1、工程电磁兼容ElectroMagnetic Compatibility 2第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理抑制以场的形式造成干扰的是电磁屏蔽。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入这一区域（或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。电磁屏蔽的是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。1.1.电磁屏蔽的类型电磁屏蔽的类型电磁屏蔽电磁屏蔽静电屏蔽静电屏蔽交变电场屏蔽交变电场屏蔽低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽电场屏蔽电
2、场屏蔽磁场屏蔽磁场屏蔽电磁屏蔽电磁屏蔽3第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理2.2.静电屏蔽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：p导体内部任何一点的电场为零；p导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体平面垂直；p整个导体是一个等位体；p导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。(a)孤立带电导体A(b)导体B包围带电导体A的情况(c)静电屏蔽4第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理3.3.交变电场的屏蔽交变电场的屏蔽gs干扰源接收器CjUgZgZsUs(a)交变电场的耦合设干扰源g上有一交变电压Ug，在
3、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可以等效位分布电容Cj的耦合，于是形成了Ug、Zg、Cj和Zs构成的耦合回路，如右图所示。接收器上产生的骚扰电压Us为：gsgjsjsUZZCjZCjU)(1干扰电压Us的大小与耦合电熔Cj的大小有关。5第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理3.3.交变电场的屏蔽交变电场的屏蔽为了减少干扰源与接收器之间的交变电场耦合，可在两者之间插入屏蔽体，如图所示。插入屏蔽体后，原来的耦合电容Cj的作用现在变为耦合电容C1、C2和C3的作用。由于干扰源与接收器之间插入屏蔽体后，它们之间的直接耦合作用非常
4、小，所以耦合电容C3可以忽略。设金属屏蔽体对地阻抗为Z1，则屏蔽体上的感应电压为：ggUZZCjZCjU)(111111gs干扰源接收器C1UgZgZsUsC2C3Z1U1(b)有屏蔽时交变电场的耦合6第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理3.3.交变电场的屏蔽交变电场的屏蔽从而接收器上的感应电压为：1122)(1UZZCjZCjUsssgs干扰源接收器C1UgZgZsUsC2C3Z1U1(b)有屏蔽时交变电场的耦合由上式看出，要使Us减小，则必须使Z1减小，而Z1为屏蔽体阻抗和接地线阻抗之和。p屏蔽体必须选用导电性能好的材料，而且必须良好地接地。p一般情况下，要求接地的接触阻
5、抗小于2m，比较严格的场合要求小于0.5m。p若屏蔽体不接地或接地不良，则由于C1Cj。这将导致加屏蔽体后，干扰变得更大，这点应注意。7第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理4.4.低频磁场的屏蔽低频磁场的屏蔽低频（100kHz以下）磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料（例如铁、硅钢片、坡莫合金等），其原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。SlRmSab 由上式可知，磁阻Rm与成反比，导磁率越大，则磁阻Rm越小，此时磁通主要沿着磁阻小的途径形成回路。由于铁磁材料的磁导率 比空气的磁导率0大的多，所以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，
6、从而起到磁场屏蔽的作用。8第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理4.4.低频磁场的屏蔽低频磁场的屏蔽 所用铁磁材料的磁导率越高，屏蔽罩越厚，则磁阻Rm越小，磁屏蔽效果越好。使用铁磁材料作屏蔽体时应注意以下问题：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。铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场的屏蔽。因为高频时铁磁材料中的磁性损耗很大，导磁率明显下降。10第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理5.5.高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽开口或缝隙正确开口或缝隙不正确良导体材料（a）开口或缝隙正确开口或缝
7、隙不正确良导体材料（b）MLLsrsUsIIs屏蔽线圈等效电路11第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理5.5.高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽MLLsrsUsIIs屏蔽线圈等效电路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。由上图可以得出：sssLjrMIjI由上式可看出：（1）在高频时，rsLs。这时rs可以忽略不计，则有：ILMIss12第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理5.5.高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽（1）在高频时，rsLs。这是Ls可以忽略不计，则有：IrMjIssp 低频时产生的涡流小，因此
8、涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。13第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理5.5.高频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽（3）屏蔽体电阻rs越小，则产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身损耗也越小。所以，高频磁屏蔽材料需用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。（4）由于高频电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，而屏蔽盒内层被表面涡流所屏蔽，所以高频屏蔽盒无须做得很厚。（5）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，将切断涡流。这就意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差。如果需要有缝隙或开口时，则缝隙或开口应沿着涡流方向。（6）磁场屏蔽盒是否接地
9、不影响磁屏蔽效果。14第五章第五章 屏蔽屏蔽一、电磁屏蔽原理一、电磁屏蔽原理6.6.电磁屏蔽电磁屏蔽q 通常所说的屏蔽屏蔽，一般指的是电磁屏蔽，即是指对电场盒磁场同时加以屏蔽。电磁屏蔽一般也是指用来防止高频电磁场的影响的。15第五章第五章 屏蔽屏蔽二、屏蔽效能二、屏蔽效能q 屏蔽体的好坏用屏蔽效能来描述。屏蔽效能表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度。q 为了定量的说明屏蔽性能的好坏，通常引入一个新的物理量（SE，Shielding Effectiveness)(简称屏效），它定义为屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点场强之比。用公式表示为：sEEESE0sHHHSE0在工程计算中，常采用dB计算，其表示式为
10、：sEEESE0lg20sHHHSE0lg2016第五章第五章 屏蔽屏蔽二、屏蔽效能二、屏蔽效能q 对于电路来说，还可以用屏蔽系数表示屏蔽效果，它是指被干扰电路加屏蔽体后所感应的电压Us与未加屏蔽体时所感应的电压U0之比，即：0UUsq 传输系统（或称透射系数）TE是指存在屏蔽体时某处的电场强度Es与不存在屏蔽体时同一处的电场强度E0之比；或者TH是指存在屏蔽体时某处的磁场强度Hs与不存在屏蔽体时同一处的磁场强度H0之比，即：0EETsE0HHTsHq 传输系统与屏蔽效能互为倒数关系，即：EETSE1lg20HHTSE1lg2017第五章第五章 屏蔽屏蔽三、屏蔽材料的特性三、屏蔽材料的特性q
11、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是的大部分磁通在磁屏蔽体上分流，来达到屏蔽的目的。因此，成为选择磁屏蔽材料的主要依据。1.1.导磁材料导磁材料q 通常磁性材料分为弱磁性材料和强磁性材料两种。弱磁性材料：顺磁性物质（如铝等金属）；抗磁性物质（如铜等金属）。强磁性材料：铁磁性物质（如铁、镍等金属）。相对磁导率r1，B与H是线性关系，r在任意频率的环境中，始终保持常数。B与H是非线性关系，频率升高，磁导率r 降低。18第五章第五章 屏蔽屏蔽三、屏蔽材料的特性三、屏蔽材料的特性q 根据屏蔽理论，电屏蔽和电磁屏蔽是利用导电材料制成的屏蔽体并结合接地，来切断干扰源
12、与接收器之间的耦合通道，以达到屏蔽的目的。因此，成为选择屏蔽材料的主要依据。2.2.导电材料导电材料3.3.薄膜材料与薄膜屏蔽薄膜材料与薄膜屏蔽q 为了具备电磁屏蔽的功能，通常在机箱上采用喷导电漆、电弧喷涂、电离镀、化学镀、真空沉积、贴导电箔（铝箔或铜箔）及热喷涂工艺，在机箱上产生一层导电薄膜，称为。q 假定导电薄膜的厚度为L，电磁波在导电薄膜中的传播波长为1。若LZj，则有：gssgjjsUZCjZCjZZCjZCjU22)111(1gUgZgZjZsC1C2GUs（b）等效电路S21第五章第五章 屏蔽屏蔽四、屏蔽体的结构四、屏蔽体的结构1.1.电屏蔽的结构电屏蔽的结构（2 2）双层门盖结构
13、）双层门盖结构q为了进一步提高屏蔽，机箱可采用双层门，屏蔽盒可采用双层盖，与单层盖的耦合等效电路相比，多了一次衰减，因而可提高屏效，但每层依然要采取改善接触的措施。根据等效电路可得接收器上的感应电压Us，考虑到ZC2Zj1 ZC3Zj2，则有：gjjjjgjjsUZCjZCjZCjZCjZZCjZCjU33332222)111111(1C1G1C2gSUgZsZg（a）耦合路径C3G2gUgZgZj1ZsC1C2G1Us（b）等效电路Zj2G2C3S22第五章第五章 屏蔽屏蔽四、屏蔽体的结构四、屏蔽体的结构2.2.磁屏蔽的结构磁屏蔽的结构q 磁屏蔽是利用屏蔽体对磁通进行分流，因而磁屏蔽不能采用
14、板状结构，而应采用盒状、筒状、柱状的结构。q 由于磁阻与磁路的横截面积s和磁导率成反比，因而磁屏蔽体的体积和重量都比较大。若要求较高的屏蔽时，一般采用双层屏蔽，此时在体积重量增加不多的情况下，能显著提高屏蔽效能。3.3.电磁屏蔽的结构电磁屏蔽的结构q 电磁屏蔽是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量作用的。因而电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。q 对于电磁屏蔽体，其形状选择的标准应以减少接缝和避免腔体谐振为准。23第五章第五章 屏蔽屏蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施1.1.装配面处接缝泄漏的抑制装配面处接缝泄漏的抑制（1）增加金属之间的搭接面q 不同部分
15、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，只能在某些点上是真正的接触，这构成了一个空洞的阵列。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和电容的并联。q 由于容抗随着频率升高而降低，因此在频率较高时，屏蔽效能较高。增加金属之间的搭接面积可以减小阻抗，从而减小泄漏。缝隙泄漏的等效电路24第五章第五章 屏蔽屏蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施1.1.装配面处接缝泄漏的抑制装配面处接缝泄漏的抑制（2）增加缝隙深度dq 根据电磁场理论，具有一定深度的缝隙均可看作波导，而波导在一定条件下可以对其内部传播的电磁波进行衰减，深度越深，衰减越多。增加缝隙深度d
16、的结构dd25第五章第五章 屏蔽屏蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施1.1.装配面处接缝泄漏的抑制装配面处接缝泄漏的抑制（3）装配面处加入电磁密封衬垫q 在不同部分的结合处，即使使用铣床等机械加工，结合处也不可能完全接触上。因此缝隙是在所难免的，这些缝隙构成了电磁波的泄漏源，特别是对于高频电磁波，缝隙的泄漏是十分严重的。最理想的方法是将这些缝隙焊接起来，但是在许多场合这是不现实的。q 常用的方法是在缝隙处使用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫对电磁波的密封作用就像在流体容器的盖子上使用橡胶密封衬垫一样，通过使用电磁密封衬垫，可以轻松地实现缝隙的电磁密封。电磁密封衬垫26第五章第五章 屏蔽屏
17、蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施2.2.通风冷却孔泄漏的抑制通风冷却孔泄漏的抑制（1）覆盖金属丝网q 将金属丝网覆盖在大面积的通风孔上，能显著地防止电磁泄漏。金属丝网结构简单，成本低，通风量较大，适用于屏蔽要求不太高的场合。q 金属丝网的屏蔽性能与网孔直径、网孔疏密程度、网丝交叉点处焊接质量及网丝材料的导电率有关。（2）穿孔金属板q 一般而言，孔洞尺寸愈大，电磁泄漏也就愈大，屏效愈差，为了提高屏效效能，可在满足屏蔽体通风量要求的条件下，以多个小孔代替大空，这就需要采用穿孔金属板。q 穿孔金属板通常有两种结构形式：一种直接在机箱或屏蔽体上打孔；另一种是单独制成穿孔金属板，然后安装到
18、机箱的通风孔上。27第五章第五章 屏蔽屏蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施2.2.通风冷却孔泄漏的抑制通风冷却孔泄漏的抑制（3）截止波导通风孔q 金属丝网和穿孔金属板在频率大于100MHz时，其屏效将大为下降。尤其是当孔眼尺寸不是远小于波长甚至接近于波长时，其泄漏将更为严重。q 由电磁理论可知，波导对于在其内部传播的电磁波，起着高通滤波器的作用，高于截止频率的电磁波才能通过，基于上述理论，就出现了截止波导通风孔阵。截止波导通风孔阵屏蔽体28第五章第五章 屏蔽屏蔽五、孔缝泄漏的抑制措施五、孔缝泄漏的抑制措施3.3.观察窗口（显示器件）泄漏的抑制观察窗口（显示器件）泄漏的抑制（1）使用透明屏蔽材料q 金属网夹在两层玻璃之间构成。q 在玻璃上镀上一层很薄的导电层构成。（2）用隔离舱将显示器件与设备的其他电路隔离开（3）使用波导衰减器4.4.器件调谐孔（有连接杆的操作器件）泄漏的抑制器件调谐孔（有连接杆的操作器件）泄漏的抑制屏蔽体上开小孔屏蔽体上装截止波导用隔离舱隔离操作器件
