1、第4章（2）电磁屏蔽技术 屏蔽材料的选择 实际屏蔽体的设计第1页，共67页。电磁屏蔽屏蔽前的场强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=20 lg(E1/E2)dB 第2页，共67页。电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。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。影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任
2、何修改。屏蔽体的有效性用屏蔽体的有效性用屏蔽效能屏蔽效能来度量。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，则称为电场屏蔽效屏蔽效能，如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。能。第3页，共67页。由于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之一，因此通常用分贝来表述。下表是衰减量与屏蔽效能的对应关系：无
3、屏蔽场强 ：有屏蔽场强 屏蔽效能SE（dB）10 ：1 20 100 ：1 40 1000 ：1 60 10000 ：1 80 100000 ：1 100 1000000 ：1 120 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设备的屏蔽机箱的屏蔽效要达到80dB以上以上。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。第4页，共67页。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 AB R ABB第5页，共67页。波阻抗的概念波阻抗电场为主电场为主
4、 E 1/r3 H 1/r2磁场为主磁场为主 H 1/r3 E 1/r2平面波平面波 E 1/r H 1/r377/2到观测点距离 rE/H第6页，共67页。吸收损耗的计算t入射电磁波E0剩余电磁波E1E1=E0e-t/A 20 lg(E0/E1)=20 lg(e t/)dB0.37E0 A 8.69(t/)dBA=3.34 t f rr dB第7页，共67页。趋肤深度举例第8页，共67页。反射损耗 R 20 lgZW4 Zs反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。ZS=3.68 10-7 f r/r远场：377近场：取决于源的阻抗同
5、一种材料的阻抗随频率变第9页，共67页。不同电磁波的反射损耗远场:R 20 lg3774 Zs4500Zs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m）f=电磁波的频率（MHz）2 D fD f Zs Zs电场:R 20 lg磁场:R 20 lgdB第10页，共67页。影响反射损耗的因素150 0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M平面波3 108/2rfR(dB)r=30 m 电场r=1 m靠近辐射源r=30 m磁场 r=1 m靠近辐射源第11页，共67页。综合屏蔽效能 (0.5mm铝板)150250平面波平面波00.1k 1k 10k 100k 1M 10M高频时高频时电磁波种
6、类电磁波种类的影响很小的影响很小电场波电场波 r=0.5 m磁场波磁场波 r=0.5 m屏蔽效能（dB）频率第12页，共67页。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。，因此要对前面的计算进行修正。B=20 lg(1-e-2 t/)说明：说明：B为负值，其作用是减小屏蔽效能为负值，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，可以忽略对于电场波，可以忽略第13页，共67页。说明一：说明一：对于电场波，由于大部分能量在金属与
7、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：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：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。第14页，共67页。怎样屏蔽低频磁场？低频磁场低频磁场吸收损耗小反射损耗小高导电材料高导磁材料高导电材料第15页，共67页。n改善低频磁场屏蔽效能的方法：改善低频磁场屏蔽效能的方法：使用导磁率较
8、高的材料，以增加吸收损耗。使用导磁率较高的材料，以增加吸收损耗。n理由：理由：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。比反射损耗的减小幅度大，因此还是能够改善屏蔽效能的。n改进的方法：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，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可以在高导磁率材料的表面增加一层高导电
9、率材料，增加电场波在屏蔽材料与空气界面上的反射损耗。气界面上的反射损耗。第16页，共67页。高导磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0RsSE=1+R0/RSH1=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=空气的磁阻第17页，共67页。n旁路作用的计算：旁路作用的计算：n 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：n H1=H0 RS/（RS+R0）n 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=空气的磁阻第
10、18页，共67页。n根据屏蔽效能的定义：根据屏蔽效能的定义：n 屏蔽效能=H0/H1=（RS+R0）/RS =1+R0/RS n磁阻的计算：磁阻的计算：R =S/（A）n 式中：S=屏蔽体中磁路的长度，n A=屏蔽体中穿过磁力线的截面面积，=0 r。第19页，共67页。低频磁场屏蔽产品第20页，共67页。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 103第21页，共67页。n钢的相对磁导率钢的相对磁导率n 频率（频率（MHz）rn 0.0001 1000n 0.001 1000n 0.01 1000n 0.1
11、 1000n 1.0 700n 10.0 500n 100.0 100n 1000.0 50第22页，共67页。磁导率随场强的变化磁通密度 B 磁场强度 H饱和起始磁导率最大磁导率=B/H第23页，共67页。n屏蔽强磁场时的问题：屏蔽强磁场时的问题：当要屏蔽的磁场很强时，存在一对矛盾，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。如果用比较不容易饱和的材料，往往由于=较低，屏蔽性能又达不到要求。n解决方法：解决方法：采用双层屏蔽可以解决这个问题。先用导磁率较低，但不容易饱和的材料将磁场强度衰减到较低的程度，然后用高导磁率材料提供足够的屏蔽。多层屏蔽的屏蔽效能要比单层屏
12、蔽（即使没有饱和）的屏蔽效能高，因为多了两层反射界面。第24页，共67页。加工的影响2040608010010 100 1k 10k跌落前跌落后第25页，共67页。n加工的影响：加工的影响：对高导磁率材料进行机械加工，如焊接、折弯、打孔、剪切、敲打等，都会降低高导磁率材料的磁导率。工件受到机械冲击也会降低磁导率。从而影响屏蔽体的屏蔽效能。n解决方法：解决方法：按照材料生产厂商的要求进行热处理。高导磁率材料的一个共性就是在机械加工后磁导率会降低，从而导致屏蔽效能降低。因此，磁屏蔽部件加工完成后，一定要进行热处理，恢复磁性。第26页，共67页。强磁场的屏蔽高导磁率材料：饱和低导磁率材料：屏效不够低
13、导磁率材料低导磁率材料高导磁率材料第27页，共67页。n解决这个矛盾的方法是：解决这个矛盾的方法是：采用双层屏蔽，先用不容易发采用双层屏蔽，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。用高导磁率材料将磁场衰减到满足要求。第28页，共67页。良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体屏蔽体导电连续导电连续没有穿过屏没有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第29页，共67页。保持屏蔽体的导电连续性才是关键：保持屏蔽体
14、的导电连续性才是关键：电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。穿过屏蔽体的导体危害最大：穿过屏蔽体的导体危害最大：实际机箱屏蔽效能低的另一个主要原因是穿过屏蔽机箱的导体。第30页，共67页。实际屏蔽体的问题通风口显示窗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第31页，共67页。远场区孔洞的屏蔽效能LLSE=100 20lgL 20lg f+20lg（1+2.3lg(L/H)=0 dB 若若 L /2H第32页，共67页。n 对于一个厚度为0材料上的缝隙，近似计算公式
15、如图所示，式中各量如下：n L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm），n f=入射电磁波的频率（MHz）。n 例：例：一个机箱上有显示窗口6020mm，面板与机箱之间的缝隙3000.3mm，计算远场的屏蔽效能。第33页，共67页。n解：解：nSE显示窗口=100 20 lg 60 20 lg f+20lg（1+2.3lg(60/20)n =64-20lg f+6n =70-20lg f n =0 dB 在 f=2500MHz时(L=/2)，nSE缝隙=100 20 lg 300 20 lg f+20lg（1+2.3lg(300/0.3)n =50-20lg f+18n =68-20lg
16、f n =0 dB 在 f=500MHz时(L=/2)，第34页，共67页。孔洞在近场区的屏蔽效能1、若、若ZC （7.9/Df）：（说明是电场源）：（说明是电场源）SE=48+20lg ZC 20lg L f +20lg(1+2.3lg(L/H)ZC=辐射源电路的阻抗（辐射源电路的阻抗（），），D=孔洞到辐射源的距离（孔洞到辐射源的距离（m），），L、H=孔洞长、宽（孔洞长、宽（mm），），f =电磁波的频率（电磁波的频率（MHz）第35页，共67页。孔洞在近场区的屏蔽效能2、若、若ZC （7.9/Df）：（说明是磁场源）：（说明是磁场源）SE=20lg(D/L)+20lg(1+2.3lg(
17、L/H)（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）ZC=辐射源电路的阻抗（辐射源电路的阻抗（），），D=孔洞到辐射源的距离（孔洞到辐射源的距离（m），），L、H=孔洞长、宽（孔洞长、宽（mm），），f =电磁波的频率（电磁波的频率（MHz）第36页，共67页。缝隙的泄漏低频起主要作用低频起主要作用高频起主要作用高频起主要作用缝隙处的阻抗：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。第37页，共
18、67页。n影响电阻成分的因素：影响电阻成分的因素：n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。n影响电容成分的因素：影响电容成分的因素：n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。第38页，共67页。缝隙的处理：电磁密封衬垫缝隙第39页，共67页。n减小缝隙电磁泄漏的基本思路：减小缝隙的阻抗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）n方法方法1：使用机
19、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。n缺点：缺点：加工成本高。n方法方法2：增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度，n缺点：缺点：仅适合永久性结合的场合。第40页，共67页。n方法方法3：使用电磁密封衬垫：使用电磁密封衬垫n原理：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，不会发生电磁波的泄漏。n缺点：缺点：增加额外的成本，但购买电磁密封衬垫的费用往往可以从产品的加工费用（使用密封垫后，对加工的精度要求往往降低），性能（可维性、外观等）等方面得到补偿。第41页
20、，共67页。n电磁密封衬垫的灵活应用：电磁密封衬垫的灵活应用：n除非对屏蔽的要求非常高的场合，否则并不需要在缝隙处连续使用电磁密封衬垫。在实践中，可以根据对屏蔽效能的要求间隔地安装衬垫，每段衬垫之间形成的小孔洞泄漏可以用前面的介绍的公式计算。在样机上精心地调整衬垫间隔，使既能满足屏蔽的要求，又使成本最低。对于民用产品，衬垫之间的间隔可以为/20 /100 之间。军用产品则一般要连续安装。第42页，共67页。电磁密封衬垫的种类电磁密封衬垫的种类 金属丝网衬垫金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的带橡胶芯的和空心的)导电橡胶导电橡胶(不同导电填充物的不同导电填充物的)指形簧片指形簧片(不同表面涂覆层的不
21、同表面涂覆层的)螺旋管衬垫螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的不锈钢的和镀锡铍铜的)导电布导电布第43页，共67页。指形簧片第44页，共67页。螺旋管电磁密封衬垫第45页，共67页。电磁密封衬垫的主要参数电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能屏蔽效能(关系到总体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）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）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）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）电化学相容
22、性（关系到屏蔽效能的稳定性）第46页，共67页。电磁密封衬垫的安装方法电磁密封衬垫的安装方法绝缘漆环境密封第47页，共67页。截止波导管-金属管损耗频率fc截止频率频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。截止区第48页，共67页。n金属管对于电磁波，具有高频容易通过、低频衰减较大的特性。这与电路中的高通滤波器十分相象。与滤波器类似，波导管的频率特性也可以用截止频率来描述，常用的波导管有矩形、圆形、六角形等，它们的截止频率如下：n截止波导管：截止波导管：如果选择适当的开口尺寸，使波导管相对于所感兴趣的频率处于截止区，这个波导管就称为截止波导管。截止波导
23、管对低于截止频率以下的电磁波衰减很大。利用这个特性就可以实现电磁屏蔽和保持物理连通的双重作用。第49页，共67页。n矩形波导管的截止频率：矩形波导管的截止频率：n fc=15 fc=15 109 109 /l /ln式中：l是矩形截止波导管的开口最大尺寸，单位是cm，fc的单位Hz。n圆形波导管的截止频率：圆形波导管的截止频率：n fc=17.6 fc=17.6 109 109 /d /dn式中：d是圆形截止波导管的内直径，单位是cm，fc的单位Hz。n六角形波导管的截止频率：六角形波导管的截止频率：n fc=15 fc=15 109 109 /W /Wn式中：W是六角形截止波导管的开口最大尺
24、寸，单位是cm，fc的单位Hz。第50页，共67页。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+吸收损耗圆形截止波导：32 t/d矩形截止波导：27.2 t/l孔洞计算屏蔽效能公式第51页，共67页。n截止波导管的吸收损耗：截止波导管的吸收损耗：当电磁波穿过截止波导管时，会发生衰减，这种衰减称为截止波导管的吸收损耗。截止波导管的吸收损耗计算公式如下：n SE=1.8 fc t 10-9(1-(f/fc)2)1/2 (dB)n式中：t是截止波导管的长度，单位cm。f 是 所讨论的频率（Hz），fc 是截止波导管的截止频率（Hz）。第52页，共67页。截止波导管的
25、损耗第53页，共67页。截止波导管的设计步骤孔洞的泄漏不能满足屏蔽要求SE 确定截止波导管的截面形状 确定要屏蔽的最高的频率 f 确定波导管的截止频率 fc 计算截止波导管的截面尺寸 由SE 确定截止波导管的长度 5f第54页，共67页。显示窗/器件的处理隔离舱滤波器屏蔽窗滤波器第55页，共67页。操作器件的处理屏蔽体上开小孔屏蔽体上栽上截止波导管用隔离舱将操作器件隔离出第56页，共67页。通风口的处理穿孔金属板截止波导通风板第57页，共67页。贯通导体的处理第58页，共67页。屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法在内部可将电缆延伸在内部可将电缆延伸表面做导电清洁处理，保持表面做导电清洁处理，保持360
26、度连接度连接注意防腐注意防腐屏蔽互套屏蔽互套屏蔽体边界屏蔽体边界屏蔽电缆屏蔽电缆与电缆套与电缆套360度搭接度搭接第59页，共67页。搭接 电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。例如：电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接 滤波器与机箱之间的搭接 不同机箱之间的地线搭接第60页，共67页。搭接不良的滤波器滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径第61页，共67页。搭接不良的机箱VI航天飞行器上的搭接阻抗要小于2.5m!第62页，共67页。搭接阻抗的测量机柜搭接阻抗频率寄生电容导线电感并联谐振点VIZ=V/I第63页，共67页。不同的搭接条第64页，共67页。频率不同搭接方式不同第65页，共67页。搭接面的腐蚀金属 电极电位 金属 电极电位 镁/镁合金-2.37 铍-1.85 铜+0.34 铝-1.66 蒙乃尔合金 锌-0.76 不锈钢 铬-0.74 银+0.799 铁/钢/铸铁-0.44 铂+1.200 镉-0.4 金+1.420 镍-0.25 锡-0.14 铅-0.13 IIVIIIII第66页，共67页。搭接点的保护第67页，共67页。
