电磁兼容屏蔽技术

电磁兼容屏蔽技术第1页，课件共62页，创作于2023年2月本章主要内容概述电场屏蔽低频磁场屏蔽高频磁场屏蔽电磁屏蔽孔洞的屏蔽效能第2页，课件共62页，创作于2023年2月概述屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来，以抑制和控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射；屏蔽技术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）的传输途径。屏蔽类型主动屏蔽：屏蔽干扰源，被动屏蔽：屏蔽敏感体。低频磁场屏蔽高频磁场屏蔽第3页，课件共62页，创作于2023年2月静电屏蔽电磁场理论表明，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，具有下列性质：

①导体内部任何一点的电场为零；②导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体表面垂直；③整个导体是一个等位体；④导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。第4页，课件共62页，创作于2023年2月静电屏蔽内部存在空腔的导体，也有上述性质。导体内表面无静电荷，空腔空间无电场，该导体起到了隔绝外电场的作用。如果空腔内有带电体（正电荷Q），则屏蔽体内侧感应出等量负电荷，外侧感应出等量正电荷。（只用屏蔽体将静电场源包围起来，实际上起不到屏蔽的作用）如果把屏蔽体接地，才能将静电场源所产生的电力线封闭在屏蔽体内部，才能起到真正屏蔽的作用。如果把导体接地，即使空腔内有带电体产生电场，在腔体外面也无电场，这就是静电屏蔽的原理。主动屏蔽:第5页，课件共62页，创作于2023年2月静电屏蔽当空腔屏蔽体外部存在静电场骚扰时，由于空腔屏蔽导体为等位体，所以屏蔽体内部空间不存在静电场，从而实现静电屏蔽。屏蔽体外部出现等量反号的感应电荷，当屏蔽体完全封闭时，内电场完全为零。当实际屏蔽体不可能完全封闭时，就会引起外部电力线入侵，所以屏蔽体仍需接地。被动屏蔽:完全静电场屏蔽的必要条件：

1.完整的屏蔽导体，2.接地。第6页，课件共62页，创作于2023年2月交变电场的屏蔽设干扰源上有一交变电压Ug，在其附近产生交变电场，置于交变电场中的接收器s通过阻抗Zs接地，干扰源对接收器的电场感应耦合等效为分布电容Cj的耦合，形成如图回路。Cj干扰电压（场）与耦合电容成正比。减少耦合电容是屏蔽低频交变电场的关键。增多骚扰源与接受器之间距离，或利用金属板接地抑制干扰。第7页，课件共62页，创作于2023年2月交变电场的屏蔽利用金属板接地抑制干扰接地金属屏蔽体

接地金属板切断干扰途径。如不接地则可能产生更严重的干扰。无论是静电场或交变电场，屏蔽的必要条件是金属体接地。第8页，课件共62页，创作于2023年2月低频磁场的屏蔽低频（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）。原理是利用高磁导率的材料对干扰磁场进行分路。高磁导率的铁磁材料其磁阻很小，所以大部分磁通可以流过磁屏蔽体。H1R0RmH0H2Um为磁路两点间的磁位差，Φ为磁通量，Rm为磁阻，l为磁路长度，s为磁路横截面积，μ为材料磁导率磁导率μ越大，磁阻Rm越小，磁通量越大。第9页，课件共62页，创作于2023年2月低频磁场的屏蔽由于铁磁材料的磁导率μ比空气的磁导率μ0大得多，所以铁磁材料的磁阻很小。将铁磁材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料。而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽的作用。要想提高磁屏蔽性能，应采用高磁导率的屏蔽材料，且增大屏蔽体的壁厚。H0RmH1R0磁力线集中在其内部(Rm)通过H2第10页，课件共62页，创作于2023年2月低频磁场的屏蔽如图所示的屏蔽线圈用铁磁材料作屏蔽罩。由于其磁导率很大，其磁阻比空气小很多，因此线圈所产生的磁通主要沿屏蔽罩通过，即被限制在屏蔽体内，从而使线圈周围不受影响。同样，外界磁通也将通过屏蔽体而很少进入屏蔽罩内，从而使外部磁场不致骚扰屏蔽罩内的线圈。(主动屏蔽)(被动屏蔽)

第11页，课件共62页，创作于2023年2月低频磁场的屏蔽结论：

磁导率越高、截面积越大，则磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，在空气中的漏磁通就大大减少。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。第12页，课件共62页，创作于2023年2月低频磁场的屏蔽结论：铁磁材料的屏蔽只适用于低频，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（包括磁滞和涡流）很大，铁磁材料的磁导率也将明显下降。第13页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽根据法拉第电磁感应定律，闭合回路上产生的感应电动势等于穿过该回路的磁通量的时变率。根据楞次定律，感应电动势引起感应电流，感应电流所产生的磁通要阻止原来磁通的变化，即感应电流产生的磁通方向与原来磁通的变化方向相反。H＝0第14页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体（铜、铝、铜镀银）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用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。H＝0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侧面绕行而过。第15页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽屏蔽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。

第16页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽屏蔽盒上所产生的涡流的大小将直接影响屏蔽效果。下面通过屏蔽线圈的等效电路来说明影响涡流大小的诸多因素。把屏蔽壳体看成是一匝的线圈，I为线圈的电流，M为线圈与屏蔽盒间的互感，rs、Ls为屏蔽盒的电阻及电感，Is为屏蔽盒上产生的涡流。屏蔽体电阻第17页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽

屏蔽体和线圈的等效电路涡流

当（高频）时，

当（低频）时

低频时涡流很小，涡流的反磁场不足以完全排斥原干扰磁场，此法不适用于低频磁场屏蔽一定频率后涡流不再随着频率升高，说明涡流产生的反磁场已足以排斥原有的干扰磁场，从而起到屏蔽作用。is频率M/LRs/LRs屏蔽体电阻第18页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽屏蔽盒是否接地不影响屏蔽效果；但如果将良导体金属材料做的屏蔽盒接地，则它同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用，所以实际使用中屏蔽盒应接地。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属盒的屏蔽效果。（a）对内部磁场的屏蔽（b）对外部磁场的屏蔽第19页，课件共62页，创作于2023年2月高频磁场的屏蔽屏蔽体电阻越小，产生的感应涡流越大而且屏蔽体自身的损耗也越小。所以高频磁屏蔽材料需用良导体。铁磁材料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽

。由于高频电流的趋肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面流过，所以高频屏蔽盒无需做得很厚。当f>1MHz时，机械强度、结构、工艺方面的要求要远大于屏蔽角度所需要的厚度。因此，高频屏蔽不考虑屏蔽盒厚度。实际应用中，一般0.2-0.8mm。第20页，课件共62页，创作于2023年2月电磁屏蔽时变电磁场中，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。电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽(10kHz~40GHz)。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。

高电压小电流骚扰源以电场为主（电准稳态场－忽略了感应电压），磁场骚扰较小（有时可忽略）。

低电压高电流骚扰源以磁场骚扰为主（磁准稳态场－忽略了位移电流），电场骚扰较小。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，因此需要将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。第21页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽效能屏蔽有两个目的：一是限制屏蔽内部的电磁骚扰越出某一区域；二是防止外来的电磁干扰（骚扰）进入屏蔽体内的某一区域。屏蔽的作用通过一个将上述区域封闭起来的壳体来实现。可以做成金属隔板、盒式、电缆屏蔽、连接器屏蔽等。屏蔽体一般有实芯型、非实芯型（例如金属网）和金属编织带等。第22页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽效能屏蔽前场强E1,H1屏蔽后场强

E2，H2

对电、磁场和电磁波产生衰减的作用就是电磁波屏蔽,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20lg(E1/E2),SH=20lg(H1/H2)dB

衰减量与屏蔽效能的关系例：40dB,衰减比＝1/100GJB151A的机箱：60dB一般商业的机箱：40dB

军用屏蔽室：100dB第23页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽效能按照传输线理论，屏蔽体对于电磁波的衰减有三种机理：（1）反射：在空气中传播的电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气和金属交界面的阻抗不连续，在分界面上引起波的反射。（2）衰减：未被屏蔽体表面反射而透射进入屏蔽体的电磁能量，继续在屏蔽体内传播时被屏蔽材料衰减。（3）再反射：在屏蔽体内尚未衰减完的剩余电磁能量，传播到屏蔽体的另一个表面时，又由于金属和空气阻抗的不连续在其交界面再次发生反射，并重新折回屏蔽体内。这种反射在屏蔽体内的两个界面之间可能重复多次。第24页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽效能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。电磁能（波）的反射，是屏蔽体对电磁波衰减的第一种机理，称为反射损耗，用R表示。

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，用A表示

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，用B表示。RAB第25页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽效能的计算SE＝

R＋

A＋B入射场强距离吸收损耗AR1R2B透射泄漏R－反射损耗A－吸收损耗B－多次反射损耗

实心材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被大大衰减，将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。反射AR1R2第26页，课件共62页，创作于2023年2月反射损耗

反射损耗R

反射损耗是由屏蔽体表面处阻抗不连续性引起的。反射损耗R与哪些因素有关呢？下面我们引入波阻抗概念第27页，课件共62页，创作于2023年2月波阻抗的概念（前述）377波阻抗电场为主E1/r3H1/r2磁场为主H1/r3E1/r2平面波E1/rH1/r/2到观测点距离rE/H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，波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），波阻抗大于377，称为高阻抗波，或电场波。高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），远场区，波阻抗仅与电场波传播介质有关，空气为377

。第28页，课件共62页，创作于2023年2月波阻抗的概念（前述）377波阻抗电场为主E1/r3H1/r2磁场为主H1/r3E1/r2平面波E1/rH1/r/2到观测点距离rE/H波阻抗随距离而变化。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。第29页，课件共62页，创作于2023年2月反射损耗的计算

R＝20lg

反射损耗与波阻抗有关屏蔽材料的阻抗Zs<1越低（

r

大－良导体），则反射损耗越大；特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的波阻抗ZW

越高，则反射损耗越大。

r为磁导率，

r为电导率ZW4ZsZs

=3.6810-7

f

r/r远场：377

近场：取决于源的阻抗同一种材料的阻抗随频率变化第30页，课件共62页，创作于2023年2月反射损耗的计算Zs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m），f=频率（MHz）,dB远场:R＝20lg3774Zs45002DfD

fZsZs电场:R＝20lg磁场:R＝20lg已有于是

注意：反射损耗不是将电磁能量损耗掉，而是将其反射到空间。反射的电磁波有可能对其它电路造成影响。特别是当辐射源在屏蔽机箱内时，反射波在机箱内可能会由于机箱的谐振得到增强，对电路造成干扰。第31页，课件共62页，创作于2023年2月影响反射损耗的因素R(dB)1500.1k1k10k100k1M10M100M平面波fD=30m

电场D=1mD=30m磁场D=1m

电场反射损耗>磁场反射损耗,当频率升高时，电场和磁场损耗趋向于一致，汇合在平面波的反射损耗数值上。距离电偶极源越近，则反射损耗越大（波阻抗越高）。磁偶极源，则正好相反。频率影响：频率升高时，电场的波阻抗变低，磁场波的波阻抗变高。同时屏蔽材料的阻抗发生变化（变大）。对于平面波，由于波阻抗一定（377

），因此随着频率升高，反射损耗降低。第32页，课件共62页，创作于2023年2月吸收损耗入射电磁波E1剩余电磁波E2E2=E1e-t/

A＝20lg(E1/E2)=20lg(et/

)t0.37E0

＝3.34t

f

r

r

dB

吸收损耗是由电磁波通过屏蔽体所产生的热损耗引起的。材料越厚t

，吸收损耗越大；磁导率、电导率和频率越高，吸收损耗越大。

吸收损耗与入射电磁场（波）的种类（波阻抗）无关。

第33页，课件共62页，创作于2023年2月多次反射损耗的计算多次反射损耗是电磁波在屏蔽体内反复碰到壁面所产生的损耗。B=20lg(1-e-2t/

)说明：当吸收损耗较大时（屏蔽体较厚，频率较高），可忽略

对于电场波，可以忽略

—对于电场波，反射损耗已很大了，进入屏蔽体的能量已经很小了，所以可以忽略。第34页，课件共62页，创作于2023年2月综合屏蔽效能(0.5mm铝板)高频时电磁波种类的影响很小150250平面波000.1k1k10k100k1M10M电场D=0.5m磁场D=0.5m屏蔽效能（dB）频率

低频：趋肤深度大，吸收损耗小，屏蔽决于反射损耗。电场>电磁波>磁场。高频：电场的反射损耗降低，磁场的反射损耗增加；频率升高，吸收损耗增加，频率高到一定程度时，屏蔽主要由吸收损耗决定。屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。

特别是频率较低的磁场，很难屏蔽。第35页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽材料的性能导磁材料磁屏蔽是利用由高导磁率之城的磁屏蔽体，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽体上分流而达到屏蔽目的，因此磁导率成为选择磁屏蔽材料的主要依据。磁导率是表示磁介质磁性的物理量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即μ=B/H=μ0×μr，式中μ0为真空磁导率，μr为介质相对磁导率，（不是常数，随外磁场强度和频率变化）按μr的大小可将介质分为弱磁性材料顺磁性（μr>1）铝等金属抗磁质(μr<1)铜等金属强磁性材料铁磁质(μr>>1)铁、镍等金属第36页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽材料的性能铁磁性材料特点：B与H为非线性关系，频率增高，磁导率μr降低。151015坡莫合金

金属镍钢冷轧钢0.010.11.010100kHz

r103

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，随着频率增加，导磁率会下降，当频率大于时，导磁率更低。第37页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽材料的性能

由图中可以看出，铁磁性材料在频率很高时，由于发生严重的磁损耗，使磁导率大大降低，因此只能采用导电性能良好的材料作为屏蔽体。导电材料根据屏蔽理论，电屏蔽和电磁屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽体并结合接地来切断干扰源与感受器之间的耦合通道，以达到屏蔽目的，因此，电导率成为选择屏蔽材料的主要依据。由于电导率是常数，不随场强及频率的变化而变化，因此电屏蔽和电磁屏蔽要简单得多，根据实际情况选择好的导电材料即可。第38页，课件共62页，创作于2023年2月屏蔽材料的性能薄膜材料与薄膜屏蔽在计算机、通信与数控设备上广泛采用工程塑料机箱，通常在机箱上采用喷导电漆、电弧喷镀、电离镀、热喷涂等工艺，在机箱上产生一层导电薄膜，成为薄膜材料。导电胶与导磁胶导电、导磁胶是电子工业专用胶黏剂，是在普通的胶黏剂中添加导电、导磁材料配制而成的。

导电橡胶：在硅橡胶内填充占总重量70～80％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橡胶良好弹性的特性，同时具有较好的导电性。第39页，课件共62页，创作于2023年2月实际屏蔽体问题

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、指示灯和电缆线、电源线等影响屏蔽效能的两个因素：屏蔽体的导电连续性和穿过屏蔽机箱的导线（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缝隙电缆线第40页，课件共62页，创作于2023年2月缝隙的泄漏高频起主要作用低频起主要作用缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效。由于电容的容抗随着频率升高降低，因此高频屏蔽效果好。缝隙第41页，课件共62页，创作于2023年2月缝隙泄漏的抑制影响电阻成分的因素：影响缝隙上电阻成分的因素主要有：接触面积（接触点数）、接触面材料（一般较软的材料接触电阻较小）、接触面的清洁程度、接触面的压力（压力要足以使接触点穿透金属表层氧化层）、氧化腐蚀等。影响电容成分的因素：根据电容器原理，很容易知道：两个表面之间距离越近，相对的面积越大，则电容越大。第42页，课件共62页，创作于2023年2月空洞泄漏的抑制措施1.由于制造、装配、维修、散热及观察要求，屏蔽体上面一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝。电磁能量就会通过孔洞、缝隙泄漏，导致屏蔽效能的降低。2.电磁能量的泄漏主要取决于孔缝的尺寸、形状及位置。3.当不连续点的尺寸与其谐振值匹配时，对应频率的屏蔽效能会迅速降低。第43页，课件共62页，创作于2023年2月缝隙泄漏的抑制解决缝隙泄漏的措施：1）接触面的重合面积，这可以减小电阻、增加电容。不同部分的结合处构成的缝隙是一条细长的开口。在平整的结合处也不可能完全接触，只能在某些点接触上是真正接触的，构成一个空洞阵列。根据电磁场理论，具有一定深度的缝隙可看作波导，而波导在一定条件下可以对在其内部传播的电磁波进行衰减，深度越深，衰减量越大。另一方面，当缝隙很窄时，缝隙之间的电容较大，其阻抗可以等效为电阻与电容并联。由于容抗随频率升高而降低，因此在频率较高时，屏蔽效能较好。增加金属之间的搭接面积可以增大电容，使阻抗减小，从而减小泄漏。第44页，课件共62页，创作于2023年2月缝隙泄漏的抑制电磁密封衬垫缝隙

减小缝隙电磁泄漏的基本思路：减小缝隙的阻抗（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）。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：使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。第45页，课件共62页，创作于2023年2月缝隙泄漏的抑制电磁密封衬垫缝隙使用电磁密封衬垫可以实现缝隙的电磁密封。衬垫的电气特性应与屏蔽体的特性近似以保持分界面上有很高的电气导电性能。电磁密封衬垫的两个基本特性是导电性和弹性，任何导电的弹性材料都可以作为电磁密封衬垫用。常用的衬垫有金属丝网屏蔽条、导电橡胶、橡胶芯金属网套等。氧化或其它老化现象会导致连接点处的屏蔽质量下降。衬垫连接点的屏蔽效能随频率升高而下降。第46页，课件共62页，创作于2023年2月电磁密封衬垫的种类

金属丝网衬垫导电橡胶指形簧片螺旋管衬垫第47页，课件共62页，创作于2023年2月电磁密封衬垫的种类衬垫种类优点缺点适用场合导电橡胶同时具有环境密封和电磁密封作用，高频屏蔽效能高需要的压力大，价格高需要环境密封和较高屏蔽效能的场合金属丝网条成本低，不易损坏高频屏蔽效能，适合1GHz以上的场合没有环境密封作用干扰频率为1GHz以下的场合指形簧片屏蔽效能高允许滑动接触形变范围大价格高没有环境密封作用有滑动接触的场合屏蔽性能要求较高的场合

导电橡胶：在硅橡胶内填充占总重量70～80％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橡胶良好弹性的特性，同时具有较好的导电性。第48页，课件共62页，创作于2023年2月电磁密封衬垫的种类螺旋管屏蔽效能高，价格低,复合型能同时提供环境密封和电磁密封过量压缩时容易损坏屏蔽性能要求高的场合有良好压缩限位的场合需要环境密封和很高屏蔽效能的场合多重导电橡胶

弹性好，价格低，可以提供环境密封表层导电层较薄，在反复磨擦的场合容易脱落需要环境密封和一般屏蔽性能的场合不能提供较大压力的场合导电布衬垫柔软，需要压力小价格低