屏蔽理论

屏蔽技术1 概述电磁兼容设计应达到两个目的：一是通过优化电路和结构方案的设计，将干扰源本身产生的电磁噪声减低到能接受的水平；一是通过各种干扰抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到能接受的程度。

屏蔽技术是达到上述目的的最重要的手段之一。

按要屏蔽的电磁场性质分类，屏蔽技术通常分为三大类：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

电场屏蔽一般针对静电场和低频交变电场的屏蔽，磁场屏蔽主要针对直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽，电磁场屏蔽主要针对同时存在电磁及磁场的高频辐射电磁场的屏蔽。

按屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽（屏蔽室或屏蔽盒等）、非完整屏蔽体屏蔽（带有孔洞、金属网、波导管及蜂窝结构等）以及编织带屏蔽（屏蔽线、电缆等）。

2 屏蔽的基本原理2.1 电场屏蔽我们知道，当一个带有正电或负电的物体靠近一个导体时，就会在该导体上产生感应电荷，当电荷平衡时，靠近物体的一边产生和该物体极性相反的等量电荷，另外一边产生和该物体极性相同的等量电荷，这个就是静电感应现象。

倘若感应的电场很强，且物体距离很近，就会发生静电放电。

静电放电是有危害的，比如人体接触一块电路板或电子装置的某个部位时，就可能造成静电放电，尽管放电电流我们可能感觉不到，但一些器件或许就会因为这次放电而损坏。

表2-1 常见半导体器件的静电放电易损电压参考值是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。

因为封闭导体壳内的电场具有典型意义和实际意义，我们以封闭导体壳内的电场为例对静电屏蔽作一些讨论。

若壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电，静电平衡时壳内无电场。

这并不是说壳外电荷不在壳内激发电场。

由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在壳内空间任一点激发的合场强为零，因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响。

壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。

如果把上述空腔导体外壳接地，则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。

静电平衡后空腔导体与大地等势，空腔内场强仍然为零。

如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。

这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔内有电场。

此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。

由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。

如果壳内空腔有电荷q ，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在，此电场可以说是由壳内电荷q 间接产生。

也可以说是由壳外感应电荷直接产生的。

但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷q 与内壁感应电荷在壳外产生电场为零。

可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。

总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响，接地封闭导体壳外电场不受壳内电荷的影响。

实际应用中，金属导体壳必须接地，这样才能使内部的仪器或工作环境不受外部电场影响，内部的仪器也不对外部产生电场影响。

低频交变电场的屏蔽和静电屏蔽的情况完全一样。

2.2 磁场屏蔽磁场屏蔽的目的是消除或抑制直流或低频交流磁场噪声源与被干扰回路的磁耦合。

当电流流过一根导线时，在导线周围会同时产生电场和磁场。

如果把导线用一个良好的接地非导磁金属屏蔽体封闭起来的话，电场的电力线则终止在该屏蔽体，电场得到了良好的屏蔽，而对原磁力线没有什么影响。

如图2-1所示。

导导图 2-1 电场屏蔽体不能屏蔽磁场对噪声源的磁场屏蔽通常采用两种办法： 1. 采用高磁导率材料的屏蔽体导导导导导导导导导导导导导导a 导导b 导图 2-2 磁屏蔽原理如图2-2（a ）所示，磁场噪声源用一个高磁导率材料的屏蔽体封闭起来，由于高磁导率材料的低磁阻，噪声源的磁力线将被封闭在磁屏蔽体内。

在这种情况下，为了获得好的屏蔽效果，必须保证磁路畅通。

当磁屏蔽体必须开狭缝时，狭缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通方向一致。

这种方法只能用于屏蔽直流和低频磁场的屏蔽，因为只有低频时，这些材料才能保持低的磁阻。

2. 采用反向磁场抵消噪声磁场原理如图2-2（b ）所示，用非导磁的金属屏蔽体将中心导线包围起来，并让屏蔽体流过和中心导线相等的电流，这样，在屏蔽体的外部，总的噪声磁场为零。

这种方法适用于高频磁场屏蔽及利用屏蔽电缆实现磁屏蔽的场合，金属屏蔽材料应为良导体。

对高频磁场，由于高频磁场的作用，屏蔽体表面会产生电磁感应涡流，根据楞次定律，该涡流将产生一个反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来磁场，如图2-3所示。

B 干图 2-3 金属板对高频磁场的排斥作用在这种情况下，涡流越大屏蔽效果越好。

因此，高频磁场的屏蔽要选良导体材料，随着频率的增高，磁屏蔽效果也越好。

当涡流产生的反磁场足以完全排斥噪声磁场，涡流将不再增大而保持一个常值。

此外，由于趋肤效应，涡流只在材料的表面流动，所以只要一层很薄的金属材料就足以屏蔽高频磁场。

用这种方法可以屏蔽电缆芯线的磁噪声。

图2-4（a ）中是一个简单的电缆电路模型。

电缆屏蔽层必须在两端接地才能将芯线中产生的磁场抵消。

I 1I G 1(b)(a)图 2-4 用屏蔽层电流屏蔽高频干扰源磁场图2-4（b ）是其等效电路。

沿地回路可得电路方程：)()(01M j I R L j I S S S ωω-+= （2-1）其中，M 为屏蔽电缆屏蔽层和芯线间的互感，且M=L S ，可得：css S j j j L R j j I I ωωωωω+=+=)/(1 （2-2）式中，c ω为屏蔽电缆的截止频率。

大多数屏蔽电缆的截止频率只有几千赫兹。

从式（2-2）可见，当c ωω〉〉时，1I I s ≈，这时屏蔽层由于互感的作用，他表现出的阻抗值要比地阻抗低得多，因此它成为这样电缆的返回通道，使芯线产生的磁场得到屏蔽。

但是如果c ωω5〈时，1I I s 〈，随着ω的降低，越来越多的电缆将从低阻抗分流，因而磁屏蔽效能将随之下降。

所以，在低频时，图2-4所示屏蔽层在电缆两端接地的方式是不能达到屏蔽效果的。

这时，应采用图2-5所示的方式，屏蔽层在源端一点接地，以保证这1I I s =这一磁屏蔽条件。

图 2-5 屏蔽层在源端一点接地，屏蔽低频磁场2.3 辐射电磁场屏蔽对于电磁场，电磁分量和磁场分量是同时存在的，所以要同时对磁场和电磁加以屏蔽。

高频电磁屏蔽的机理主要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理。

电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波就会产生反射。

电磁波的波阻抗和屏蔽层的特征阻抗相差越大，反射就越大；电磁波的频率越低反射越大。

未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减，也就是所谓的吸收。

在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。

这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。

总之，屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。

3 屏蔽效果的度量和计算3.1 屏蔽效能的几种表示1. 屏蔽系数屏蔽系数s η指被干扰的导体在加屏蔽后的感应电压U S 与未加屏蔽时的感应电源电压U 0之比，即U U S S =η （3-1）显然，屏蔽系数越小越好。

2. 透射系数投射系数T 指加屏蔽后某一测量点的场强与同一测量点未加屏蔽时的场强之比，即对电场 0E E T S E =对磁场 0H H T S H = （3-2）3. 屏蔽效能屏蔽效能SE 指未加屏蔽某一测量点的场强与同一测量点加屏蔽时的场强之比，以dB 为单位。

对电场 s0lg20E E SE E =对磁场 SH H H SE 0lg20= （3-3）屏蔽效能越大表示屏蔽效果越好。

从上式可见，屏蔽效能SE 和投射系数T 的关系为TSE 1lg20= （3-4）图3-1描述了电磁波穿过金属屏蔽层所发生的表面反射、体内吸收和多次反射的电磁场强及能量的衰减过程。

根据屏蔽效果的各种定义，不难得出：电场磁场屏蔽体界面1界面2Z 0EtHt图 3-1 电磁波窗屏蔽层时的吸收、反射及屏蔽体内多次反射示意图多次反射吸收反射T T T ⨯⨯=T代入（3-4），得B A R SE ++= （3-5）式中反射T R 1lg20= 称为反射损耗 （3-6）吸收T A 1lg20= 称为吸收损耗 （3-7）多次反射T B 1lg20= 称为多次反射损耗 （3-8）3.2 屏蔽效能的计算1）电场屏蔽效能的计算当远场中的电场分量到达金属屏蔽板时，大部分电场能量在电磁波入射的第一界面被反射掉，剩下的部分透过屏蔽层时部分被吸收，参与穿过屏蔽层进入接收部分的电磁能量很小，所以多次反射损耗可忽略不计。

电场的总屏蔽效能则等于反射损耗和吸收损耗之和。

E E E A R SE += （3-9）2）磁场屏蔽效能的计算计算磁场屏蔽效能时必须考虑屏蔽层内的多次反射。

磁场分量和电场分量恰恰相反，磁场的反射波要比入射波的磁场强度大一倍。

所以，磁场的总屏蔽效能为：H H H H B A R SE ++= （3-10） 3）辐射（远场）电磁场屏蔽效能与频率的关系图3-2给出了一块0.05mm 的铜皮对平面波屏蔽效能和频率关系曲线。

3002502001501005001000011000.01导导导kHz 导导导导导导dB 导导导导导导导导图 3-2 0.05mm 厚的铜皮对平面波的屏蔽效能频率特性从图中可以清楚的看到，在低频时，屏蔽效能以反射损耗为主，而在高频时则以吸收损耗为主。

4 不完整屏蔽对屏蔽效能的影响理论上，除了对低频磁场的屏蔽外，要到达90dB 的屏蔽效能毫不困难。

但实际上并非如此，因为完整的屏蔽体是不存在的，屏蔽体上的门、盖、各种孔、开关和铰链等，均不得不破坏屏蔽的完整性，使实际的屏蔽效能降低。

实践证明，屏蔽材料本身固有的屏蔽效能与由于这些缝隙、开孔引起的实际屏蔽效能的下降相比，后者的影响往往更为严重，而屏蔽的不完整性对磁场泄露的影响又往往比对电场泄露的影响严重。

磁场泄露主要和开孔的最大线性尺寸、波阻抗、电磁波的频率等因素有关。

4.1 缝隙的影响图 4-1 无限长狭缝如图4-1所示，设在金属屏蔽体中有一无限长的缝隙，其间隙为g ，屏蔽板的厚度为t.，入射电磁波的磁场强度为H 0，泄露到屏蔽体中的磁场强度为H p ，但趋肤深度g 3.0〉δ时，得：gt pH H/0π-= （4-1）上式表明，当缝隙又窄又深时，磁场泄露就小；反之则大。

实际上，缝隙引起的泄露要比上述的复杂得多。

它不仅和缝隙的宽度、板的厚度有关，而且和其直线尺寸、缝隙的数目以及波长等有密切关系。

频率越高，缝隙的泄露越严重。

而且在相同缝隙面积的情况下，缝隙的泄露比孔洞的泄露严重。

特别是当缝隙的直线尺寸接近波长时，由于缝隙的天线效应，屏蔽体本身可能成为一个有效的电磁波辐射器，从而严重地破坏屏蔽体的屏蔽效果。