) 回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） 最小密封压力（关系到最小压缩量）最大形变量（关系到最大压缩量） 压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数） 电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）28 电磁密封衬垫的安装方法绝缘漆环境密封29截止波导管截止波导管损损耗耗频率fc截止频率截止频率频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损频率高的电磁波能通过波导管，频率低

23、的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。截止区30 截止波导管的屏效截止波导管的屏效截止波导管 屏蔽效能=反射损耗：远场区计算公式,近场区计算公式+吸收损耗：吸收损耗：与截止频率有关孔洞计算屏蔽效能公式，孔洞计算屏蔽效能公式，前述前述波导壁面吸收损失波导壁面吸收损失 屏蔽效能明显屏蔽效能明显31 截止波导管的损耗截止波导管的损耗 不同金属的截止波导管的损耗。不同金属的截止波导管的损耗。 同样情况下，波导越长，壁面吸收损失越大，屏蔽效能越好同样情况下，波导越长，壁面吸收损失越大，屏蔽效能越好32 圆柱波导较好，但不易组合圆柱波导较好，但不易组合孔的尺度较大时，截止频率低，大于截止频率的干扰无法屏蔽孔的尺度较大时，截止频率低，大于截止频率的干扰无法屏蔽 33 通风口的处理穿孔金属板截止波导通风板p 多个小孔构成的孔阵代替