电磁兼容技术-屏蔽-第四讲

第四讲-----电磁屏蔽4.1电磁屏蔽基本概念抑制以场的形式造成干扰的有效方法是电磁屏蔽。所谓电磁屏蔽就是以某种材料〔导电或导磁材料)制成的屏蔽壳体(实体的或非实体的)将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进人这一区域(或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减)。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。4.2电磁屏蔽分类

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。

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与有屏蔽时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。如果屏蔽效能计算中使用的磁场，则称为磁场屏蔽效能，如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。4.3电磁屏蔽效能

一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60B，TEMPEST设备的屏蔽机箱的屏蔽效要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。4.3.1电磁屏蔽效能屏蔽前的场强E1屏蔽后的场强E2对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20lg(E1/E2

)dB实心材料屏蔽效能的计算入射波场强距离吸收损耗AR1R2SE＝R1＋R2＋A＋B＝R＋A＋BB

电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗，这种损耗可以分为两部分：反射损耗和吸收损耗。反射损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次反射。因此，电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗的总和。对于电场波而言：第一个界面的反射损耗较大，第二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言，情况正好相反，第一个界面的反射损耗较小，第二个界面的反射损耗较大。吸收损耗：电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁能量损失，损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。多次反射修正因子：电磁波在屏蔽体的第二个界面（穿出屏蔽体的界面）发生反射后，会再次传输到第一个界面，在第一个界面发射再次反射，而再次到达第二个界面，在这个截面会有一部分能量穿透界面，泄漏到空间。这部分是额外泄漏的，应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子。源的位置对屏蔽效能计算的影响：如果辐射源在屏蔽机箱的外部（例如，屏蔽是为了机箱内的电路免受外界干扰的影响），则反射损耗和吸收损耗都对屏蔽效能有贡献。如果辐射源在屏蔽机箱内部（例如，屏蔽是为了抑制机箱内的电路辐射），则主要是吸收损耗对屏蔽效能有贡献，因为反射的能量总是在机箱内。吸收损耗的计算当电磁波在介质中传播时,按照指数规律衰减：E1=E0e-h/

h入射电磁波E00.37E0

剩余电磁波E1介质厚度趋肤深度吸收损耗的计算

A＝20lg(E0/E1)=20lg(eh/

)dB

A＝8.69(h/)dBA=3.34h

f

r

rdB=0.066/(f

r

r)1/2电磁波衰减为原始强度的1/e时所传播的距离为趋肤深度。趋肤深度定义：则吸收损耗A为:其中，f=

入射电磁波的频率（MHz），

r=

相对磁导率，

r=相对电导率反射损耗的计算

R＝20lgZW4ZsZS=3.6810-7

f

r/r电磁波的波阻抗Zw远场：377

近场：取决于源的阻抗同一种材料的阻抗随频率变屏蔽材料的特征阻抗Zs屏蔽材料的特征阻抗Zs：反射损耗R：反射损耗与电磁波的波阻抗Zw和屏蔽材料的特征阻抗Zs有关。一般表达式为：

R=lg(Zw/4Zs)dB从式中可以看出，对于特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的电磁波的波阻抗越高，则反射损耗越大；对于确定的电磁波（Zw一定），屏蔽材料的阻抗越低，则反射损耗越大。在远场：电磁波的波阻抗为377

。在近场：电场波和磁场波的波阻抗是不同的，因此做近场屏蔽时，要分别考虑电场波和磁场波的情况。由于电场波的波阻抗较高，因此反射损耗较大。磁场波的波阻抗较低，往往反射损耗较小。电场波：屏蔽体距离辐射源越近，反射损耗越大。磁场波：屏蔽体距离辐射源越远，反射损耗越大。不同电磁波的反射损耗远场:R＝20lg3774ZsZs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m）f=电磁波的频率（MHz）4500DfZs电场:R＝20lg2DfZs磁场:R＝20lgdB4.3.2影响反射损耗的因素1500.1k1k10k100k1M10M100M平面波3

108/2rfR(dB)r=30m

电场r=1m靠近辐射源r=30m磁场r=1m靠近辐射源反射损耗最大的特点是与电磁波的波阻抗有关。对于特定的屏蔽材料，波阻抗越高，反射损耗越大。对于铜屏蔽材料（其它材料的趋势也大致相同），根据电场源和磁场源的波阻抗变化规律，可以绘出上图。电磁波类型的影响：电场波的波阻抗较高，因此具有较大的反射损耗。而磁场波的反射损耗较小。但当频率升高时，电场波和磁场波的反射损耗趋向于一致，最终汇合在平面波的反射损耗数值上。距离的影响：距离电场源越近，则反射损耗越大。这是因为距离电场源越近，电磁波的波阻抗越高。对于磁场源，则正好相反。因此要获得尽量高的屏蔽效能，如果是电场源，则屏蔽体应尽量靠近辐射源，如果是磁场，则应尽量远离辐射源。频率的影响：频率对反射损耗的影响是从两个方面发生，一个是频率升高时，电磁波的波阻抗发生变化，电场波的波阻抗变低，磁场波的波阻抗变高。另一个影响因素是频率升高时，屏蔽材料的阻抗发生变化（变大）。综合这两个方面的影响，就得出图示的反射损耗特性。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。注意：屏蔽材料的反射损耗并不是将电磁能量损耗掉，而是将其反射到空间，传播到其它地方。因此，反射损耗很大并不一定是好事情，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。综合屏蔽效能(0.5mm铝板)平面波高频时电磁波种类的影响很小电场波r=0.5m15025000.1k1k10k100k1M10M磁场波r=0.5m屏蔽效能（dB）频率总的屏蔽效能等于吸收损耗与反射损耗之和。低频：由于趋肤深度很大，吸收损耗很小，屏蔽效能主要决于反射损耗。而反射损耗与电磁波的波阻抗关系很大，因此，低频时不同的电磁波的屏蔽效能相差很大。电场波的屏蔽效能远高于磁场波。高频：随着频率升高，电场波的反射损耗降低，磁场波的反射损耗增加（见前页图），另一方面由于趋肤深度减小，吸收损耗增加，当频率高到一定程度时，吸收损耗已经很大，屏蔽效能主要由吸收损耗决定。由于屏蔽的吸收损耗与电磁波的种类（波阻抗）无关，在高频时，不同种类的电磁波的屏蔽效能几乎相同。电场波种类与屏蔽效能：从图中可以看出，屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。电场波是最容易屏蔽的，而磁场波是最难屏蔽的。特别是频率较低的磁场波，很难屏蔽。了解这一点很重要，因为在选购屏蔽材料时，要参考厂家提供的屏蔽数据，一定要搞清楚数据是在什么条件下获得的。导电薄膜、导电涂覆层等对磁场往往屏蔽效能很低，厂家给出的屏蔽数据一般是电场波或平面波的。多次反射修正因子的计算电磁波在屏蔽体内多次反射，会引起附加的电磁泄漏，因此要对前面的计算进行修正。B=20lg(1-e-2t/

)说明：

B为负值，其作用是减小屏蔽效能当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略对于电场波，可以忽略多次反射修正因子的含义：电磁波每当入射到不同介质的界面时，都会发生反射。因此屏蔽材料内的电磁波会在金属的两个表面上多次反射。而每次到达界面时，都会泄漏出一部分能量。这就造成了额外的泄漏。为了在屏蔽效能计算公式中体现这一点，引入多次反射修正因子。说明一：对于电场波，由于大部分能量在金属与空气的第一个界面反射，进入金属的能量已经很小，造成多次反射泄漏时，电磁波在屏蔽材料内已经传输了三个厚度的距离，其幅度往往已经小可以忽略的程度。说明二：对于磁场波，在第一个界面上，进入屏蔽材料的磁场强度是入射磁场强度的2倍，因此多次反射造成的影响是必须考虑的。说明三：当屏蔽材料的厚度较厚时，形成多次反射泄漏之前，电磁波在屏蔽材料内传输三个厚度的距离，衰减已经相当大，多次反射泄漏也可以忽略。

一大功率线圈的工作频率为20KHz，在离该线圈0.5m处置一铝板以屏蔽线圈对某每感设备的影响，设铝板厚度为0.5mm；试计算铝板的屏蔽效能。4.4电磁屏蔽设计举例设计过程：先判断屏蔽体处于哪个场区

可见，则屏蔽板处于近场区。故反射损耗为：干扰源是大功率线圈，干扰场以磁场为主。查表可知：铝的，

吸收损耗为

:此时A<10dB，应考虑多次反射修正因子，为此先计算出铝板的特性阻抗zm和近场区以磁场为主的自由空间波阻抗zwm.故多次反射修正因子为：则该金属屏蔽板总的屏蔽效能为：电磁屏蔽分类4.5屏蔽材料1导磁材料根据磁屏蔽理论，磁屏蔽是利用由高导磁材料制成的磁屏蔽体，提供低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽体上的分流，来达到屏蔽的目的。因而磁导率成为选择磁屏蔽材料的主要依据。屏蔽材料磁导率磁感应强度磁场强度真空磁导率相对磁导率屏蔽材料抗磁性物质顺磁性物质铁磁性物质铋、铜、锌、银等铝、钡、钙、镁等铁、坡莫合金等屏蔽材料铁磁材料的导磁性特点：相对磁导率和H的非线性关系相对磁导率和H关系屏蔽材料铁磁性材料随频率升高，相对磁导率降低（？）磁屏蔽材料的效能还与外加磁场H的强弱有关。如图所示：静磁导率

=B/

H，在场强适中的部分，磁导率最高，这时屏蔽效能最高。在场强大或小时，磁导率都较低。大场强时，磁导率降低是由于饱和，这与材料的种类和厚度有关。当场强超过饱和点时，磁导率迅速下降。一般磁导率越高的材料，越容易饱和。大多数手册上给出的磁导率是最大磁导率，这很容易引起误解。材料的磁导率越高，也越容易饱和。屏蔽材料屏蔽材料

铁磁性材料尤其是高磁导率材料，对机械应力较为敏感，因为这类材料在加工时，受到机械力的作用，使磁畴的排列方向混乱，导致磁导率大为降低。例如坡莫合金，经机械加工后未经退火处理的磁导率仅为退火后磁导率的5%左右。因此磁屏蔽体在经机械加工后，必须进行退火处理，使磁畴排列方向一致，以提高材料的磁导率，其退火工序安排在屏蔽罩的机械加工全部完成之后进行。屏蔽材料2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藕合通道，以达到屏蔽的目的，因而电导率成为选择屏蔽材料的主要依据。由于电导率是一常数，不随场强及频率的变化而变化，因此电屏蔽和电磁屏蔽设计较磁屏蔽要简单得多，只需根据应用情况及经济成本，选择尽可能好的导电材料即可。4.6低频磁场屏蔽（100KHz以下）低频磁场低频磁场吸收损耗小反射损耗小高导磁材料高导电材料高导电材料如前所述：低频磁场是最难屏蔽的一种电磁波。这是由于其自身特性所决定的，首先，“低频”意味着趋肤深度很深，这决定了吸收损耗很小；“磁场”意味着波的波阻抗很低，这决定了反射损耗也很小。由于屏蔽材料的屏蔽效能是由吸收损耗和反射损耗两部分构成的，当这两部分都很小时，总的屏蔽效能也很低。另外，对于磁场，多次反射造成的泄漏也是不能忽略的。低频磁场屏蔽（100KHz以下）改善低频磁场屏蔽效能的方法：使用导磁率较高的材料，以增加吸收损耗。但是，导磁率高的材料通常导电性不是很好，这会降低反射损耗。对于磁场而言，反射损耗已经很小，主要是靠吸收损耗，吸收损耗的增加往往比反射损耗的减小幅度大，因此还是能够改善屏蔽效能的。但需要注意的是，对于电场，由于反射损耗是主要的，当将屏蔽材料换成导磁率高的材料是，损失的反射损耗要大于获得的吸收损耗，使屏蔽效能降低。低频磁场屏蔽（100KHz以下）改进的方法：为了能同时对电场和磁场有效的屏蔽，希望既能增加吸收损耗，又不损失反射损耗，可以在高导磁率材料的表面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上的反射损耗。其它：从吸收损耗的计算公式中可以看出，增加屏蔽材料的厚度同样可以增加吸收损耗，但这受到重量和体积的限制；另外，增加屏蔽材料与辐射源之间的距离可以增加反射损耗，但这也受到空间的限制。低频磁场屏蔽（100KHz以下）高导磁率材料的磁旁路效果H0H1R0RsR0H0RsH1SE=1+R0/RS低频磁场屏蔽（100KHz以下）

对于频率极低（如直流或50Hz）的磁场，用高导磁率材料做屏蔽时，除了吸收损耗以外，其磁旁路作用也是十分重要的：高导磁率材料构成的屏蔽体为磁场提供了一条低磁阻的通路，使磁场绕过敏感器件。旁路作用的计算：用电路模型来等效磁路：画一个并联电路图，图中并联的两个电阻分别代表屏蔽材料的磁阻和屏蔽体中空气的磁阻。用计算并联电路的方法可以如下关系式：

H1=H0RS/（RS+R0）式中：H1=屏蔽体中心处的磁场强度，H0=屏蔽体外部的磁场强度，

RS=屏蔽体的磁阻，R0=空气的磁阻

低频磁场屏蔽（100KHz以下）根据屏蔽效能的定义：

屏蔽效能=H0/H1=（RS+R0）/RS=1+R0/RS

磁阻的计算：

R=L/（

S）式中：L=屏蔽体中磁路的长度，

S=屏蔽体中穿过磁力线的截面面积，

=

0

r

。结论：

屏蔽体的磁阻越小，屏蔽效能越高。为了减小屏蔽体的磁阻，应该：使屏蔽体尽量小，这样可以使磁路尽量短，从而达到减小磁阻的目的.增加磁路的截面积使用导磁率尽量高的材料.低频磁场屏蔽（100KHz以下）低频磁场屏蔽图低频磁场屏蔽（100KHz以下）使用铁磁材料作屏蔽体时应注意以下问题:1）所用铁磁材料的磁导率产越高，屏蔽罩越厚，则磁阻越小，磁屏蔽效果越好。为了获得更好的磁屏蔽效果，需要选用高磁导率材料，并要使屏蔽罩有足够的厚度，有时需用多层屏蔽。所以，效果良好的铁磁屏蔽往往是既昂贵又笨重。低频磁场屏蔽（100KHz以下）(2)用铁磁材料做的屏蔽罩，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。

(3)铁磁材料的屏蔽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(包括磁滞损耗和涡流损耗)很大，导磁率明显下降。低频磁场屏蔽（100KHz以下）4.7高频磁场屏蔽高频磁场的屏蔽是利用高电导率材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。可用铍铜复合材料、银、或铝等材料，而这些材料对低频磁场没有任何屏蔽作用。高频磁场屏蔽涡流效应图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。反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场。高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽图高频磁场屏蔽等效电路图壳体等效为线圈高频磁场屏蔽则壳体等效线圈涡流为：在高频时，k是线圈与屏蔽盒之间的藕含系数，n为线圈匝数。高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽特点：

1）感应涡流产生的反磁场任何时候都不可能比感应出这个涡流的那个原磁场还大，所以涡流随频率增大到一定程度后，频率继续升高涡流就不会再增大了。2）屏蔽体电阻越小，则产生的感应涡流越大，面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，常用铝、铜及铜镀银等。3)由于高额电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，所以，高频屏蔽盒无须做得很厚。这与采用铁磁材料作低频磁场屏蔽体时不同。对于常用铜、铝材料的屏蔽盒，当频率了>1MHz时，机械强度、结构及工艺上所要求的屏蔽盒厚度，总比能获得可靠的高频磁屏蔽时所需要的厚度大得多，因此，高频屏蔽一般无须从屏蔽效能考虑屏蔽盒的厚度。实际中，一般取屏蔽盒的厚度为0.2-0.8mm。高频磁场屏蔽4)屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。因为垂直于涡流的方向上有缝隙或开口时，将切断涡流。这意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差，如果需要屏蔽盒必须有缝隙或开口时，则缝隙或开口应沿着涡流方向。5)磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽则壳体等效线圈涡流为：在低频时低频时产生的涡流小，因此涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。故利用感应涡流进行屏蔽在低频时效果是很小的，这种屏蔽方法主要用于高频。4.8强磁场屏蔽高导磁率材料：饱和低导磁率材料：屏效不够低导磁率材料高导磁率材料对强磁场屏蔽遇到一个矛盾，这就是从屏蔽效能考虑，希望材料的磁导率越高越好，但是磁导率高的材料在强磁场的作用下容易发生饱和。解决这个矛盾的方法是，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，然后用高导磁率材料将磁场衰减到满足要求。强磁场屏蔽4.9交变电场屏蔽交变电场耦合交变电场屏蔽则干扰电压为：要减小干扰电压，通过上面公式可知，需减小耦合电容C1交变电场屏蔽有屏蔽时的交变电场耦合（Z1屏蔽体对地阻抗）交变电场屏蔽则屏蔽体上的感应电压为：接收器上的感应电压为：4.10电磁场屏蔽近区：电场或磁场远区：电场和磁场均不能忽略。采用良导电材料，能同时具有对电场和高频磁场的屏蔽。由于高频集肤效应，电磁屏蔽无须做得很厚。当频率在500kHz－30MHz范围时，可选用铝；当频率大于30MHz时，选用铜、铜镀银等。4.11屏蔽体的结构－电屏蔽体电屏蔽体结构1）单层门盖结构2）双层门盖结构屏蔽体的结构－电屏蔽体1）单层门盖结构C1干扰源与门盖的耦合电容C2受感体与屏蔽盒盖间的电容ZJ为盒盖与盒体间的接触阻抗及盒体的接地电阻屏蔽体的结构－电屏蔽体被干扰源上的干扰电压为：从上式可以看出，应尽可能减小盒盖与盒体间的接触阻抗及盒体的接地电阻ZJ，消除盖与盒体接触面上的绝缘保护层盒氧化层，保证良好的电接触。屏蔽体的结构－电屏蔽体2）双层门盖结构屏蔽体的结构－电屏蔽体被干扰源上的干扰电压为：采用双层门结构，与单层门盖相比，多了一次衰减，提高了屏蔽效果。但每层依然要采取改善电接触的措施。两层盖中央应避免直接基础。屏蔽体的结构－电屏蔽体3）其他多层盖结构4.12屏蔽体的结构－磁屏蔽体磁屏蔽是利用屏蔽体对磁通进行分流，因而应采用盒装、筒状、柱状的结构。由于磁阻与磁路的横截面积和磁导率成反比，因此，磁屏蔽体的体积和重量比较大。结论：1）当两层屏蔽体厚度间的气隙厚度为总厚度的1/3时，屏蔽效果最好。2）在相同厚度情况下，双层效果优于单层屏蔽效果。双层屏蔽筒的屏蔽效能与气隙厚度关系屏蔽体的结构－磁屏蔽体4.13屏蔽体的结构－电磁屏蔽体电磁屏蔽是利用屏蔽体对电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰的目的。电磁屏蔽应采用板状、盒装、筒状、柱状。形状选择标准应减小接缝和避免腔体谐振为准。圆柱形机箱的屏效比长方形机箱高（高度和体积相等情况下）。显示窗4.14实际屏蔽体的问题通风口键盘指示灯电缆插座调节旋钮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、电缆线、电源线等电源线缝隙缝隙的泄漏低频起主要作用高频起主要作用一般情况下，屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。在实际工程中，常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。缝隙处的阻抗：缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效。低频时，电阻分量起主要作用；高频时，电容分量起主要作用。由于电容的容抗随着频率的升高降低，因此如果缝隙是主要泄漏源，则屏蔽机箱的屏蔽效能经常随着频率的升高而增加。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）、接触面的材料（一般较软的材料接触电阻较小）、接触面的清洁程度、接触面上的压力（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：根据电容器的原理，很容易知道：两个表面之间的距离越近，相对的面积越大，则电容越大。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）方法一：使用机械加工的手段（如用铣床加工接触表面）来增加接触面的平整度。缺点：加工成本高。缝隙泄漏的抑制方法二：使用电磁密封衬垫原理：电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫，那么，对于电磁波而言，就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样，不会发生电磁