1、第五章 屏蔽理论及其应用2011-03-14电流-磁场-电场-感应电压.电流-寄生耦合骚扰导致不能正常工作，极为有害 频率100kHz以上时，电路、元件的电磁辐射能力增强，电气、电子设备或系统中就存在着辐射电磁场的寄生耦合骚扰。 屏蔽电磁兼容工程中广泛采用的抑制电磁骚扰的有效方法之一。一般而言，凡是电磁骚扰都可以采用屏蔽的方法来抑制。1、 屏蔽的概念：屏蔽是防止辐射干扰的主要手段。 所谓屏蔽（Shielding）就是采用一定的技术手段（用导电或导磁的材料制成的金属屏蔽体Shield），把电磁骚扰源限制在一定的空间范围内，使骚扰源从屏蔽体的一面耦合或当其辐射到另一面时受到抑制或衰减。2. 屏蔽的
2、目的是：1）采用屏蔽体包围电磁骚扰源，以抑制电磁骚扰源对其周围空间存在的接受器的干扰；2）采用屏蔽体包围接受器，以避免骚扰源对其干扰。3. 屏蔽的关键点：1）屏蔽材料的选择；2）实际屏蔽体的设计。5.1 电磁屏蔽原理5.1.1 电磁屏蔽的类型 1.按采取屏蔽措施的对象分为： 主动屏蔽：把干扰源置于屏蔽体之内，防止电磁能量 和干扰信号泄漏到外部空间。 被动屏蔽：把敏感设备置于屏蔽体内，使其不受外部 干扰的影响。2、屏蔽按场的类型可分为 电场屏蔽：静电屏蔽/交变电场屏蔽 磁场屏蔽：静磁屏蔽（恒定磁场屏蔽）/交变磁场屏蔽 电磁场屏蔽 5.1.2 静电屏蔽 电磁场理论表面，置于静电场中的导体，在静电平
3、衡的条件下，具有下列性质：导体内部任何一点的电场为零；导体表面任何一点的电场强度方向与该点的导体表面垂直；整个导体是一个等位体；导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。 内部存在空腔的导体，在静电场中也具有上述性质。1）把有空腔的导体置入静电场中，由于空腔导体的内表面无静电荷，空腔空间中也无电场，所以空腔导体起了隔离外部静电场的作用，抑制了外部静电场对空腔空间的骚扰。2）空腔导体接地，见主动屏蔽、屏蔽静电场或变化缓慢的交变电场（例如工频电场， 高压带电作业的均压服）、屏蔽体：良导体壳（金属板、网）、主动屏蔽：屏蔽干扰源，导体壳接地。 只有将空腔屏蔽体接地接地，其外表面感应出的等量正
4、电荷沿接地导线泻放进入接地面，其产生的外部静电场就会消失，才能将静电场源产生的电力线封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到静电屏蔽的作用真正起到静电屏蔽的作用。、主动屏蔽：屏蔽干扰源，导体壳接地。如右图所示 原理：、对于静电场：B电位为0， 外表面没有电荷分布， 屏蔽是完全的。、A所带的电荷变化时（变化缓 慢的交变电场），接地线中出 现电流，这时： B外表出现电荷分布， 接地电阻不可能完全为0，B的 电位也不为零， B外仍有残留的电场，屏蔽是不完全的。 返回、被动屏蔽：屏蔽敏感设备， 原理上导体壳可以不接地，实际上一般也接地，如右图所示。 原理：空腔屏蔽导体是等位体， 其内部场强为0，不会出现电
5、力线，从而实现静电屏蔽。 外部存在电力线且终止在屏蔽体上 不接地，导体上的缝隙，孔 洞都可能引起电力 线的泄漏，降低屏 蔽效果。 接地，导体壳内、外静电位都为，可防止电力线的 泄漏，提高屏蔽效果。 实际的空腔屏蔽体不可能是完全封闭的理想屏蔽体，如不接地，就会引起外部电力线的入侵，造成直接或间接静电耦合。为了防止这种现象，空腔屏蔽体仍需接地。 综上可见，静电屏蔽必须具有两个基本要点：1. 完整的屏蔽导体；2. 良好的接地。 （5.1.3） 交变电场的屏蔽 骚扰源A和接受器B之间加入屏蔽体S，如右图所示。交变电压源UA，直接耦合电容C3很 小，可以忽略， 屏蔽体上的感应电压： 接受器上的干扰电压：
6、 要使UB减小，必须使C1、C2、ZS减小，只有使ZS0，才能使US0，UB0，即屏蔽体必须良好接地，才能提高屏蔽效果。 111SSASj C ZUUj C Z221BBSsBj C ZUUj CZZ 如果屏蔽导体没有接地或接地不良，那么接受器上的感应骚扰电压比没有屏蔽导体时的骚扰电压还要大，此时骚扰比不加屏蔽体时更为严重。（ C1 Ce 、C2 Ce ） 从以上分析可以看出，交变电场屏蔽的基本原理是： 采用接地良好的金属屏蔽体将骚扰源产生的交变电场限制在一定的空间内，从而阻断了骚扰源至接受器的传输途径。 必须注意，交变电场屏蔽 要求：1. 屏蔽体必须是良导体（金、银、铜、铝等）；2. 必须有
7、良好的接地。5.1.4 低频磁场屏蔽、屏蔽恒定磁场或变化 缓慢（100kHz以下） 的交变磁场。、屏蔽体：高磁导率 材料例如：硅钢片、 铁板（网）、坡莫合金 (含镍4580 ， 少量钼、铜、 铬、钒、锰)、屏蔽原理：利用铁磁材料的高磁导率对骚扰磁场进行分路。磁力线是连续闭合曲线，磁通构成的闭合回路，称为磁路。磁路中两点间的磁阻 空气01，屏蔽壳r103。 Rm壳Rm空气，磁力线集中在屏蔽壳的壁内（聚磁作用），磁通主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大大减小，从而起到磁场屏蔽效果。 磁屏蔽不可能把磁力线完全集中在屏蔽体内 ，总有一些泄漏，采用双层屏蔽，可以提高屏蔽效果。0mrlRS 图5-7 低
8、频磁场屏蔽（a）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，从而使线圈周围的元件、电路和设备不受线圈磁场的影响或骚扰。（b）外界磁通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。 使用铁磁材料作为屏蔽体时要注意下列问题：所用铁磁材料的磁导率u越高，屏蔽罩越厚（即s越大），则磁阻Rm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。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。铁
9、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。5.1.5 高频磁场屏蔽1. 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。 即利用了涡流反磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。 见P80 图5-8 高频情况下，感应涡流产生的反磁场足以排斥原骚扰磁场，从而起到了磁屏蔽作用，所以导电材料适于高频磁场屏蔽。 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。 频率低时，产生的涡流也小，涡流反磁场也就
10、不能完全排斥原骚扰磁场。所以该屏蔽方法主要用于高频。 2. 屏蔽材料 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，高频磁屏蔽材料需要用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。 3. 屏蔽体厚度 高频磁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0.20.8mm。4. 屏蔽盒的缝隙或开口 在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。否则会切断涡流。这意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差。 若必须有缝隙或开口，则缝隙或开口应 沿着涡流方向。正确的开口或缝隙对削弱涡流影响较小，对屏蔽效果的影响也较小。 尺寸一般不要大于波长的1/501/100。5. 接地 磁
11、场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。 与电场屏蔽不同。 当如果将金属导电材料制造的屏蔽盒接地，则它就同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用。 所以，实际中屏蔽体都应接地。磁屏蔽材料的频率特性5.1.6 电磁屏蔽 通常所说的屏蔽，多半是指电磁屏蔽。 所谓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。 交变场中，电场和磁场总是同时存在的。 但频率较低范围内，干扰一般发生在近场，近场中随着干扰源的特性不同，电场分量和磁场分量有很大差别。 高电压小电流骚扰源以电场为主； 低电压高电流骚扰源以磁场为主。 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。需要
12、将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。 采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体，就能同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用。对于良导体而言其集肤深度很小，因此电磁屏蔽体无须做得很厚。 当频率在500kHz30MHz范围内，屏蔽材料可选用铝； 当频率大于30MHz，则可选用铝、铜、铜镀银等。一、用于屏蔽高频电磁场二、屏蔽体：导体壳(金属板、网、膜) 原理：以单层金属板为例， 电磁波入射在导体板上。1、在导体板表面发生反射（S2）和透射，2、透射波在导体板中产生感应电流，引起电磁能量的损耗 （S1），3、透射波在导体板内发生多重反射（S3）， 所以，总的损耗（屏蔽效果）包括反射损耗S2、吸收损 耗S1和多重反
13、射损耗S3 S S1 S2 S3 dB 设入射波为 10E111010000101 = (2) rER EER、反射系数 导体中振幅衰减，衰减常数： 是透入深度。211101010022 = (3)2 ET ETE、透射系数222 113,diEE e、1 (4)f22202 122 12 103210122 10001002042254 (5)()riididER EEET EE eeE 、6、 经导体板吸收衰减后到达界面1，反射和透射， 再经导体板吸收衰减后到达界面2，反射和透， 从 开始，称为导体板内的多重反射 损耗S3 。7、总的透射场强 22 1rE22 1rE33312212201
14、 2022220212001 22220, 14(1) (6) 11()ddddEEENTT eERmR em eETTmm e 递减的等比数列20200307()1 20lg (9)4 377, 2 2.81 10 3.69 10rrrSdBjff 、反射损耗对于平面波良导体 (10)fG1220232222131 (7)(1) dB 20lg(1)20lg20lg 1 (8) ddddEm eSEm eSmem eSSS 屏蔽效果（总的损耗）用表示：反射损耗吸收损耗多重反射损耗7070220000002 G , 5.8 10 1, 1, 3.69 101()1 9 444 20lg 4cu
15、cucucucurGGGfS 是某种金属相对于铜的电导率，可以证明，对于良导体：例：铜（ ）式中： 10() 168.2 10lg108.2 10lg (11)rrff MHzdBGG把（ ）式代入273732 1, 1, 108.2 10lg() 101 10 , = 5.8 105.8 108.2 10lg5.8 10() 108.2 10lgrrfGSf MHzdBGSf MHz例： 一定，铜板铁板11()37.6 2 20lg8.686 2 131.4 131.4 ()() (1drrf MHzdBSeddSdfGd mmf MHzGdB铜板的反射损耗比铁板大。、吸收损耗：导体板的厚度
16、，：衰减常数， 对于良导体2)例：f一定， 铜板：rG1、 铁板：rG1 铁板的吸收损耗大。3、导体板内的多重反射损耗 图5中，经反射、吸收后， 已经很小， 一般，若吸收损耗S115dB时，S3可以忽略。当S1较小时（例如：导体板很薄，f很低时），可 以利用上式计算导体板内的多重反射损耗。、几点说明由于电磁屏蔽的基本原理，本质上是利用导体板中所 产生的感应电流的作用，所以屏蔽体上不能在垂直于 电流的方向上开缝，这样就切断了感应电流，降低屏 蔽效果。同时，屏蔽体上的孔洞或缝隙，当有电流从22320lg 1 dSm e22 1rE 其边上流过时，会产生天线效应，同样会导致屏蔽效 果下降。为了保证总
17、的屏蔽效果，屏蔽层的厚度应接近（或大 于）屏蔽层内电磁波的波长 良导体内 例：f5105Hz（0.5MHz），铜板内 0.59mm， f1MHz , 铜板内 0.066mm， f100MHz， 铜板内 0.0066mm， f50Hz， 铜板内 59mm， 铁板内 4.5mm， 在低频时，铁板的屏蔽效果好。 721210rf 四、一些实用的屏蔽技术、金属网屏蔽、金属网的屏蔽效果，主要是利用反射损耗，吸收损耗 比较小。、屏蔽效果：不同的资料上介绍了好几种计算方法，下 面介绍一种计算比较简单的：当金属网的网眼的最大 尺寸b2时， 理论上：若网孔间间距60根以上，孔隙率50以 下，金属网与金属板的反射
18、损耗近似相等。 实际上：由于网线之间接触电阻的影响，实际的屏蔽 效果要低得多，旧金属网，表面生锈，接触 电阻很大，屏蔽效果下降很多。 可采用拉制的金属网或双层金属网提高屏蔽效果。41.5 1020lg () ()SdBb cm f MHz2、薄膜屏蔽、定义：若在某一屏蔽层内传播的电磁波的波长为，屏蔽层的厚度为d，若d4，称为薄膜屏蔽。 一般是在一种衬底材料上喷涂一层金属薄膜。例：f100MHz时，铜膜内0.0066mm， d41.65103mm。 一些微电子器件外面利用真空沉积法形成一层金属薄膜，起屏蔽作用。、屏蔽效果：由于屏蔽层很薄，吸收损耗S1可以忽略， 屏蔽效果主要取决于反射损耗S2。铜
19、薄膜屏蔽效果的计算结果如下页表所示。a、表中给出的是计算的理论值，实际的屏蔽效果要低一些，是由于薄膜的厚度不均匀，屏蔽体（如机箱）上有缝隙或孔洞。 10110Amb、表中的多重反射损耗是负值，是由于 S3可能出现负值，如右图电磁波由空气导体，反射波相位推迟，d0，电磁波由导体空气，相位变化很小， 和 可能反相，多重反射可能使屏蔽效果下降， 表中d较大时，S3也可能是正值。c、 由于薄膜屏蔽层的吸收损耗可以忽略，对低频磁场的 屏蔽效果较差，薄膜屏蔽主要用于高频范围内。2232220lg 1 0 20lg 1dSm edmS 12E1rE3、双层屏蔽 在干扰场很强的情况下，单层屏蔽效果不能满足要求
20、时，可采用双层屏蔽。两层屏蔽材料之间隔开一定的距离（空气或介质），总的吸收损耗有两层屏蔽材料的种类和厚度决定，反射损耗可增大近一倍，可有效地提高总的屏蔽效果，常见的有三种形式，、既屏蔽电场也屏蔽磁场一层非磁性材料，（如铜板、铝板，靠近干扰源，可 增加反射衰减），一层磁性材料（如钢板）。、只屏蔽电场：两层非磁性材料。、只屏蔽磁场：两层磁性材料。、防止屏蔽箱的空腔谐振、空腔谐振 封闭的导体空腔，在微波段称为空腔谐振器（或谐振 腔），关于谐振腔的详细讨论见“电磁场与电磁波” 或“微波技术”课本。 导体空腔的谐振频率：设一矩形空腔，边长分别是l、w、 h（m），谐振频率： 或 其中C为光速：3108m
21、/s，p、m、n0，1，2，p、 m、n中只能有一个为0。 222 2cpmnfHzlwh222150 pmnfMHzlwh 导体空腔的截止频率（最低谐振频率） 设l、wh，则： 或 、防止谐振的措施 干扰场强的频率如果等于屏蔽箱的谐振频率，将使屏 蔽箱内的干扰场强增大很多，使屏蔽效果明显下降。 防止措施： 设计屏蔽箱时，要使其截止频率高于可能出现的干扰场 强的频率。 若不能实现，至少要使可能出现的干扰场强的频率不 等于每个谐振频率。 采用双层屏蔽时，两屏蔽层之间的空腔也可能发生谐振。02211 2cfHzlw02211150 fMHzlw内容回顾：内容回顾： 工程上为了精确，工程上为了精确，
22、 远场区远场区 近场区近场区r102r0.12通常将空间某处的电场与磁场的横向分量的比值称为媒质的波阻抗 电基本振子和磁基本振子远区场远区场的波阻抗为它等于媒质的波阻抗（特征阻抗)。 在自由空间，基本振子的波阻抗可以简化为但是近区场的波阻抗表示式复杂的多，且电基本振子和磁基本振子的近区场的波阻抗表示式完全不同。0W00ZZ120377WZWZEH5.2 屏蔽效能5.2.1 屏蔽效能的表示 屏蔽体的好坏，定量分析和表示屏蔽效果，通常采用屏蔽效能（Shielding Effectiveness）表示屏蔽体对电磁骚波的衰减程度。用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分
23、之一。 屏蔽效能与屏蔽材料的性能、骚扰源的频率、屏蔽体至骚扰源的距离及屏蔽体上可能存在的各种不连续的形状和数量有关。一般而言，对于近场，电场和磁场的近场波阻抗不相等，电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能也不相同； 但是对于远场，电场和磁场是统一的整体，电磁场的波阻抗是一个常数，电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能相同。1、屏蔽效能的定义定义为：没有屏蔽时某点的场强与有屏蔽时的场强之比。 T为传输系数00sH120lg 20lg20lgHEHsESESEET或2、屏蔽的两个目的3、屏蔽的作用4、屏蔽体的类型5、屏蔽效能的计算方法5.3 无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能公式（5-29）表明：磁性材料屏蔽体相对磁导率
24、ur=1时，其屏蔽效能为0若相对磁导率ur1，则若满足大半径薄壁，则该式表明厚度t=0的屏蔽体，其屏蔽效能也是0 从而表明： 无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能理论计算公式的正确性。20rr1r(1)(1)2(1)20 lg20 lg(dB)4HppSEHp（5-29）(1)2(1)SE20lg4rpppr1112 120lg20lg 1(dB)42rpptSER图5-12内半径a5mm的圆柱腔，屏蔽效能随厚度t和相对磁导率变化的关系曲线。（1）磁导率越高，屏蔽效能越大；（2）屏蔽效能随厚度从0开始增加，但是当厚度增加到某一值 时，继续增加屏蔽体厚度，屏蔽效能的增加非常缓慢。图5-13是同一种
25、屏蔽材料为不同厚度时屏蔽效能随内半径a变化的关系曲线。（1）壁厚度比平均半径对屏蔽效能的影响要大；（2）同一厚度时，屏蔽空间的扩大将使屏蔽效能缓慢降低。5.4 低频磁屏蔽效能的近似计算 矩形截面220lg(1)0rtHtSE= 20lg=Ha 屏蔽材料的磁导率越大，屏蔽盒的厚度t越大，则屏蔽效果越好； 屏蔽盒垂直磁场方向的边长a越小，屏蔽效能越大。所以，当屏蔽盒的截面为长方形时，应使其长边平行于磁场方向，而短边垂直于磁场方向。 低频磁屏蔽要求厚度t很大，这使屏蔽体既笨重又不经济，所以，要得到良好的屏蔽效能，最好采用多层屏蔽。5.5 计算屏蔽效能的电路方法不讲5.6 屏蔽的平面波模型5.6.1导
26、体平板的平板效能 1.单层屏蔽体的有效传输系数T由不同电磁参数的三层媒质构成的空间区域如图5-23所示各媒质的本征阻抗(波阻抗)互不相同。厚度为L的导体平板的波阻抗为Z2，其左边媒质的波阻抗为Z1，右边媒质的波阻抗为Z3。 电磁场理论指出：入射到有耗媒质平面分界面上的电磁波，部分被反射，其余部分透过界面在有耗媒质中衰减传输，出射后的电磁波强度较入射电磁波强度减小。 这种现象就是有耗媒质的电磁屏蔽机理。显然，屏蔽效果与屏蔽体的电磁特性、结构等参量有关。评价屏蔽效果的常用指标是屏蔽效能。用具有下标1、2、3的、分别依次表示各区域中媒质的磁导率、介电常数和电导率；用、Z分别依次表示各区域中平面电磁波
27、的传播常数、媒质的本征阻抗，且 j(j)jjZ 用Tij、ij表示电磁波由区域i向区域j传播时分界面处的传输系数和反射系数。2.单层屏蔽体的屏蔽效能112211112c1EEEE211313x LEETTT(1)E1Z =Z20lg20lg(1)Z =ZStttttttttcteep eqeeepeqeeTe 111EH在图5-23中没有屏蔽体时， = 处的电场是 （0）（0）则电场屏蔽系数为（0）当，SE =SE =SE分析：1.时，电场和磁场的屏蔽效能相等。 2.媒质1无耗，因子只对相位有贡献，对 E无贡献。 3.媒质1有耗，此因子会使屏蔽效能降低。5.6.3 屏蔽效能计算的解析法 设厚度
28、为t的导体平板屏蔽体两侧的区域为自由空间，则单侧平板屏蔽体的屏蔽效能表达式简化为： 111cc2121SE20lg20lg TT20lg(1)20lg20lg20lg 120lg20lgARBAdBBBtttttttpeqeeepqeeARBeARB 屏蔽效能可分解为吸收损耗 、反射损耗 和多次反射损耗15时，多次反射损耗 可忽略不计（ 总是负的或趋近于0）1.吸收损耗 当电磁波通过金属板时，金属板感应涡流产生欧姆损耗，并转变为热能而耗散。 同时涡流反磁场抵消入射波骚扰场而形成吸收损耗rrrrrrrrA=0.131t f()tmm fHz 5-2 AtmmftRt0.131 fdB 其中 ：屏
29、蔽体厚度：屏蔽体相对磁导率： 屏蔽体相对于铜的电导率：频率表给出和可根据要求的吸收衰减量求出屏蔽体的厚度：=（） 增大， 减小，若考虑反射损耗 ， 可更小高频时，选择屏蔽体厚度不需从屏蔽效果考虑，而只从工艺结构和机械性能考虑。2.反射损耗R 电磁波在两种媒质（自由空间和屏蔽体）交界面的反射损耗，与两媒质特性阻抗的差别有关。 一般自由空间波阻抗Z1金属屏蔽体的波阻抗Z2远区平面波反射损耗近区电场反射损耗近区磁场反射损耗p322mmp16810 lgRe321.710 lg14.610 lgRerrrrrrRdBfdBf rrRfdBRR通常磁场反射损耗小于平面波反射损耗3.多次反射损耗屏蔽体第二
30、边界的反射波发射到第一边界，再次反射接着又回到第二边界进行反射。如此反复进行，就形成了屏蔽体内的多次反射当屏蔽体较厚或频率较高时，屏蔽体吸收损耗较大；一般取A10dB，多次反射损耗即可忽略不计。但当屏蔽体较薄或频率较低时，吸收损耗很小一般在A10dB时，需考虑多次反射作用对屏蔽效能的影响2B=20lg 1tedB5.7 孔缝屏蔽泄漏 各种独立封闭系统的壳体大部分由金属板材加工拼接而成。由于实际需要，在金属板材接缝处存在缝隙、开孔。 严格来说，任何封闭系统的金属壳体并不是一个完整的理想屏蔽体。 典型机箱壳体的不完整结构，孔缝结构归纳为一下几种：接缝处缝隙 通风散热孔 活动盖板或窗盖的连接构件 各
31、种表头、数字或指针显示观察窗口 控制调节轴安装孔指示灯座、保险丝座、电源开关和操作按键安装孔电源线、信号线安装孔。 5.7.1 金属板缝隙的电磁泄漏 屏蔽体上的接缝处，由于接合表面不平整，清洗不干净，焊接质量不好，紧固螺钉(铆钉)之间存在孔隙等原因，在接缝处会形成缝隙(Seam)。 缝隙是沿其长度在不同的连接处产生电接触的长的窄缝。可以把缝隙看作是一系列的窄缝。图5-26 金属板缝隙模型及其等效阻抗 缝隙的等效阻抗由一电阻性元件和一电容性元件并联组成，如图所示。 由于存在电容性元件，接缝阻抗( )随着频率增大而减小，于是屏蔽效能也随之减小。 为了分析缝隙的电磁泄漏，设图5-26所示的缝隙模型中
32、，缝隙长度为无限长，缝隙宽度为g，金属板的厚度为t。 1/ j c 缝隙阻抗依赖许多因素：缝隙表面的材料；接触压力；缝隙表面的面积等。 在平面电磁波的作用下，缝隙中的波阻抗大于自由空间的波阻抗(基于波导理论) ，在缝隙入口处产生波阻抗的突变，导致反射损耗R；由于电磁波在缝隙内传输时产生传输损耗T。因此，缝隙的总损耗包括反射损耗和传输损耗。 当屏蔽壳体存在缝隙时，通常磁场泄漏的影响要比电场泄漏的影响大。在大多数情况下,采用减小磁场泄漏的方法也更适用于减小电场的泄漏,因此，要着重研究减小磁场的泄漏。通过金属板上无限长缝隙泄漏的磁场为HgH0e t/g(5-94) 式中，H0、Hg分别表示金属板前、
33、后侧面的磁场强度。 由式(5-94)可见，缝隙深而窄(tg)，电磁泄漏就小。与无缝隙的情况比较，如果要求经缝隙泄漏的电磁场与经金属板吸收衰减后的电磁场强度相同，并使gHtH0et/，这相当于无缝隙时的屏蔽效果，则g 。通过缝隙的传输损耗(也可看作缝隙的吸收损耗)为 (5-95)可见，当gt时，通过缝隙的传输损耗为27 dB。(dB)274.274343. 020elg20lg20/0gttgHHTgtg设缝隙波阻抗与自由空间波阻抗的比值为k，近区磁场中kg/ r (r为缝隙离场源的距离)； 远区平面波电磁场中，kj6.69105 f g(其中f为骚扰源频率，单位: MHz；g为缝隙宽度，单位:
34、cm)。因此，波阻抗突变引起的反射损耗为 (5-96)最后得到缝隙总的屏蔽效能为(5-97) kkR4)1 (lg202kkgtSE4)1 (lg203 .2725.7.2 金属板孔隙的电磁泄漏 许多屏蔽体需要开散热孔、导线引入/引出孔、调节轴 安装孔等，从而形成孔隙的电磁泄漏。 屏蔽体不连续性所导致的电磁泄漏量主要依赖于： 孔隙的最大线性尺寸（不是面积）; 波阻抗; 骚扰源的频率。如图设金属屏蔽板上有尺寸相同的n个圆孔、方孔或矩形孔，每个圆孔的面积为q，每个矩形孔的面积为Q，屏蔽板的整体面积为F。 假定孔隙的面积与整个屏蔽板面积相比极小，即qF或QF。假定孔隙的最大线性尺寸远小于骚扰源的波长
35、，即对于圆孔，其直径D；对于矩形孔，其长边b5时，b/2a ln(0.36b/a)。 当ab时，则按缝隙的电磁泄漏计算传输系数。 3/204hhHqTnHF3/204hhHkQTnHF 32)/(abk 电磁场透过屏蔽体大体有以下两个途径:即透过屏蔽体的传输和透过屏蔽体上的孔隙的传输。这两个传输途径实际上是互不相关的，因此，在计算屏蔽效能时可以分成两部分进行。假定屏蔽壳体是理想封闭的导体金属板，即在无缝隙屏蔽壳体的情况下，计算金属板的传输系数Tt。 通过计算，选择屏蔽壳体的材料及其厚度。假定屏蔽壳体是理想的导体金属板，即在电磁场只能透过屏蔽壳体上孔隙的情况下，计算孔隙的传输系数Th。 通过计算
36、，确定屏蔽壳体的结构。 设透过屏蔽壳体和透过屏蔽壳体上的孔隙的电磁场矢量在空间同相且相位相同则具有孔隙的金属板的总传输系数为TTtTh总的屏蔽效能为(5-100)由式可见，对于有孔隙的金属板来说，即使选择的屏蔽材料具有良好的屏蔽性能，如果屏蔽结构处理不当，孔隙很大，孔隙的传输系数很大，则总的屏蔽效能仍然很低。 因此，实际的屏蔽效果决定于缝隙和孔隙所引起的电磁泄漏，而不是决定于屏蔽材料本身的屏蔽性能。htTTTSE1lg201lg20孔隙的电磁泄漏与孔隙的最大线性尺寸、孔隙的数量和骚扰源的波长有密切关系:随着频率增高，孔隙的电磁泄漏严重；相同面积S，缝隙比孔隙的电磁泄漏严重 矩形孔比圆形孔的电磁
37、泄漏严重。当缝隙长度接近工作波长时，缝隙就成为电磁波辐射器，即缝隙天线。因此，对于孔隙，要求其最大线性尺寸小于1/5波长；对于缝隙，要求其最大线性尺寸小于1/10波长。107页例题5.7.3 截止波导管的屏蔽效能 带孔隙的金属板、金属网，对超高频以上的屏蔽基本上已经没有屏蔽效果。需要采用截止波导管来屏蔽。 波导管实质上是高通滤波器高通滤波器，对在其截止频率以下的所有频率都具有衰减作用。作为截止波导管，其长度比其横截面直径或最大线性尺寸至少要大三倍。 波导管常有圆形截面和矩形截面两种。金属波导管的最低截止频率(Cutoff Frequency)fc只与波导管横截面的内尺寸有关。圆形波导管的最低截
38、止频率为 式中，d表示圆形波导管的横截面内直径，单位为cm。矩形波导管的最低截止频率为式中，b表示矩形波导管横截面的最大线性内尺寸，单位cm。电磁场从波导管的一端传输至另一端的衰减与波导管的长度成正比，其关系式为 (GHz)5 .17cdf (GHz)15cbf 29cc1.823 101(dB)fSflf 如果ffc，则将圆形波导管和矩形波导管的截止频率代入可得圆形波导管(Round Wave-guide)的屏蔽效能为 (5-101) 矩形波导管的屏蔽效能为 (5-102)由式可见，当圆形波导管的长度为其直径的三倍时，其衰减可达96 dB。 所以，伸出机壳的调整轴等用绝缘连轴器穿过截止波导管
39、，就能很容易地抑制电磁泄漏。(dB)32dlSE (dB)3 .27blSE 六角形波导管及其组成的蜂窝状通风孔阵列如下图所示。六角形波导管的最低截止频率为式中，W表示六角形波导管内壁的外接圆直径(内壁最大宽度)，单位为cm。因此，六角形波导管的屏蔽效能(ffc)为 (5-103) (GHz)15cWf (dB)35.27WlSE 由许多单个截止波导管紧挨着排列在一起组成通风孔阵列，形如蜂窝状，称为蜂窝状通风孔。它可以增大通风面积及通风流量，满足散热要求，提高屏蔽效能。 设计截止波导管时， 1. 首先根据骚扰场的最高频率f来确定波导管的截止频率fc ，使f3d、l3W或l3b。 5.7.4 孔
40、阵的电磁屏蔽效能为了通风散热，在屏蔽壳体上开一系列的小孔形成孔阵。根据孔隙屏蔽的原理可知，在相同面积上，将较大的通风孔改成孔径较小的多孔阵列，这样，较大的通风孔的孔径减小，屏蔽效能提高。本节所有公式适用于d/2或b/2的情况。第一项代表通过屏蔽壳体上的孔隙的电磁泄漏；第二项代表每个孔隙作为截止波导管时的厚度修正系数。 5.7.5 通风孔的屏蔽效能影响通风窗口屏蔽效能的因素主要有场源特性、场源频率、屏蔽体至场源的距离、窗口面积、窗口形状、屏蔽体的材料特性和屏蔽体厚度等。 通风窗口的屏蔽效能可表示为：SEAR+B+K1+K2+K3其中A：吸收损耗； R：反射损耗； B：多次反射损耗； K1：单位面
41、积内孔隙数的修正系数； K2：低频穿透修正系数； K3：邻近窗孔相互耦合的修正系数。（1）吸收损耗）吸收损耗AA是不连续性引入的吸收损耗。当入射电磁波的频率远小于截止波导管的截止频率时，孔隙可以看作为截止波导窗。矩形孔隙的吸收损耗：SE27.3t/W （dB）圆形孔隙的吸收损耗：SE 32t/D （dB）式中：t为孔隙的深度（cm）；D为圆形孔隙的直径（cm）；W为与入射电场垂直的矩形孔隙的宽边长度（cm） 。5.8 抑制电磁泄漏的工程措施 实际屏蔽体往往有缝隙、孔隙，引起导电不连续性，产生电磁泄漏，使其屏蔽效能远低于无孔缝的完整屏蔽壳体的理论计算值。 因此，屏蔽设计、屏蔽技术的关键是如何保证
42、屏蔽壳体的完整性，使其屏蔽效能尽可能不要降低。 实践证明，当孔隙、缝隙的最大线性尺寸等于骚扰源半波长的整数倍时，孔缝的电磁泄漏最大。 因此一般要求孔隙、缝隙的最大线性尺寸小于波长的1/101/100。1.导电衬垫（Conductive Gasket也称为EMI衬垫） 屏蔽壳体上的永久性缝隙应采用焊接工艺密封。目前采用氩弧焊。氩弧焊还可以保证焊接面的平整。 非永久性配合面形成的缝隙（接缝）通常采用螺钉紧固连接。但由于配合面不平整或变形，使屏蔽效能下降。导电衬垫是减小配合面不平整或变形的重要屏蔽材料，已经广泛应用。通常对导电衬垫的基本要求如下：导电衬垫应有足够的弹性和厚度，以补偿螺栓压紧接缝时所出
43、现的不均匀性。所用材料应耐腐蚀，并与屏蔽壳体材料的电化学性能相容，即应该选择电位接近的材料作为接触面，防止电化学腐蚀。导电衬垫转移阻抗尽可能低。转移阻抗越低，屏蔽效能越高，电磁泄漏越小。导电衬垫的压缩变形或寿命符合要求。几种导电衬垫：卷曲螺旋弹簧卷曲螺旋屏蔽条高性能型屏蔽条硅橡胶芯屏蔽衬垫指形簧片衬垫指形簧片衬垫：铍青铜冲压而成，接合面的不平度可由各齿作不同量的弯曲予以弥合，广泛应用于经常需要拆装的屏蔽机箱或盖板。提供100的接缝覆盖，弹性很大，并且提供良好的电气接触，可以实现大于100dB的屏蔽效能。金属编织网衬垫：图5-34导电橡胶衬垫：对于10GHz平面波，其屏蔽效能可达120dB。2.
44、 通风窗口的EMI屏蔽 为满足屏蔽壳体的通风散热要求，有时需要在屏蔽壳体上开孔缝。 如果处理不当，往往会降低屏蔽壳体的屏蔽效能。 采用穿孔金属板作为通风窗口或采用金属丝网覆盖通风窗口的方法，适合于低频屏蔽。 需要使用截止波导管式的蜂窝板。该蜂窝板具有工作频带宽、对空气的阻力小、机械强度高及工作可靠稳定等优点。3. 屏蔽窗 显示器、监视器等必须使用屏蔽窗，以防止电磁泄漏。 可由层压在聚丙烯或玻璃之间的细金属丝网支撑，也可将金属薄膜真空沉积在化学基片上制成。 屏蔽窗的透光度应保持在6080。 目前应用的柔性平面屏蔽窗、柔性弧度屏蔽窗和刚性屏蔽窗在9kHz1.5GHz的频率范围内，屏蔽效能可达80d
45、B以上。4.开关、表头的EMI屏蔽 表头或显示器(液晶显示器、数码管、显象管、示波管等)的安装口是机箱上较大的开口，可在其后面加装金属屏蔽罩，面板用导电玻璃(屏蔽效果2040dB)或夹有金属丝网的玻璃(屏蔽效果4080dB)屏蔽，四周安装导电衬垫以减小缝隙和改善接触。5. 旋转调节孔的EMI屏蔽 设备面板上可变电容器、可变电感器、可变电阻器、波段开关等调节轴四周的缝隙，可用导电衬垫或波导衰减器抑制电磁泄漏。电源线、输入、输出信号线的出入口也可以用波导衰减器屏蔽。6 导电涂料由丙烯酸或环氧粘合剂混和细小的银、铜、镍或石墨颗粒制成，表面厚度通常是2550微米。导电涂料主要靠反射损耗来抑制电磁泄漏。
46、导电涂料主要应用于系统的塑料外壳；改善现有的普通的或恶化的导电表面的屏蔽效能；防ESD或静电积累现象；增大结合面或密封衬垫的接触面积。7. 导电箔铝是一种良导体，一个大约25微米厚的薄铝片，在10MHz以下没有吸收损耗，但是对电场的任何频率都有很好的反射损耗。对于低频磁场和一般的近区场是不起作用的；很难与其它材料实现低阻抗、持久的电气连接。8. 导电布由镍、纯化的铜或其它细金属纤维制成，对于远区平面波电磁场有不小于40dB的屏蔽效能。在100kHz到GHz的频率范围内，其立体屏蔽效果可达到3050dB。作业一：1. 什么是屏蔽？2. 电磁屏蔽有哪些类型？3.静电屏蔽与交变电场屏蔽的异同之处？4.低频磁场和高频磁场屏蔽的原理？5.屏蔽盒上的缝隙和开口方向如何确定？作业二：1. 圆柱腔的厚度、内半径和磁导率对其静磁屏蔽效能的影响？2. 孔隙和缝隙电磁泄漏的特点？3. 通风孔的屏蔽效能取决于？4. 抑制电磁泄漏的工程措施？ 图5-4 交变电场的耦合返回返回图5-23 屏蔽的平面波模型返回设导电衬垫一侧存在电流I时，另一侧有电压U，则转移阻抗为：ZTU/I转移阻抗越低，屏蔽效能越高，电磁泄漏越小。返回 指形簧片衬垫返回返回
