電磁干擾屏蔽技術(shù)


1. 電磁屏蔽的目的
電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時(shí)，會(huì)向外輻射電磁波，對(duì)鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會(huì)感應(yīng)到電路
如果屏蔽效能計(jì)算中使用的是磁場強(qiáng)度，則稱為磁場屏蔽效能，如果屏蔽效能計(jì)算中使用的是電場強(qiáng)度，則稱為電場屏蔽效能。屏蔽效能的單位是分貝(dB)，下表是衰減量與分貝的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
屏蔽前
屏蔽后
衰減量
屏蔽效能
一般民用產(chǎn)品機(jī)箱的屏蔽效能在40dB以下，設(shè)備機(jī)箱的屏蔽效能一般要達(dá)到60dB，TEMPEST設(shè)備的屏蔽機(jī)箱屏蔽效能要達(dá)到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達(dá)到100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的，成本也很高。

電磁干擾屏蔽技術(shù)

4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算
電磁波在穿過屏蔽體是發(fā)生衰減是因?yàn)槟芰坑辛藫p耗，這種損耗可以分成兩個(gè)部分：反射損耗和吸收損耗。
反射損耗：當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射，使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現(xiàn)象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗，用字母R表示。當(dāng)電磁波穿過一層屏蔽體時(shí)要經(jīng)過兩個(gè)界面，要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時(shí)的反射損耗等于兩個(gè)界面上的反射損耗總和。反射損耗的計(jì)算公式如下：
R=20lg(ZW/ZS) (dB) 式中: ZW= 入射電磁波的波阻抗 ，ZS=屏蔽材料的特性阻抗
|ZS|=3.68×10-7（fμrσr）1/2式中: f= 入射電磁波的頻率 ，μr=相對(duì)磁導(dǎo)率，σr=相對(duì)電導(dǎo)率
吸收損耗：電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)，會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電磁能量損失，損失的這部分能量成為屏蔽材料的吸收損耗，用字母A表示，計(jì)算公式如下：
A=3.34t（fμrσr）1/2 (dB)
多次反射修正因子:電磁波在屏蔽體的二個(gè)界面（穿出屏蔽體的界面）發(fā)生反射后，會(huì)再次傳輸?shù)浇缑妫诮缑姘l(fā)射再次反射，而再次到達(dá)二個(gè)界面，在這個(gè)界面會(huì)有一部分能量穿透界面，泄漏到空間。這部分是額外泄漏的。應(yīng)該考慮進(jìn)屏蔽效能的計(jì)算。這就是多次反射修正因子，用字母B表示，大部分場合，B都可以忽略。
SE = R + A + B


5 影響屏蔽材料的屏蔽效能的因素
從上面給出的屏蔽效能計(jì)算公式可以得出一些對(duì)工程有實(shí)際指導(dǎo)意義的結(jié)論，根據(jù)這些結(jié)論，我們可以決定使用什么屏蔽材料，注意什么問題。下面給出的結(jié)論，出步一看，會(huì)感到雜亂無章，無從應(yīng)用，但是結(jié)合上面第3和第4條仔細(xì)分析后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這些結(jié)論都有著內(nèi)在聯(lián)系。深入理解下面的結(jié)論對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的。
1）材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高，但實(shí)際的金屬材料不可能兼顧這兩個(gè)方面，例如銅的導(dǎo)電性很好，但是導(dǎo)磁性很差；鐵的導(dǎo)磁性很好，但是導(dǎo)電性較差。應(yīng)該使用什么材料，根據(jù)具體屏蔽主要依賴反射損耗、還是吸收損耗來決定是側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性；
2）頻率較低的時(shí)候，吸收損耗很小，反射損耗是屏蔽效能的主要機(jī)理，要盡量提高反射損耗；
3）反射損耗與輻射源的特性有關(guān)，對(duì)于電場輻射源，反射損耗很大；對(duì)于磁場輻射源，反射損耗很小。因此，對(duì)于磁場輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗，應(yīng)該選用磁導(dǎo)率較高的材料做屏蔽材料。
4）反射損耗與屏蔽體到輻射源的距離有關(guān)，對(duì)于電場輻射源，距離越近，則反射損耗越大；對(duì)于磁場輻射源，距離越近，則反射損耗越小；正確判斷輻射源的性質(zhì)，決定它應(yīng)該靠近屏蔽體，還是原理屏蔽體，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。
5）頻率較高時(shí)，吸收損耗是主要的屏蔽機(jī)理，這時(shí)與輻射源是電場輻射源還是磁場輻射源關(guān)系不大。
6）電場波是*容易屏蔽的，平面波其次，磁場波是*難屏蔽的。尤其是（1KHz以下）低頻磁場，很難屏蔽。對(duì)于低頻磁場，要采用高導(dǎo)磁性材料，甚至采用高導(dǎo)電性材料和高導(dǎo)磁性材料復(fù)合起來的材料。

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6. 實(shí)用屏蔽體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵
一般除了低頻磁場外，大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實(shí)際工作中，要達(dá)到80dB以上的屏蔽效能也是十分困難的。這是因?yàn)椋帘误w的屏蔽效能不僅取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽體要滿足電磁屏蔽的基本原則。電磁屏蔽的基本原則有兩個(gè)：
1）屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性：這指的是整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。這一點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)起來十分困難。因?yàn)橐粋€(gè)完全封閉的屏蔽體是沒有任何使用價(jià)值的。一個(gè)實(shí)用的機(jī)箱上會(huì)有很多孔縫造成屏蔽：通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分的結(jié)合縫隙等。由于這些導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素存在，如果設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮如何處理，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。
2）不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體：一個(gè)屏蔽效能再高的屏蔽機(jī)箱，一旦有導(dǎo)線直接穿過屏蔽機(jī)箱，其屏蔽效能會(huì)損失99.9%（60dB）以上。但是，實(shí)際機(jī)箱上總會(huì)有電纜穿出（入），至少會(huì)有一條電源電纜存在，如果沒有對(duì)這些電纜進(jìn)行妥善的處理（屏蔽或?yàn)V波），這些電纜會(huì)極大的損壞屏蔽體。妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。（穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時(shí)比孔縫的危害更大）
電磁屏蔽體與接地?zé)o關(guān)：對(duì)于靜電場屏蔽，屏蔽體是必須接地的。但是對(duì)于電磁屏蔽，屏蔽體的屏蔽效能卻與屏蔽體接地與否無關(guān)，這是設(shè)計(jì)人員必須明確的。在很多場合，將屏蔽體接地確實(shí)改變了電磁狀態(tài)，但這是由于其它一些原因，而不是由于接地導(dǎo)致屏蔽體的屏蔽效能發(fā)生改變。


7. 孔洞電磁泄漏的估算
如前所述，屏蔽體上的孔洞是造成屏蔽體泄漏的主要因素之一孔洞產(chǎn)生的電磁泄漏并不是一個(gè)固定的數(shù)，而是與電磁波的頻率、種類、輻射源與孔洞的距離等因素有關(guān)孔洞對(duì)電磁波的衰減可以用下面公式進(jìn)行計(jì)算這里假設(shè)孔洞深度為0
在遠(yuǎn)場區(qū)：SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H))
若L≥λ/2，則SE=0 dB ，這時(shí)，孔洞是完全泄漏的
式中： L=縫隙的長度（mm），H=縫隙的寬度（mm），f=入射電磁波的頻率（MHz）
這個(gè)公式是在遠(yuǎn)場區(qū)中，*壞的情況下（造成*大泄漏的極化方向）的屏蔽效能（實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì)更大一些）
在近場區(qū)：
若輻射源是電場輻射源 SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))
若輻射源是磁場輻射源 SE=20lg（πD/L）+20lg(1+2.3lg(L/H))
式中：ZC=輻射源電路的阻抗（Ω），D=孔洞到輻射源的距離（m）， L、H=孔洞的長、寬（mm），f=電磁波的頻率（MHz）
注意：
1)近場區(qū),孔洞的泄漏與輻射源的特性有關(guān)當(dāng)輻射源是電場源時(shí)，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場小（屏蔽效能高），當(dāng)輻射源是磁場源時(shí)，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場大（屏蔽效能低）
2）對(duì)于近場，磁場輻射源的場合，屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關(guān)系，因此，千萬不要認(rèn)為輻射源的頻率較低（許多磁場輻射源的頻率都較低），而掉以輕心
3）這里對(duì)磁場輻射源的假設(shè)是純磁場源，因此可以認(rèn)為是一種在壞條件下，對(duì)屏蔽效能的保守計(jì)算
對(duì)于磁場源，屏蔽與孔洞到輻射源的距離有關(guān)，距離越近，則泄漏越大這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，磁場輻射源一定要遠(yuǎn)離孔洞
多個(gè)孔洞的情況：當(dāng)N個(gè)尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距離小于1/2）時(shí)，造成的屏蔽效能下降為10lgN在不同面上的孔洞不會(huì)增加泄漏，因?yàn)槠漭椛浞较虿煌@個(gè)特點(diǎn)可以在設(shè)計(jì)中用來避免某一個(gè)面的輻射過強(qiáng)


8. 縫隙電磁泄漏的措施
一般情況下，屏蔽機(jī)箱上的不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸，只能在某些點(diǎn)接觸上，這構(gòu)成了一個(gè)孔洞陣列。縫隙是造成屏蔽機(jī)箱屏蔽效能降級(jí)的主要原因之一。在實(shí)際工程中，常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能。縫隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高。
縫隙處的阻抗：
縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效，因?yàn)榻佑|上的點(diǎn)相當(dāng)一個(gè)電阻，沒有接觸的點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)電容，整個(gè)縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)。低頻時(shí)，電阻分量起主要作用；高頻時(shí)，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能優(yōu)勢隨著頻率的升高而增加。但是，如果縫隙的尺寸較大，高頻泄漏也是縫隙泄漏的主要現(xiàn)象。
影響電阻成分的因素：
影響縫隙上電阻成分的因素主要有：接觸面積（接觸點(diǎn)數(shù)）、接觸面材料（一般較軟的材料接觸電阻較小）、接觸面的清潔程度、接觸面的壓力（壓力要足以使接觸點(diǎn)穿透金屬表層氧化層）、氧化腐蝕等。
影響電容成分的因素：
根據(jù)電容器原理，很容易知道：兩個(gè)表面之間距離越近，相對(duì)的面積越大，則電容越大。
解決縫隙泄漏的措施：
1） 接觸面的重合面積，這可以減小電阻、增加電容。
2） 使用盡量多的緊固螺釘，這也可以減小電阻、增加電容。
3） 保持接觸面清潔，減小接觸電阻。
4） 保持接觸面較好的平整度，這可以減小電阻、增加電容。
5） 使用電磁密封襯墊，消除縫隙上不接觸點(diǎn)。

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9. 電磁密封襯墊的原理
電磁密封襯墊是一種表面導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。將電磁密封襯墊安裝在兩塊金屬的結(jié)合處，可以將縫隙填充滿，從而消除導(dǎo)電不連續(xù)點(diǎn)。
使用了電磁密封襯墊后，縫隙中就沒有較大的孔洞了，從而可以減小高頻電磁波的泄漏。使用電磁密封襯墊的好處如下：
1）降低對(duì)加工的要求，允許接觸面的平整度較低。
2）減少結(jié)合處的緊固螺釘，增加美觀性和可維修性。
3）縫隙處不會(huì)產(chǎn)生高頻泄漏。
雖然在許多場合電磁密封襯墊都能夠極大地改善縫隙泄漏，但是如果兩塊金屬之間的接觸面是機(jī)械加工（例如，銑床加工），并且緊固螺釘?shù)拈g距小于3厘米，則使用電磁密封后屏蔽效能不會(huì)有所改善，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的接觸阻抗已經(jīng)很低了。
從電磁密封襯墊的工作原理可以知道，使用了電磁密封襯墊的縫隙的電磁泄漏主要由襯墊材料的導(dǎo)電性和接觸表面的接觸電阻決定。因此，使用電磁密封襯墊的關(guān)鍵是：
1）選用導(dǎo)電性好的襯墊材料。
2）保持接觸面的清潔
3）對(duì)襯墊施加足夠的壓力（以保證足夠小的接觸電阻）。
4）襯墊的厚度要足以填充大的縫隙
電磁密封襯墊的靈活運(yùn)用
除非對(duì)屏蔽的要求非常高的場合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實(shí)踐中，可以根據(jù)屏蔽效能的要求間隔的安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的公式計(jì)算。在樣機(jī)上精心地調(diào)整襯墊間隔，使既能滿足屏蔽的要求，又使成本低。對(duì)于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為λ/20~λ/100之間。產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。


10. 電磁密封襯墊的選用
任何同時(shí)具有導(dǎo)電性和彈性的材料都可以作為電磁密封襯墊使用因此，市場上可以見到很多種類的電磁密封襯墊這些電磁密封襯墊各有特色，適合于不同的應(yīng)用場合設(shè)計(jì)者要熟悉各種電磁密封襯墊的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中靈活選用，達(dá)到滿足產(chǎn)品性能要求、提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品成本的目的選擇電磁密封襯墊時(shí)需要考慮幾個(gè)主要因素：屏蔽效能、環(huán)境適應(yīng)性、便于安裝性、電器穩(wěn)定性
屏蔽效能：根據(jù)需要抑制的干擾頻譜確定整體屏蔽效能，電磁密封襯墊要滿足整體屏蔽的要求不同種類的襯墊，在不同頻率的屏蔽效能是不同的
使用環(huán)境：電磁密封襯墊之所以有這么多的種類的一個(gè)主要原因是要滿足不同環(huán)境的要求，使用環(huán)境對(duì)襯墊的性能和壽命有很大的影響
結(jié)構(gòu)要求：襯墊的主要作用是減小縫隙的泄漏，縫隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)襯墊的效果有很大的影響在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有以下幾個(gè)因素要考慮：
·壓縮變形：電磁密封襯墊只有受到一定壓力時(shí)才起作用在壓力作用下，襯墊發(fā)生形變，形變量與襯墊上所受的壓力成正比大部分襯墊要形變30~40%才能具有較好的屏蔽效果
·壓縮長久形變：當(dāng)襯墊長時(shí)間受到壓力時(shí)，即使壓力去掉，它也不能完全恢復(fù)原來的形狀，這就是壓縮長久形變這種特性當(dāng)襯墊頻繁被壓縮、放開時(shí)（例如門和活動(dòng)面板）要特別注意
電器穩(wěn)定性：電磁密封襯墊是通過在金屬之間提供低阻抗的導(dǎo)電通路來實(shí)現(xiàn)屏蔽的目的的因此，其電器穩(wěn)定性對(duì)于保持屏蔽體的屏蔽效能是十分重要的
安裝成本：電磁密封襯墊的安裝方法是決定屏蔽成本的一個(gè)主要因素襯墊的成本包括襯墊本身的成本、安裝工時(shí)成本、加工成本等在考慮襯墊成本時(shí)，要綜合考慮這些因素


11. 常用電磁密封襯墊的比較
金屬絲網(wǎng)襯墊：這是一種常用的電磁密封材料。從結(jié)構(gòu)上分，有全金屬絲、空心和橡膠芯等三種。常用的金屬絲材料為：蒙乃爾合金、鈹銅、鍍錫鋼絲

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