屏蔽效能的计算
弹体磁屏蔽效能的计算与仿真
万方数据 万方数据第３１卷第２期高峰等：弹体磁屏蔽效能的计算与仿真１４３得纵向截面的磁屏蔽效能。
当地＝５０时，象＝·＋等＝－＋警＝７．２５当地＝１０００时，瓮…等＝·＋半北６综合可得，在弹丸纵截面菇町，７．２５罐ｂ蜥可见，即使弹体各处厚度相同，弹体横截面和纵截面内的磁屏蔽效能也不相同，弹体材料为钢时对地磁场的屏蔽效能最高可达１２６左右，意味着衰减系数可达９９％左右，即弹体内的磁场强度只有地磁场本身的ｌ％左右，为了把地磁传感器的信号放大到适合ＡＤ采样的范围，要额外把放大倍数增加１００倍左右。
由于地磁场是一种极弱的磁场，不考虑弹体屏蔽时，选用的单片机Ｃ８０５１１７０２１的ＡＤ转换位数为１２位，通常取放大倍数为３００～１０００倍，再在此基础上放大１００倍的话会引起电路放大倍数过高带来的电路自激和振荡，这是要避免的。
措施之一就是提高ＡＤ采样模块的分辨率，例如Ｃ８０５１Ｆ３５０的ＡＤ转换位数为２４位，这就大大减少了放大电路的负担，无需很大的放大倍数就使钢质弹体内地磁探测系统也能敏感到地磁信号并具有较高的分辨率‘１３弹体磁屏蔽效能的仿真分析ＡＮＳＹＳ是目前非常流行的有限元分析商业软件包，可进行结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析和多物理场分析，是惟一真正实现多场耦合的ＣＡＥ软件¨３１。
使用ＡＮＳＹＳ的Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ模块可进行电磁场分析，在计算弹体的磁屏蔽效能时，首先算出没有弹体屏蔽时的磁场强度磁巩（或感应强度玩），然后算出在磁场中置人弹体后其内腔的磁场强度磁风（或感应强度吼），两者的比值即为弹体的磁屏蔽效能。
３．１ＡＮＳＹＳ实体建模有限元分析的最终目的是建立实际问题的数学模型，它是物理原型的数学体现。
广义而言，模型应包括所有的节点、元素、材料特性、边界条件等，以及所有反应物理系统的特征。
在ＡＮＳＹＳ中，建立模型的含义要窄得多，仅指建立空间模型，而结合所研究的具体问题，仅讨论实体建模（ＳｏｌｉｄＭｏｄｅｌｉｎｇ，即先画出模型的几何形状，然后指示ＡＮＳＹＳ程序自动对几何实体进行网格划分，产生节点和单元，可控制程序生成单元的大小和形状），而不涉及直接生成有限元模型（ＤｉｒｅｃｔＭｏｄｅｌｉｎｇ，即“手动”定义每个节点的位置和每个单元的连接，可采用一些简便操作，如节点和单元的复制、对称投影等）¨３’１４１。
电缆屏蔽计算公式
电缆屏蔽计算公式
电缆屏蔽计算公式是一种用于计算电缆屏蔽效果的方法。
在电缆传输中，电缆外部的干扰会对信号的传输质量产生不良影响，因此需要通过屏蔽来保护电缆，减少干扰的影响。
电缆的屏蔽效果可以通过屏蔽系数来描述，屏蔽系数越高，表示屏蔽效果越好。
屏蔽因子=(1+4πσ/ωε)^-1
其中，σ为屏蔽材料的导电率，ω为工作频率，ε为电缆绝缘材料的介电常数。
屏蔽因子越高，表示外屏蔽的效果越好。
电缆的内屏蔽采用铜丝编织、铜箔、铝箔等方式，其屏蔽效果可以通过衰减因子来描述。
根据电场理论，内屏蔽的衰减因子与屏蔽材料的传导率、电缆内径、屏蔽厚度等因素有关。
具体计算公式如下：
衰减因子=(1+4πσ/ωε)^-1
其中，σ为屏蔽材料的导电率，ω为工作频率，ε为电缆绝缘材料的介电常数。
衰减因子越高，表示内屏蔽的效果越好。
在实际应用中，电缆常常同时具有外屏蔽和内屏蔽，屏蔽效果由两者共同决定。
总屏蔽效果可以通过屏蔽系数来描述，屏蔽系数被定义为外屏蔽因子与内屏蔽因子的乘积。
具体计算公式如下：
屏蔽系数=外屏蔽因子×内屏蔽因子
屏蔽系数越高，表示总屏蔽的效果越好。
需要注意的是，以上公式是根据理论推导得出的近似公式，实际应用中还需要考虑电缆的具体结构、工作环境等因素，以及各种因素之间的相互影响。
因此，在实际应用中需要根据具体情况进行修正和调整，确保计
算结果的准确性。
此外，还需要结合实测数据进行验证，以保证计算结果的可靠性。
屏蔽效能的计算
近场高频磁场，应采用高导电率金属，因频率较高时，磁 损将增加，高磁导率材料的屏蔽效果并不理想。
远场电磁屏蔽应采用高导电率金属并良好接地。
实践表明，低频磁场是在线监测中最难屏蔽的，主要因为，
为解决强磁场下，屏蔽材料的磁饱和问题，可采用双 层屏蔽。
H0
H1
H2
低导磁率 高饱和强度材料
高导磁率 低饱和强度材料
另一种较常用的复合屏蔽，是在高导磁材料表面涂覆 高导电材料。
这种屏蔽材料对高频和低频电磁干扰都有比较理想 的屏蔽效能。
硅钢 铜 镍
§ 6.1.3 孔缝屏蔽
屏蔽效能的计算，通常认为屏蔽体是一个完全封闭的金 属壳。但实际上任何屏蔽箱体都存在必要的穿孔和缝隙。
L
L1
CY1
CX
CY2
E
NE
L2
(a) 电源滤波器外观
(b) 等效电路
1. 插入损耗
金属板的综合屏蔽效能可表示为：
SE = A + R + B (dB)
（6-3）
A — 吸收损耗；R — 反射损耗； B — 多重反射修正因子。
1. 吸收系数 A
A 0.131t frr (dB)
（6-4）
t — 金属板厚度(mm)； f—辐射频率； r—金属板相对导磁率； r—金属板相对导电率。
为了避免走线引入附加电感，连接旁路和去耦电容器 的引线要尽量短直。
§ 6.2.3 电源滤波器
由于在现场，电源是许多设备公用的，同时公共电源通常也无屏蔽 措施。所以在线监测设备的电源线是引入传导干扰的主要来源。
磁场强度的测量和屏蔽效率的计算
磁场强度的测量和屏蔽效率的计算C.1 一般原则C.1.1 磁场强度指标（1） GB/T2887和GB50174中规定，电子计算机机房内磁场干扰环境场强不应大于800A/m。
注：本磁场强度是指在电流流过时产生的磁场强度，由于电流元IΔs产生的磁场强度可按下式计算：H = IΔs/4πr2 （C.1）距直线导体r处的磁场强度可按下式计算：H = I/2πr （C.2）磁场强度的单位用A/m表示，1A/m相当于自由空间的磁感应强度为1.26μT。
T（特斯拉）为磁通密度B的单位。
Gs是旧的磁场强度的高斯CGS单位，新旧换算中，1Gs约为79.5775A/m，即2.4Gs 约为：191A/m，0.07Gs约为5.57A/m。
（2） GB/T17626.9中规定，可按下表规定的等级进行脉冲磁场试验：（3） GB/T2887中规定，在存放媒体的场所，对已记录的磁带，其环境磁场强度应小于3200A/m；对未记录的磁带，其环境磁场强度应小于4000A/m。
C.1.2 信息系统电子设备的磁场强度要求1971年美国通用研究公司R.D希尔的仿真试验通过建立模式得出：由于雷击电磁脉冲的干扰，对当时的计算机而言，在无屏蔽状态下，当环境磁场强度大于0.07G S时，计算机会误动作；当环境磁场强度大于2.4G S时，设备会发生永久性损坏。
按新旧单位换算，2.4 G S约为191A/m，此值较C.1.1的（1）中800A/m低，较表C.1中3等高，较4等低。
注：IEC62305-4（81/238/CDV）文件中给出在适于首次雷击的磁场（25K H2）时的1000-300-100A/m值及适用于后续雷击的磁场（1MH2）时的100-30-10A/m指标。
C.1.3 磁场强度测量一般方法（1）雷电流发生器法IEC 62305-4提出的一个用于评估被屏蔽的建筑物内部磁场强度而作的低电平雷电电流试验的建议。
（2）浸入法GB/T17626.9规定了在工业设施和发电厂、中压和高压变电所的在运行条件下的设备对脉冲磁场骚扰的抗扰度要求，指出其适用于评价处于脉冲磁场中的家用、商业和工业用电气和电子设备的性能。
屏蔽效能的计算
反射
r E (0) Z1 Z 2 E 21 i E (0) Z1 Z 2
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
E3 (L）
H (0) Z 2 Z1 21 i H (0) Z1 Z 2
i r t
E1 γ H1
2
T12 ρ21
1
T23
ρ
23
E3
γ
3
H3
2
H (0) H (0) H (0)
i r t
E r (0) Z1H r (0)
E i (0) Z1H i (0)
Z1 0
图
Z2 L
屏蔽的平面波模型
Z3 x
E t (0) Z2 H t (0)
透射
t E (0) 2Z 2 E T12 i E (0) Z1 Z 2
电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗，这种 损耗可以分为两部分：反射损耗和吸收损耗。 电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次 反射电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射 损耗的总和。
入射波
SE ＝ R1 ＋ R2 ＋ A＋B ＝ R＋ A＋B
场强
B
吸收损耗A R1 R2
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
Etotal e ，它透过区域2和区域3
的分界面，在区域3中X=L
E1 γ H1 Z1 γ 2
μ 1ε 1σ
1
2 L
E3 (L）
T12 ρ21
ρ
1 1 23
T23 H3 Z3 2 γ
2
E3
屏蔽效能的计算
远场电磁屏蔽应采用高导电率金属并良好接地。
实践表明，低频磁场是在线监测中最难屏蔽的，主要因为，
低频 —— 吸收损耗 A 小 磁场 —— 反射损耗 R 小 屏蔽低频磁场主要采用高导磁率材料，以提高吸收损 耗。但应注意以下问题。 1. 材料手册上通常给出的是直流下的磁导率。但一般直流 时磁导率越高，随频率的升高，下降的也越快。 2. 高导磁率材料在经过加工或受到冲击时，导磁率会明显 下降。 3. 高导磁率材料会在强磁场中饱和，丧失屏蔽效能。
（6-1）
例1 如果屏蔽体局干扰源的距离d =1 m，根据判别条件
d = / 2 = 1 m
可求出相应的临界频率
f0 = c / = 47.7MHz
那么此时对于频率f > f0的辐射可认为是远场平面波； 而当频率 f < f0时，则可看作是近场。
对于常见两种天线：小环天线和短单极天线，两者远场 的电磁场分布特性是基本一致的。
屏蔽材料
银 铝 黄铜 不锈钢 热轧硅钢 冷轧钢
r
1.064 0.61 0.35 0.02 0.038 0.17
r
1 1 1 200 1500 180
rr
1.03 0.70 0.59 2.00 7.59 5.53
r r
1.03 0.78 0.59 0.01 0.0051 0.031
例2 设环状辐射源频率f =15 kHz, 在与辐射源相距50cm处有厚
近场
电场屏蔽 RE 141.7 10 lg(r f 3r2 r )
(dB) （6-5）
ImNaoge 磁场屏蔽 RH 74.6 10 lg(r f rr2 ) (dB)
结构体屏蔽效能计算与测试
向性 ，对 整个测 试 更加有 利 ；一 方面利 用高 压放 电 ，可 以提 供较 大 的瞬时功 率 ，平均 电
源消耗并不高 ；另一方面也省去了复杂的信号产生、功率放大等 电路和天线 ，体积可以 很小，也有利于机箱的测试 。测试时将宽频信号发生器放在被测体 内，由天线接收，在 频谱仪上可以看到众多谱线 ，移开被测体宽频信号发生器在空间辐射产生电磁场频谱， 通 过 比较 ，可 以得 出被测 体 的屏蔽效 能 。
４ ３
维普资讯
电信 技术研 究
２０ ０ ８年第 ５ 期
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—
图 １屏蔽效能常规测试原理图
图 ２屏 蔽效 能 曲线
本次屏蔽效能的测试是由外部天线发射利用场强探头来检测 的，由 于场强探头接收 的是宽频信号 ，一方面会因为某些频段的阻抗不匹配造成测试的不准确 ；另一方面场强 探头势必需要引线连接进入屏蔽机箱 ，从而带来 了意想不到的传导干扰 ；另外场强探头
关 键词 ： 电磁 兼容
１引言
电磁 干扰
屏 蔽效 能
屏蔽是 电磁兼容技术得以实现的重要手段之一，屏蔽的目的就是要切断内外一切干 扰源相互间形成电磁骚扰的途径 ，原本它的计算非常复杂，一定要在有无屏蔽结构时对 比条件下求解麦克斯韦方程。近年来，由于数学计算软件和计算机应 用的发展 ，使数值 法在计 算上有 广泛 的应 用空 间 ，原 因是 数值法精 确且适 用于一 切 图形 ，但 是 ，工程师们 还是喜 欢用工 程计算 方法 ，毕竟 更适合现场 工作条 件 ，而且简单 、 方便 。
的测 试也是 根据这 个 定义 进行 的。 目前 因为没 有针对 屏蔽效 能相 应 的国家标 准 ，因此可 能有 不 同的测试 方法 ，虽然原 理相 同 ，但是测 试结果 可能 出入较大 ，为 了减 少外界 电磁
电磁屏蔽技术
靠近辐射源
r = 30 m
磁场 r = 1 m
靠近辐射源
综合屏蔽效能 (0.5mm铝板)
150
250
平面波
0
0.1k 1k 10k 100k 1M 10M
高频时 电磁波种类 的影响很小
电场波 r = 0.5 m
磁场波 r = 0.5 m
电源线
缝隙
远场区孔洞的屏蔽效能
L
L
SE = 100 – 20lgL – 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(L/H)) = 0 dB 若 L / 2
H
孔洞在近场区的屏蔽效能
若ZC （7.9/Df）：（说明是电场源） SE = 48 + 20lg ZC – 20lg L f + 20lg ( 1 + 2.3lg (L/H) ) 若ZC （7.9/Df）：（说明是磁场源） SE = 20lg ( D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ) （注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）
r 103
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
强磁场的屏蔽
高导磁率材料：饱和
低导磁率材料：屏效不够
低导磁率材料
高导磁率材料
加工的影响
20
40
60
80
100
10 100 1k 10k
跌落前
跌落后
良好电磁屏蔽的关键因素
屏蔽体 导电连续
没有穿过屏 蔽体的导体
屏蔽效能高的屏蔽体
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
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E (0)
21e
2 2 L 2
屏蔽的平面波模型
因此，区域2中从X=0处向右传播的所有波的和为：
Etotal E 2 (0) E 21 (0) E 22 (0) E 2 (0) 1 21 23 e
2 2 L
21
23 e
2 2 L 2
式中
21 (Z1 Z2 ) (Z1 Z2 ), 23 (Z3 Z2 ) (Z3 Z2 )
当
21 23e 2
2L
1 时，
Etotal E2 (0) 1 21 23e 2 2 L E 2 ( 0) E 2 ( 0)
距离
一
单层屏蔽体
1
具有下标（ 1,2,3 ）的 μ 、 ε 、E （0） σ分别依次表示各区域中媒 质的磁导率、介电常数和 E1 γ 1 电导率； γ 、 Z 分别依次表 示各区域中平面电磁波的 H1 传播常数、媒质的本征阻 2 Z1 抗，且
E2i（0）
E2（0）
E3 (L）
T12 ρ21
ρ
23
T23 H3
E3 (L）
Etotal E 2(0)
1 1 21 23e
2 2 L
E1 γ H1
2
T12 ρ21
1T23ρ Nhomakorabea23E3
γ
3
H3
2
E1(0)T 12 1 21 23e 2 2 L
Z1 0
Z2 L
Z3 x
图 屏蔽的平面波模型
Etotal沿+x方向传播距离L后形成
t H (0) 2Z 2 T12H i H (0) Z1 Z 2
反射
r E (0) Z1 Z 2 E 21 i E (0) Z1 Z 2
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
E3 (L）
H (0) Z 2 Z1 21 i H (0) Z1 Z 2
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
Etotal e ，它透过区域2和区域3
的分界面，在区域3中X=L
E1 γ H1 Z1 γ 2
μ 1ε 1σ
1
2 L
E3 (L）
T12 ρ21
ρ
1 1 23
T23 H3 Z3 2 γ
2
E3
γ
3
3
处形成E3(L)，
Z2 γ
2
E3 ( L) T23Etotal e 2 L
第二节 完整屏蔽体屏蔽效能的计算
——导体平板的屏蔽效能
一
单层屏蔽体
1. 电磁波在屏蔽体x＝0界面处的传播公式 2.单层屏蔽体的有效传输系数
3. 电场和磁场的有效传输系数
4. 单层屏蔽体的屏蔽效能
二 多层平板屏蔽体的屏蔽效能
三. 屏蔽效能的计算 1 吸收损耗
2 反射损耗 3 多次反射损耗 四 平面波模型推广到非理想屏蔽结构
i r t
E1 γ H1
2
T12 ρ21
1
T23
ρ
23
E3
γ
3
H3
2
H (0) H (0) H (0)
i r t
E r (0) Z1H r (0)
E i (0) Z1H i (0)
Z1 0
图
Z2 L
屏蔽的平面波模型
Z3 x
E t (0) Z2 H t (0)
透射
t E (0) 2Z 2 E T12 i E (0) Z1 Z 2
2
E3
γ
3
Z2 0 L
屏蔽的平面波模型
Z3 x
Z
j /( j)
图
j( j)
Tij ,ij 用表示电磁波由区域i向区域j传播时，分界面处的传输
系数和反射系数。
1. 电磁波在屏蔽体x＝0界 面处的传播公式
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
E3 (L）
E (0) E (0) E (0)
r H
E1 γ H1
2
T12 ρ21
1
T23
ρ
23
E3
γ
3
H3
2
2.单层屏蔽体的有效传输系数 (1).不计分界面对电磁波的多次反射
Z1 0
图
Z2 L
Z3 x
Teff E3 ( L) / E1 (0)
由图知：E2 (0) E1 (0)T12 ,
因此 式中
Teff
屏蔽的平面波模型
E2 (L) E2 (0)e 2 L ,
考虑分界面对电磁波的多 次反射，单层屏蔽体的有 效传输系数为
μ 2ε 2σ
μ 3 ε 3σ
3
0
图1
L
单 层 平 板 屏 蔽 体
x
T23 e 2 L E1 (0)T12 E3 ( L) T12T23 e 2 L Teff 2 2 L E1 (0) E1 (0) 1 21 23 e 1 21 23 e 2 2 L
E3 (L) E2 (L)T23
E 3( L) T 12T 23 e 2 L E 1(0)
T12 2Z2 / (Z1 Z2 ), T23 2Z3 / (Z2 Z3 )
(2).计入分界面对电磁波的多次反射
E1（0）
E2i（0）
E2（0）
设E2i(0)为区域2中界面X=0 处沿+X方向（从左向右） 传播的第i次反射波，那么
E1（0）
(1 21 23e 2 2 L )(1 21 23e 2 2 L ) 1 21 23e 2 2 L [1 ( 21 23e 2 2 L ) 2 ] 1 21 23e
2 2 L
E2i（0）
E2（0）
分界面的多次反射效应体现于因子 1 21 23e 2
2L
1
3. 电场和磁场的有效传输系数 令
2Z 3 2Z 2 pE T T Z2 Z 1 Z3 Z2
E3 (L）
E1 γ
2
T12 ρ21
1
T23
ρ
23
E3
γ
3
E21 (0) E2 (0)e 2 L 23 e 2 L 21 H1 E2 (0) 23 21e
2 2 L
H3
2
Z1 0
图
Z2 L
Z3 x
E22 (0) E21(0) 23 21e2 2 L
电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗，这种 损耗可以分为两部分：反射损耗和吸收损耗。 电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次 反射电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射 损耗的总和。
入射波
SE ＝ R1 ＋ R2 ＋ A＋B ＝ R＋ A＋B
场强
B
吸收损耗A R1 R2