电磁屏蔽技术

《电磁屏蔽技术》1. 电磁屏蔽的目的电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的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2. 区分不同的电磁波同一个屏蔽体对于不同性质的电磁波，其屏蔽性能不同因此，在考虑电磁屏蔽性能时，要对电磁波的种类有基本认识电磁波有很多分类的方法，但是在设计屏蔽时，将电磁波按照其波阻抗分为电场波、磁场波、和平面波电磁波的波阻抗Z定义为：电磁波中的电场分量E与磁场分量H的比值: Z W W= E / H电磁波的波阻抗电磁波的辐射源性质、观测点到辐射源的距离以及电磁波所处的传播介质有关距离辐射源较近时，波阻抗取决于辐射源特性若辐射源为大电流、低电压（辐射源的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为磁场波若辐射源为高电压、小电流（辐射源的阻抗较高），则产生的电磁波的波阻抗大于377，称为电场波距离辐射源较远时，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377Ω电场波的波阻抗随着传播距离的增加降低，磁场波的波阻抗随着传播距离的增加升高注意: 近场区和远场区的分界面随频率不同而不同，不是一个定数，这在分析问题时要注意例如，在考虑机箱屏蔽时，机箱相对于线路板上的高速时钟信号而言，可能处于远场区，而对于开关电源较低的工作频率而言，可能处于近场区在近场区设计屏蔽时，要分别电场屏蔽和磁场屏蔽3. 度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能屏蔽体的有效性用屏蔽效能（SE）来度量屏蔽效能的定义如下：SE=20lg(E/E) (dB) 21式中：E=没有屏蔽时的场强 E 有屏蔽时的场强=2 1．如果屏蔽效能计算中使用的是磁场强度，则称为磁场屏蔽效能，如果屏蔽效能计算中使用的是电场强度，则称为电场屏蔽效能屏蔽效能的单位是分贝(dB)，下表是衰减量与分贝的对应关系：屏蔽前屏蔽后衰减量屏蔽效能20dB 90% 1 0.140dB 99% 1 0.0160dB 1 99.9% 0.00180dB 1 99.99% 0.0001100dB0.00001 99.999% 1以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到40dB一般民用产品机箱的屏蔽效能在屏蔽室或屏蔽舱等往往设备的屏蔽机箱屏蔽效能要达到80dB以上TEMPEST60dB，以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高要达到100dB100dB 4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算这种损耗可以分成两个部分：电磁波在穿过屏蔽体是发生衰减是因为能量有了损耗，反射损耗和吸收损耗当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电反射损耗：当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，用字母R表示因此，电磁波穿过屏电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，要发生两次反射蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗总和反射损耗的计算公式如下：屏蔽材料的特性: (dB) /ZR=20lg(Z) 式中 Z= Z=入射电磁波的波阻抗，SWWS阻抗1/2-7=f: = σr相对磁导率，r入射电磁波的频率，μ=式中rrf|=3.68×10|Z（μσ）S相对电导率电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁吸收损耗：表示，计算公式能量损失，损失的这部分能量成为屏蔽材料的吸收损耗，用字母A如下：1/2 (dB) rrf（A=3.34tμσ）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:多次反射修正因子后，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应该这部分是额外泄漏的在这个界面会有一部分能量穿透界面，面，泄漏到空间BB考虑进屏蔽效能的计算这就是多次反射修正因子，用字母表示，大部分场合，都可以忽略SE = R + A + B从上面给出的屏蔽效能计算公式可以得出一些对工程有实际指导意义的结论，根据这些结论，我们可以决定使用什么屏蔽材料，注意什么问题下面给出的结论，出步一看，会感到杂乱无章，无从应用，但是结合上面第3和第4条仔细分析后，会发现这些结论都有着内在联系深入理解下面的结论对于结构设计是十分重要的1）材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两个方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差；铁的导磁性很好，但是导电性较差应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性；2）频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗；3）反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用磁导率较高的材料做屏蔽材料4）反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小；正确判断辐射源的性质，决定它应该靠近屏蔽体，还是原理屏蔽体，是结构设计的一个重要内容5）频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大6）电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的尤其是（1KHz以下）低频磁场，很难屏蔽对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料6. 实用屏蔽体设计的关键以上的屏蔽效能100dB一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供但在实际以上的屏蔽效能也是十分困难的这是因为，屏蔽体的屏蔽效工作中，要达到80dB能不仅取决于屏蔽体的结构屏蔽体要满足电磁屏蔽的基本原则电磁屏蔽的基本原则有两个：1）屏蔽体的导电连续性：这指的是整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体这一点在实现起来十分困难因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何使用价值的一个实用的机箱上会有很多孔缝造成屏蔽：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分的结合缝隙等由于这些导致导电不连续的因素存在，如果设计人员在设计时没有考虑如何处理，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有屏蔽效能2）不能有直接穿过屏蔽体的导体：一个屏蔽效能再高的屏蔽机箱，一旦有导线直接穿过屏蔽机箱，其屏蔽效能会损失99.9%（60dB）以上但是，实际机箱上总会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆存在，如果没有对这些电缆进行妥善的处理（屏蔽或滤波），这些电缆会极大的损坏屏蔽体妥善处理这些电缆是屏蔽设计的重要内容之一（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大）电磁屏蔽体与接地无关：对于静电场屏蔽，屏蔽体是必须接地的但是对于电磁屏蔽，屏蔽体的屏蔽效能却与屏蔽体接地与否无关，这是设计人员必须明确的在很多场合，将屏蔽体接地确实改变了电磁状态，但这是由于其它一些原因，而不是由于接地导致屏蔽体的屏蔽效能发生改变7. 孔洞电磁泄漏的估算如前所述，屏蔽体上的孔洞是造成屏蔽体泄漏的主要因素之一孔洞产生的电磁泄漏并不是一个固定的数，而是与电磁波的频率、种类、辐射源与孔洞的距离等因素孔洞对电磁波的衰减可以用下面公式进行计算这里假设孔洞深度为0有关在远场区：SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H))若L≥λ/2，则SE=0 dB ，这时，孔洞是完全泄漏的式中： L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm），f=入射电磁波的频率（MHz）这个公式是在远场区中，最坏的情况下（造成最大泄漏的极化方向）的屏蔽效能（实际情况下屏蔽效能可能会更大一些）在近场区：若辐射源是电场辐射源 SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))若辐射源是磁场辐射源 SE=20lg（πD/L）+20lg(1+2.3lg(L/H))式中：ZC=辐射源电路的阻抗（Ω），D=孔洞到辐射源的距离（m）， L、 H=孔洞的长、宽（mm）， f=电磁波的频率（MHz）注意：1) 近场区,孔洞的泄漏与辐射源的特性有关当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏远比远场小（屏蔽效能高），当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏远比远场大（屏蔽效能低）2）对于近场，磁场辐射源的场合，屏蔽效能与电磁波的频率没有关系，因此，千万不要认为辐射源的频率较低（许多磁场辐射源的频率都较低），而掉以轻心3）这里对磁场辐射源的假设是纯磁场源，因此可以认为是一种在最坏条件下，对屏蔽效能的保守计算对于磁场源，屏蔽与孔洞到辐射源的距离有关，距离越近，则泄漏越大这点在设计时一定要注意，磁场辐射源一定要远离孔洞多个孔洞的情况：当N个尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距离小于1/2）时，造成的屏蔽效能下降为10 lgN在不同面上的孔洞不会增加泄漏，因为其辐射方向不同，这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强8. 缝隙电磁泄漏的措施一般情况下，屏蔽机箱上的不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一上，这构成了一个孔洞阵列在实际工程中，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，因为接触上的点相当一个电阻，没有接触的点相当于一个电容，整个缝隙就是许多电阻和电容的并联低频时，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优势随着频率的升高而增加但是，如果缝隙的尺寸较大，高频泄漏也是缝隙泄漏的主要现象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：根据电容器原理，很容易知道：两个表面之间距离越近，相对的面积越大，则电容越大解决缝隙泄漏的措施：1）接触面的重合面积，这可以减小电阻、增加电容2）使用尽量多的紧固螺钉，这也可以减小电阻、增加电容3）保持接触面清洁，减小接触电阻4）保持接触面较好的平整度，这可以减小电阻、增加电容5）使用电磁密封衬垫，消除缝隙上不接触点9. 电磁密封衬垫的原理电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质将电磁密封衬垫安装在两块金属的结合处，可以将缝隙填充满，从而消除导电不连续点使用了电磁密封衬垫后，缝隙中就没有较大的孔洞了，从而可以减小高频电磁波的泄漏使用电磁密封衬垫的好处如下：）降低对加工的要求，允许接触面的平整度较低1）减少结合处的紧固螺钉，增加美观性和可维修性23）缝隙处不会产生高频泄漏虽然在许多场合电磁密封衬垫都能够极大地改善缝隙泄漏，但是如果两块金属之间的接触面是机械加工（例如，铣床加工），并且紧固螺钉的间距小于3厘米，则使用电磁密封后屏蔽效能不会有所改善，因为这种结构的接触阻抗已经很低了从电磁密封衬垫的工作原理可以知道，使用了电磁密封衬垫的缝隙的电磁泄漏主要由衬垫材料的导电性和接触表面的接触电阻决定因此，使用电磁密封衬垫的关键是：1）选用导电性好的衬垫材料2）保持接触面的清洁3）对衬垫施加足够的压力（以保证足够小的接触电阻）4）衬垫的厚度要足以填充最大的缝隙电磁密封衬垫的灵活运用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，可以根据屏蔽效能的要求间隔的安装衬垫，每段衬垫之间形成的小孔洞泄漏可以用前面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λ/20~λ/100之间军用产品则一般要连续安装10. 电磁密封衬垫的选用任何同时具有导电性和弹性的材料都可以作为电磁密封衬垫使用因此，市场上可以见到很多种类的电磁密封衬垫这些电磁密封衬垫各有特色，适合于不同的应用场合设计者要熟悉各种电磁密封衬垫的特点，在设计中灵活选用，达到满足产品性能要求、提高产品可靠性、降低产品成本的目的选择电磁密封衬垫时需要考虑几个主要因素：屏蔽效能、环境适应性、便于安装性、电器稳定性屏蔽效能：根据需要抑制的干扰频谱确定整体屏蔽效能，电磁密封衬垫要满足整体不同种类的衬垫，在不同频率的屏蔽效能是不同的屏蔽的要求使用环境：电磁密封衬垫之所以有这么多的种类的一个主要原因是要满足不同环境的要求，使用环境对衬垫的性能和寿命有很大的影响结构要求：衬垫的主要作用是减小缝隙的泄漏，缝隙的结构设计对衬垫的效果有很大的影响在进行结构设计时，有以下几个因素要考虑：·压缩变形：电磁密封衬垫只有受到一定压力时才起作用在压力作用下，衬垫发生形变，形变量与衬垫上所受的压力成正比大部分衬垫要形变30~40%才能具有较好的屏蔽效果·压缩永久形变：当衬垫长时间受到压力时，即使压力去掉，它也不能完全恢复原来的形状，这就是压缩永久形变这种特性当衬垫频繁被压缩、放开时（例如门和活动面板）要特别注意电器稳定性：电磁密封衬垫是通过在金属之间提供低阻抗的导电通路来实现屏蔽的目的的因此，其电器稳定性对于保持屏蔽体的屏蔽效能是十分重要的安装成本：电磁密封衬垫的安装方法是决定屏蔽成本的一个主要因素衬垫的成本包括衬垫本身的成本、安装工时成本、加工成本等在考虑衬垫成本时，要综合考虑这些因素11. 常用电磁密封衬垫的比较这是一种最常用的电磁密封材料从结构上分，有全金属丝、空心金属丝网衬垫：常用的金属丝材料为：蒙乃尔合金、铍铜、镀锡钢丝等其屏蔽和橡胶芯等三种以下的场合1GHz一般用在高频时屏蔽效能较低低频时屏蔽效能较高，性能为：高频时屏蔽效能较低 //缺点：价格低，过量压缩时不易损坏主要优通常用在有环境密封要求的场合从结构上分，有板材和条材两种，条导电橡胶：板材则有不同的厚度材料为：硅橡胶中掺入铜粉、铝材又分为空心和实心两种粉、银粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃粉等其屏蔽性能为：低频时屏蔽效能较低，高频时屏蔽效能较高主要优/缺点：同时提供电磁密封和环境密封较硬，价格高，由于表面较软，有时不能刺透金属表面的氧化层，导致屏蔽效能很低指形簧片：通常用在接触面滑动接触的场合性状繁多，材料为铍铜，但表面可做不同涂覆屏蔽性能为高频、低频时屏蔽效能都较高主要优/缺点：变形量大、屏蔽效能高、允许滑动接触（这便于拆卸）/价格高螺旋管衬垫：由铍铜或不锈钢材卷成的螺旋管，屏蔽效能高（所有电磁密封衬垫屏蔽效能最高的）主要优/缺点：价格低，屏蔽效能高/受过量压缩时容易损坏导电布衬垫：导电布包裹上发泡橡胶芯构成，一般为矩形，带有背胶，安装非常方便高低频时屏蔽效能都较高主要优/缺点：价格低，过量压缩时不容易损坏、柔软、具有一定的环境密封作用/频繁摩擦会损坏导电表层12. 电磁密封衬垫使用的注意事项电磁密封衬垫的使用方法对屏蔽体的屏蔽效能影响很大在使用时，要注意以下几点：1）所有种类的电磁密封衬垫中，指形簧片允许滑动接触，其他种类的衬垫绝不允许滑动接触否则会造成衬垫的损坏2）有种类的衬垫受到过量压缩都会发生不可恢复地损坏，因此在使用时要设置限压结构，保证一定的压缩量3）除了导电橡胶衬垫以外，当衬垫与屏蔽体机体之间的电器接触良好时，衬垫的屏蔽效能与压缩量没有正向关系，增大压缩量并不能提高屏蔽效能导电橡胶的屏蔽效能则随着压缩量的增加而增加，这与导电橡胶中的导电颗粒密度加大有关4）使用衬垫接触的金属板要有足够的刚度，否则在衬垫的弹力作用下会发生变形，形成新的不连续点，导致射频泄漏对于正面压缩结构，适当的紧固螺钉间距可以防止面板变形5）尺寸允许时，尽量使用较厚的衬垫，这样可以允许金属结构件具有更大的加工误差，从而降低了成本另外，较厚的衬垫一般更柔软些，对金属板的刚性要求较小（从而避免了由于结构件刚性不够导致变形二造成的射频泄漏）6）衬垫材料要安装在不易被损坏的位置例如，对于大型的屏蔽门，衬垫要安装在门框内，并提供一定的保护；对于可拆卸的面板，最好将衬垫安装在活动面板上，这样拆下面板时，便于存放7）安装衬垫的金属表面一定要清洁、导电，以保证可靠的导电性8）尽量采用槽安装方式，槽的作用是固定衬垫和限制过量压缩使用槽安装方式时，屏蔽提的两个部分之间接触不仅通过衬垫实现完全接触，而且还有金属之间的直接接触，因此，具有最高的屏蔽效能9）安装槽的形状有直槽和燕尾槽两种，直槽加工简单，但衬垫容易掉出燕尾槽没有这个问题槽的高度一般为衬垫高度的75%左右（具体尺寸参考衬垫厂家要求的压缩量），宽度要保证有足够的空间允许衬垫受到压缩时的伸展衬垫安装在直槽内时，衬垫需要固定一般设计资料上建议用导电胶粘接，但这样有两个缺点：一是会增加成本，另一个是导电胶会发生老化而导致屏蔽性能下降这里建议用非导电胶，在紧固螺钉穿过的地方滴一小滴这样，粘胶的地方虽然不导电，但是金属螺钉起到了导电接触地作用，并且屏蔽效能比较稳定10) 滑动接触时的方向，只有指形簧片才允许滑动接触安装簧片时，要注意簧片的方向，使滑动所施加的压缩力能够使簧片自由伸展一般情况下，簧片可以靠背胶粘接，但要注意固化时间（参考簧片厂家说明）较恶劣的环境下（温度过高或过低，机械力过大等），可用卡装结构11）根据屏蔽体基体材料选择适当的衬垫材料，使接触面达到电化学兼容状态，有关设计可以参考后面给出的资料如果空间允许，在安装衬, 垫的缝隙处同时使用环境密封衬垫，并且使环境密封衬垫面对外部环境，防止电解液进入到导电衬垫与屏蔽体接触的结合面上12) 螺钉的位置，一般情况下，螺钉安装在沉淀内侧或外侧并不是十分重要，但是在屏蔽要求很高的场合，螺钉要安装在衬垫的外侧，为防止螺钉穿透屏蔽箱，造成额外的泄漏13. 电磁密封衬垫的电化学腐蚀问题电化学腐蚀问题是设计屏蔽机箱必须考虑的问题之一电化学腐蚀发生在不同种类金属的接触面上因此，在电磁密封衬垫与屏蔽体基体接触的表面上容易发生电化学腐蚀发生在衬垫与屏蔽体基体之间的电化学腐蚀会造成下面两个后果：1）降低屏蔽效能，电化学腐蚀的结果是降低了接触面的导电性，甚至导致接触面完全断开，这会造成机箱的屏蔽效能降低2）互调效应，又称锈螺钉效应这是因为电化学反应产生的化合物是非线性的半导体物质，这会产生信号混频结果是产生了新的干扰频率防止电化学腐蚀的方法：速度与环境因素关系很大，在湿热、盐雾环境中腐蚀发展很快，而在干燥环境中，腐蚀发展很慢14. 与衬垫性能相关的其它环境问题1）潮湿环境：潮湿会加速接触面的电化学腐蚀造成这种后果的原因是，在潮湿环境中，会生长霉菌，霉菌会放出酸性物质，从而导致电化学腐蚀对于军用设备，霉菌试验是验证这个问题的试验方法2）振动环境：车载设备或运输中的设备所承受的振动是造成衬垫结合处腐蚀的主要原因之一这是因为振动导致衬垫与屏蔽体之间的摩擦，产生了细小金属粉粒，这种金属粉粒即使在较好的环境中也容易腐蚀振动造成的腐蚀是车载设备屏蔽失效的主要原因15. 截止波导管的概念与应用金属管对于电磁波，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，低于截止频率的电磁波不能通过波导管，高于截止频率的电磁波可以通过波导管利用这个特性，可以达到屏蔽电磁波，同时实现一定实体连通的目的方法是，将波导管的截止频率设计成远高于要屏蔽的电磁波的频率，使要屏蔽的电磁波在通过波导管时产生很大的衰减由于这种应用中主要是利用波导管的频率截止区，因此成为截止波导管截止波导管的概念是屏蔽结构设计中的基本概念之一常用的波导管有圆形、矩形、六角形等，它们的截止频率如下：9是矩形波导管的开口最大尺寸，单式中：l=15×10矩形波导管的截止频率：f/l c的单位是，位是cmfHz c9是圆形波导管的内直径，单位是式中：d圆形波导管的截止频率：f=17.6×10/d c的单位是Hz，f cm c9是六角形波导管的开口最大尺寸，w=15×10/w式中：六角形波导管的截止频率：f c Hzf的单位是单位是cm，c落在波导管频率截止区内的电磁波穿过波导管时，会发生截止波导管的吸收损耗：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1/22-9（dB））f/f）×t×10A=1.8×f（1-（cc是截f是所关心信号的频率（Hz），式中：t是截止波导管的长度，单位是cm，f c﹤ff远低于截止波导管截止频率（）止波导管截止频率（Hz如果所关心的频率-9dB（）f/5），则公式化简为：A=1.8×f×l×10 cc）A=32t/d （dB 圆形截止波导管：（dB）矩形（六角形）截止波导管： A=27t/l从公式中可以看出，当干扰的频率远低于波导管的截止频率使，若波导管的长度增分贝加一个截面最大尺寸，则损耗增加将近30截止波导管的屏蔽效能由吸收损耗部分加上前面所讨论截止波导管的总屏蔽效能：的孔洞的屏蔽效能不能满足屏蔽要求时，就可以考虑使用截止波导管，利用截止波导管的深度提供的额外的损耗增加屏蔽效能截止波导管的注意事项与设计步骤16.这是一个常见的绝对不能使导体穿过截止波导管，否则会造成严重的电磁泄漏，1）错误5（2）一定要确保波导管相对于要屏蔽的频率处于截止状态，并且截止频率要远。