关于磁场屏蔽分析研究解读
如何屏蔽磁场
磁场的屏蔽问题,是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题.根据条件的不同,电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况,这三种情况既具有质的区别,又具有内在的联系,不能混淆.
静电屏蔽
在静电平衡状态下,不论是空心导体还是实心导体;不论导体本身带电多少,或者导体是否处于外电场中,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.
(一)封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响.
如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.这不是说壳外电荷不在壳内产生电场,根发电场.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.
(二)接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响.
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.这与第一种情况不同.
这里还须注意:
①我们说接地将消除壳外电荷,但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电.假如壳外有带电体,则壳外壁仍可能带电,而不论壳内是否有电荷.
②实际应用中金属外壳不必严格完全封闭,用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果,虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的.
③在静电平衡时,接地线中是无电荷流动的,但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化,或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化,就会使接地线中有电流.屏蔽罩也可能出现剩余电荷,这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的.
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.这种现象,叫静电屏蔽.静电屏蔽有两方面的意义:
其一是实际意义:屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响,也不对外部电场产生影响.有些电子器件或测量设备为了免除干扰,都要实行静电屏蔽,如室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩,电子管用金属管壳.又如作全波整流或桥式整流的电源变压器,在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地,达到屏蔽作用.在高压带电作业中,工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服,可以对人体起屏蔽保护作用.在静电实验中,因地球附近存在着大约100V/m的竖直电场.要排除这个电场对电子的作用,研究电子只在重力作用下的运动,则必须有eE 其二是理论意义:间接验证库仑定律.高斯定理可以从库仑定律推导出来的,如果库仑定律中的平方反比指数不等于2就得不出高斯定理.反之,如果证明了高斯定理,就证明库仑定律的正确性.根据高斯定理,绝缘金属球壳内部的场强应为零,这也是静电屏蔽的结论.若用仪器对屏蔽壳内带电与否进行检测,根据测量结果进行分析就可判定高斯定理的正确性,也就验证了库仑定律的正确性.最近的实验结果是威廉斯等人于1971年完成的,指出在式 F=q1q2/r2±δ中,δ<(2.7±3.1)×10-16, 可见在现阶段所能达到的实验精度内,库仑定律的平方反比关系是严格成立的.从实际应用的观点看,我们可以认为它是正确的. 静磁屏蔽 静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场.静磁屏蔽是利用高磁导率μ的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场.它与静电屏蔽作用类似而又有不同. 静磁屏蔽的原理可以用磁路的概念来说明.如将铁磁材料做成截面如图7的回路,则在外磁场中,绝大部份磁场集中在铁磁回路中.这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来分析.因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍,所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多,外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过,而进入空腔的磁通量极少.这样,被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场,从而达到静磁屏蔽的目的.材料的磁导率愈高,筒壁愈厚,屏蔽效果就愈显著.因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层,故静磁屏蔽又叫铁磁屏蔽. 静磁屏蔽在电子器件中有着广泛的应用.例如变压器或其他线圈产生的漏磁通会对电子的运动产生作用,影响示波管或显像管中电子束的聚焦.为了提高仪器或产品的质量,必须将产生漏磁通的部件实行静磁屏蔽.在手表中,在机芯外罩以软铁薄壳就可以起防磁作用. 前面指出,静电屏蔽的效果是非常好的.这是因为金属导体的电导率要比空气的电导率大十几个数量级,而铁磁物质与空气的磁导率的差别只有几个数量级,通常约大几千倍.所以静磁屏蔽总有些漏磁.为了达到更好的屏蔽效果,可采用多层屏蔽,把漏进空腔里的残余磁通量一次次地屏蔽掉.所以效果良好的磁屏蔽一般都比较笨重.但是,如果要制造绝对的“静磁真空”, 则可以利用超导体的迈斯纳效应.即将一块超导体放在外磁场中,其体内的磁感应强度B永远为零.超导体是完全抗磁体,具有最理想的静磁屏蔽效果,但目前还不能普遍应用. 电磁屏蔽 电磁场在导电介质中传播时,其场量(E和H)的振幅随距离的增加而按指数规律衰减.从能量的观点看,电磁波在导电介质中传播时有能量损耗,因此,表现为场量振幅的减小.导体表面的场量最大,愈深入导体内部,场量愈小.这种现象也称为趋肤效应.利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置.它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义. 电磁屏蔽是抑制干扰,增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段.合理地使用电磁屏蔽,可以抑制外来高频电磁波的干扰,也可以避免作为干扰源去影响其他设备.如在收音机中,用空芯铝壳罩在线圈外面,使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音.音频馈线用屏蔽线也是这个道理.示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描.在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备. 用什么材料作电磁屏蔽呢?因电磁波在良导体中衰减很快,把由导体表面衰减到表面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度(又称透入深度),用d表示,有电磁屏蔽 ,电磁场在导电介质中传播时,其场量(E和H)的振幅随距离的增加而按指数规律衰减.从能量的观点看,电磁波在导电介质中传播时有能量损耗,因此,表现为场量振幅的减小.导体表面的场量最大,愈深入导体内部,场量愈小.这种现象也称为趋肤效应.利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置.它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义. 电磁屏蔽是抑制干扰,增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段.合理地使用电磁屏蔽,可以抑制外来高频电磁波的干扰,也可以避免作为干扰源去影响其他设备.如在收音机中,用空芯铝壳罩在线圈外面,使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音.音频馈线用屏蔽线也是这个道理.示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描.在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备. 用什么材料作电磁屏蔽呢?因电磁波在良导体中衰减很快,把由导体表面衰减到表面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度(又称透入深度),用d表示,有 其中μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率.若电视频率f=100 MHz,对铜导体(σ=5.8×107/ ·m,μ≈μo＝4π×10-7H/m)可求出d=0．00667mm.可见良导体的电磁屏蔽效果显著.如果是铁(σ＝107/ ·m)则d=0.016mm.如果是铝(σ＝3.54×107/ ·m)则d＝0.0085mm. 为了得到有效的屏蔽作用,屏蔽层的厚度必须接近于屏蔽物质内部的电磁波波长(λ=2πd).如在收音机中,若f＝500kHz,则在铜中d＝0.094mm(λ=0.59mm).在铝中d＝0.12mm(λ=0.75mm ).所以在收音机中用较薄的铜或铝材料已能得到良好的屏蔽效果.因为电视频率更高,透入深度更小些,所需屏蔽层厚度可更薄些,如果考虑机械强度,要有必要的厚度.在高频时,由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大,从而造成谐振电路品质因素Q值的下降,故一般不采用高磁导率的磁屏蔽,而采用高电导率的材料做电磁屏蔽.在电磁材料中,因趋肤电流是涡电流,故电磁屏蔽又叫涡流屏蔽. 在工频(50Hz)时,铜中的d＝9.45mm,铝中的d＝11.67mm.显然,采用铜、铝已很不适宜了,如用铁,则d＝0.172mm,这时应采用铁磁材料.因为在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多.又因是低频,无需考虑Q值问题.可见,在低频情况下,电磁屏蔽就转化为静磁屏蔽.电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点.相同点是都应用高电导率的金属材料来制作;不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合,防止静电感应,屏蔽必须接地.而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层,借涡流消除电磁场的干扰,这种屏蔽体可不接地.但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合,因此即使只进行电磁屏蔽,也还是接地为好,这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用. 综上所述,静电屏蔽、静磁屏蔽、电磁屏蔽的物理内容、物理条件、屏蔽作用是不同的,所用材料也要从具体情况出发.但它们都是屏蔽电磁场,是有本质联系的. 磁场的屏蔽问题，是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题。根据条件的不同，电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况，这三种情况既具有质的区别，又具有内在的联系，不能混淆。静电屏蔽 在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，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。 （一）封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响。 如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，根 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（图2），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（图3）。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。 （二）接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。 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（图4），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（图5）。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。这与第一种情况不同。 这里还须注意：①我们说接地将消除壳外电荷，但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电。假如壳外有带电体，则壳外壁仍可能带电，而不论壳内是否有电荷（图6）。 ②实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。 ③在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。 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。这种现象，叫静电屏蔽。 静电屏蔽有两方面的意义，其一是实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰，都要实行静电屏蔽，如室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩，电子管用金属管壳。又如作全波整流或桥式整流的电源变压器，在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地，达到屏蔽作用。在高压带电作业中， 5．3．4 低频磁场屏蔽的原理及屏蔽物的结构要点 1．低频磁场屏蔽原理 减小低频磁场干扰的方法，除了合理地布置元器件、走线的相对位置和方位外，对于低频(如50 H2)交变磁场的干扰，可采用低频磁场屏蔽的方法来减小其影响，见图5—32 图5—32(a)中，T为电子元器件或电路，当不加屏蔽地放在磁场中时，将会受到低频磁场于扰，如电子束受力发生偏转，改变磁性材料的磁化性能等。图5—32(b)为用高磁导串材料做的一个屏蔽盒。斯麦迪电子磁力线通过时阻力很小，而空气的磁导率很低，磁力线通过时受到很大阻力。因此磁力线将绝大部分从屏蔽体上流过，只有很少量经过屏蔽体内的空气到达元器件了上。即磁力线主要经1—2—3—4线路流走，很少量经1—2’一3’一4流走，从而对T起到了保护作用。综上所述，低频磁场的屏蔽原理就是磁分路原理，即用高磁导率的材料做成屏蔽体，使磁力线分路而起到屏蔽效果。屏蔽体导磁率越南，屏蔽体的壁厚越厚，磁分路作用就越好，屏蔽效果也就越好。几种常用材料的相对导磁串见表5—9。相对导磁率是材料的导磁率与空气导磁串之比，空气的相对导磁串为l。从表5—9中可知：作为低频敬屏蔽物的材料应选钢铁、不锈钢或坡莫合金，而不应选铜或铝等电的良导体。 2．低频疆场屏蔽物的结构要点(1)减小蹬屏蔽盒在接口处的接继磁力线通过屏蔽罩的接口缝隙处时，将会受到很大的磁阻，使磁力线产生泄漏，因此在设计时缝隙处应有较大的重矗[见图5—33(a)中的A3，且应使配合紧密，尽量减小缝隙。还应注意统欧与磁力线的相对位置，不应使接缝切断磁力线而增加磁阻。图5—33(a)的安装是正确的，图5—33(b)的安装则不正确。 低频磁场 低频磁场很难屏蔽。磁力线可以穿透我们生活中常见的材料或物体（如木材、砖瓦、石块、水泥等材料或人体、墙壁、树木等物体），并基本上不因上述物体或材料的存在而产生畸变或消弱。 为了描述带电导线中的电流在周围空间中产生磁场的大小，物理上引入了磁场强度的概念，它是一个矢量，一般用符号H表示，其单位是安培/米（A/m）。而单位磁场强度在周围空间感应出磁通密度的大小（通常用磁感应强度B表示）是不同的，它取决于磁场闭合环路中各种介质的导磁能力。磁感应强度与磁场强度的关系为 B=μH=μrμ0H（3-1） 式中：μ被称为物质的磁导率；μ0被称为真空磁导率，其值为4π×10-7H/m；μr称为物质的相对磁导率。不同材料具有不同的磁导率。 根据磁导率的大小，一般可以把材料分为弱磁性材料和强磁性材料两大类。弱磁性材料包括顺磁性材料和抗磁性材料；强磁性材料常见的为铁磁材料、亚铁磁材料。 抗磁性材料在无外加磁场时对外不显磁性，在外加磁场的作用下会产生一个同外加磁场方向相反的磁场。抗磁性材料的μr略小于1，这类材料如汞、铜、硫、金、银、锌、铅等。顺磁性材料在无外加磁场时几乎不显磁性，在外加磁场的作用下材料内的原子运动会产生一个同外加磁场方向相同的磁场。顺磁性材料的μr略大于1，这类材料如锰、铬、铂、氮等。铁磁材料在外加磁场时，材料内的原子在被称为“交换耦合”的量子效应下，对外显现出非常强烈的磁性，铁磁材料主要是含铁、镍、钴和稀有金属钆、铽等的材料。亚铁磁性材料在外磁场作用下的磁性弱于铁磁性材料，但其导电性能较铁磁性材料强，亚铁磁性材料有铁氧体等。表3-9列出了一些材料的磁化特性。 表3-9 典型材料的磁性能 浅谈电磁场屏蔽 【摘要】阐述了三种电磁场屏蔽的屏蔽原理，在屏蔽材料的选取、屏蔽效果、应用范围等方面对三者进行了比较。 【关键词】电磁场屏蔽；屏蔽原理；屏蔽材料；屏蔽效果 0引言 随着电子技术的发展，越来越多的电子电气设备进入人们的生活，电磁污染日益严重。另一方面，由于电子电气设备小型化的要求，极易受外界电磁干扰而使其产生误动作，从而带来严重后果。因此人们越来越重视电子产品的电磁兼容性（EMC），电磁场的屏蔽就是电磁兼容技术的主要措施之一。 根据条件的不同，电磁场的屏蔽一般可以分为三类：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场的屏蔽。三种屏蔽的共同点是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中去。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽材料的要求也就不一样。 1静电屏蔽 静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入到某个区域。实际上对于变化很慢的交流电而言，它周围的电场几乎和静电场一样，只是电荷的分布周期性地变化而已。因此防止低频交流电的电场，也可以归结为静电屏蔽一类。静电屏蔽对导体壳的厚度和电导率无特别要求，但对于低频交流电场，屏蔽壳要选电导率高一点的材料。 图1空腔导体屏蔽外电场 静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。空腔导体内无电荷，在外电场中处于静电平衡时，其内部的场强总等于零（图1），因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷，外表面会产生等量同号的感应电荷（图2），此时感应电荷的电场将对外界产生影响。这时空腔导体只能屏蔽外电场，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地（图3）。此时外界无法影响壳内空间，内部带电体对外界的影响也随之消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。 实际使用中一般均采用接地的屏蔽方法，且金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果。例如高压电力设备安装接地金属网，电子仪器的整体及某些部分使用接地金属外壳等。 ２静磁屏蔽 图4 静磁屏蔽的目的是屏蔽外界静磁场和低频电流的磁场，这时必须用磁性介质作外壳。如图4，用磁导率为的铁磁材料制成屏蔽壳，壳与空腔则可看作两个并联的磁阻。由于，空腔磁阻远大于屏蔽壳磁阻，所以外界的磁感线绝大部分穿过屏蔽壳而不进入空腔。要想获得更好的屏蔽效果，可使用较厚的屏蔽壳或采用多重屏蔽壳。因此效果良好的铁磁屏蔽壳一般都比较笨重。在重量和体积受到限制的情况下，常常采用磁导率高达数万的坡莫合金来做屏蔽壳，壳的各个部分要尽量结合紧密，使磁路畅通。磁屏蔽不同于电屏蔽，壳体是否接地不会影响屏蔽效果，但是要求金属材料磁导率要高。 ANSYS 电力设备低频电磁场仿真分析解决方案 目录 一、电力设备仿真分析（CAE）的必要性 (3) 二、ANSYS低频电磁场仿真分析论证 (3) 2.1 ANSYS Emag软件简介 (3) 2.2 ANSYS Emag在电力系统中的应用 (4) 2.2.1 电场分析 (4) 2.2.2 磁场分析 (5) 2.2.3 耦合场分析 (5) 2.3 ANSYS Emag应用案例 (6) 2.3.1 电场分析 (6) 2.3.1.1 电场分析应用案例——屏蔽电极电场结构优化设计 (6) 2.3.1.2 电场分析应用案例——电流互感器远场边界计算 (7) 2.3.2 磁场分析 (8) 2.3.2.1 磁场分析应用案例——空心电流互感器磁场分析 (8) 2.3.2.2 磁场分析应用案例——电流互感器输出特性计算 (9) 2.3.3 电磁场-热耦合分析 (10) 一、电力设备仿真分析（CAE）的必要性 随着超高压特高压电网的相继投运，电力系统的安全性以及电网的稳定性成为电网运行中关键因素之一。更高的电压等级、更严格的运行指标对大容量、高性能输配电设备提出了更高的要求。当前，计算机辅助设计（CAD）技术早已在电力设备制造中成熟运用，然而，对产品性能进行前期计算机仿真分析（CAE）技术还未能广泛应用。 随着电压等级以及性能要求的提高，样品试验的试验成本、试验耗时以及试验困难度（如大电流、高电压）等传统的产品性能验证方式都对设计成功率要求更高，传统的反复试验指导设计的方式已经不可行，因此，计算机辅助分析（CAE）的重要性达到了空前的高度，计算机硬件以及软件技术的飞速发展也使得CAE 成功应用于大规模工程问题成为现实。 电力设备的主要特性可分为电气、机械、温升以及化学等特性，这些特性相互作用，是一个集电、磁、结构、热、流体等于一体的综合的复杂的过程。ANSYS 公司开发提供的系列仿真分析软件包含电磁、结构、热以及流体的仿真分析模块，可以很好的应用于电力设备的各方面性能仿真分析；其优越的多物理场耦合功能能够分析电力设备的整体综合性能；其优化功能能够为电力设备小型化、性能优化提供最优方案。 二、ANSYS低频电磁场仿真分析论证 2.1 ANSYSEmag软件简介 ANSYS Emag是ANSYS产品家族中专用的低频电磁场仿真分析模块，秉承了ANSYS家族产品的整体优势，历经超过25年的开发与应用，成为ANSYS家族产品中不可或缺的一员。 ANSYS Emag提供了完备的低频电磁场分析功能，包括静态电场、静态磁场、直流传导场、低频电场（时谐和瞬态）、以及低频磁场（时谐和瞬态）分析功能，覆盖了几乎所有工程低频电磁问题的分析类型；ANSYS Emag提供的场路耦合功能能够方便直观的将电路模型与电磁场有限元模型直接相连，进行更精确、更系 Thalez Group 电磁屏蔽技术基础知识 目录 1.电磁屏蔽的目的 2.区分不同的电磁波 3.度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能 4.屏蔽材料的屏蔽效能估算 5.影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素 6.实用屏蔽体设计的关键 7.孔洞电磁泄漏的估算 8.减少缝隙电磁泄漏的措施 9.电磁密封衬垫的原理 10.电磁密封衬垫的选用 11.常用电磁密封衬垫的比较 12.电磁密封衬垫使用的注意事项 13.电磁密封衬垫的电化学腐蚀问题 14.与衬垫性能相关的其它环境问题 15.截止波导管的概念与应用 16.截止波导管的注意事项与设计步骤 17.面板上的显示器件的处理 18.面板上的操作器件的处理 19.通风口的处理 20.线路板的局部屏蔽 21.屏蔽胶带的作用和使用方法 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。 一.电磁屏蔽的目的 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ZW 定义为： 电磁波中的电场分量E与磁场分量H的比值: ZW = E / H 电磁波的波阻抗与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。 二. 区分不同的电磁波 低频磁场的屏蔽 对于许多人而言，低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。例如，由于炼钢的感应炉中有数万安培的电流，会在周围产生很强的磁场，这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵，最常见的磁敏感设备是彩色CRT显示器。在磁场的作用下，显示器屏幕上的图象会发生抖动、图象颜色会失真，导致显示质量严重降低，甚至无法使用。低频磁场往往随距离的衰减很快，因此在很多场合，将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的十分有效的措施。但当空间的限制而无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效的措施。但要注意的是，低频磁场屏蔽与与射频屏蔽是完全不同的，射频屏蔽可以用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料，但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场。 1.基本原理 根据电磁屏蔽的基本原理，低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能。对这种低频磁场，要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来实现屏蔽，如图1所示。由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干扰。 图1 高导磁率材料提供了磁旁路，起到屏蔽作用 从这个机理上看，显然屏蔽体分流的磁场分量越多，则屏蔽效能越高。根据这个原理，我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联的电阻 分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻，用电路分析的方法来计算磁场的分流，由此可以计算屏蔽效果。 计算屏蔽效果 H i = H 0 Rs / （ Rs + R 0） 式中： H i = 屏蔽体内的磁场强度 H 0 = 屏蔽体外的磁场强度 Rs = 屏蔽体的磁阻 R 0 = 空气的磁阻 磁阻的计算公式 磁阻 = S / （μ A ） 式中： S = 磁路长度 μ = m 0 m r μ r = 屏蔽材料的相对磁导率 A = 磁通流过的面积 因此圆形管子的磁阻为 Rs = p b /（ μ 0 μ r 2t L ） 为了简单，设截面为正方形， 管子内空气的磁阻为： 屏蔽效能为： R 0 = 2 b /（ μ 0 2b L ） SE = H 0 / H i 对于高导磁率屏蔽材料，Rs < < R 0 ，因此，屏蔽效能为： SE = R 0 / Rs = 2 m r t / p b 从公式中可以看出，屏蔽材料的导磁率越高、越厚，则屏蔽效能越高。另外，b 越小，屏蔽效能越高，这意味着，屏蔽体距离所保护的空间越近，则效果越好。 2.基本概念 磁场强度 ( H )： 单位是奥斯特，与磁场源的强度和距离有关 磁通密度 ( B )： 单位是高斯，度量穿过每平方厘米的磁力线数量，与源的方向有关 磁导率 ( μ )： 表征材料为磁力线提供通路的能力， μ = B / H 饱和强度 ： 在饱和强度下，材料不能再通过多余的磁力线 磁阻 ( R )： 表征材料对通过磁通的阻碍特性，定义为：R = L / μ A ，L 是磁通路径长度（cm ），A 截面面积（cm 2） 3.屏蔽材料 低频电磁波的屏蔽一、前言 凡是有电源的地方、有用电设备的地方、几百米内有高压电线的地方、几十米内有地下电缆的地方，甚至只有金属管道和金属梁架的地方，都可能有高达数十以至数百毫高斯的低频电磁干扰。低频电磁干扰的强度变化常常无规律可循，短时间内就会有相当大的上下波动；低频电磁干扰的来源往往难以确定，这样就更增加了屏蔽设计的难度。 二、低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较 1、低频电磁场 根据电磁波传输的基本原理，在频率很低的时候良导体中的电磁波只存在于导体表面有“趋肤效应”(波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，这一效应就是趋肤效应)。 高频电路中，传导电流集中到导线表面附近的现象也有这样的问题又称“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种“趋肤效应”使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。)、磁滞损耗(放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。)以及反射损耗(反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化)都很小，低频电磁波的能量基本由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量(电磁屏蔽的 磁屏蔽解决方法 GMR传感器作为一种灵敏度非常高的磁性传感器，可以预见未来的广泛应用。但用户极其关心的一个问题是抗磁干扰问题。为解决此问题有多种方案，但最主要的是磁屏蔽，以下是关于磁屏蔽的相关论述。（资料主要来源：The MuShield Company,Inc. 仅供参考，不负相关责任。） 如果你要设计自己的磁屏蔽系统，你会发现以下的信息是很有用的。 磁屏蔽目的：通常是保护电子线路免于受到诸如永磁体、变压器、电机、线圈、电缆等产生磁场的干扰，当然屏蔽强的磁干扰源使它免于干扰附近的元器件功能也是一个重要的应用目的。 磁屏蔽材料参数及材料划分：磁屏蔽体由磁性材料制成，衡量材料导磁能力的参数是磁导率，通常以数字来表示相对大小。真空磁导率为1，屏蔽材料的磁导率从200到350000；磁屏蔽材料的另一个重要参数是饱和磁化强度。磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、中导磁材料和高饱和材料。 高饱和磁导率材料的磁导率在80000-350000之间，经热处理后其饱和场可达7500Gs；中磁导率材料通常和高导材料一起使用，其磁导率值从 12500-150000，饱和场15500Gs；高饱和场的磁导率值为200-50000，饱和场可达18000-21000Gs。 以下是一些常用量的定义： Gs：磁通密度的单位，相当于每平方厘米面积上有一条磁力线通过。 磁通量：由磁场产生的所有磁力线的总和。 饱和磁场：即材料磁感应强度渐趋于一恒定值时对应的磁场。 B：屏蔽体中的磁通密度，单位Gs。 d：屏蔽体直径（注：当屏蔽体为矩形时指最长边的尺寸）。 Ho：外场强度，单位Oe。 μ：材料磁导率。 A：衰减量（相对值）。 t：屏蔽体厚度。 磁场强度：屏蔽体中磁场强度估算用下面公式： B=2.5dHo/2t（Gs） 如用厚度为0.060″的材料制成直径为1.5″的屏蔽体，在80Gs的磁场中其内部磁场为2500Gs。 屏蔽体厚度：用以下公式估算： t=Ad/μ（英寸） 如用磁导率为80000的材料制成直径为1.5″的屏蔽体，当要求实现1000/1 低频电磁波的屏蔽 一、前言 凡是有电源的地方、有用电设备的地方、几百米内有高压电线的地方、几十米内有地下电缆的地方，甚至只有金属管道和金属梁架的地方，都可能有高达数十以至数百毫高斯的低频电磁干扰。低频电磁干扰的强度变化常常无规律可循，短时间内就会有相当大的上下波动；低频电磁干扰的来源往往难以确定，这样就更增加了屏蔽设计的难度。 二、低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较 1、低频电磁场 根据电磁波传输的基本原理，在频率很低的时候良导体中的电磁波只存在于导体表面有“趋肤效应”(波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，这一效应就是趋肤效应)。 高频电路中，传导电流集中到导线表面附近的现象也有这样的问题又称“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种“趋肤效应”使导体的有效电阻 增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。)、磁滞损耗(放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。)以及反射损耗(反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化)都很小，低频电磁波的能量基本由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量(电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素;用钢制机柜进行屏蔽时，由于能为所有连接面提供一条由一个面至另一个面的高导电路径，所以电流仍保持在机箱外侧。这种导电路径是用特殊的衬垫和在连接表面进行导电涂敷而建立的，导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低，它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系。对于较低频率或较长波长来说，如果只有一个小孔则不会明显降低屏蔽效能；对于高频或较短波长来说，屏蔽效能的下降将是很剧烈的。 例如，屏蔽体上如果有一个直径为15mm的孔洞，对于10MHz信号（波长为30m）来说，将仍然能提供60dB屏蔽效能，但对于1GHz信号（波长为30mm）来说，若要保持同样的屏蔽效能，则孔径不能超过0.15mm。直径为15mm的孔对于1GHz信号只能提供20dB衰减。 磁屏蔽解决方法GMR传感器作为一种灵敏度非常高的磁性传感器，可以预见未来的广泛应用。但用户极其关心的一个问题是 抗磁干扰问题。为解决此问题有多种方案，但最主要的是磁屏蔽，以下是关于磁屏蔽的相关论述。（资料主要来源：）仅供参考，不负相关责任。The MuShield Company,Inc. 如果你要设计自己的磁屏蔽系统，你会发现以下的信息是很有用的。 磁屏蔽目的：通常是保护电子线路免于受到诸如永磁体、变压器、电机、线圈、电缆等产生磁场的 干扰，当然屏蔽强的磁干扰源使它免于干扰附近的元器件功能也是一个重要的应用目的。 磁屏蔽材料参数及材料划分：磁屏蔽体由磁性材料制成，衡量材料导磁能力的参数是磁导率，通常 以数字来表示相对大小。真空磁导率为1，屏蔽材料的磁导率从200到350000；磁屏蔽材料的另一个重要 参数是饱和磁化强度。磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、中导磁材料和高饱和材料。 高饱和磁导率材料的磁导率在80000-350000之间，经热处理后其饱和场可达7500Gs；中磁导率材料通常和高导材料一起使用，其磁导率值从12500-150000，饱和场15500Gs；高饱和场的磁导率值为200-50000，饱和 18000-21000Gs。场可达以下是一些常用量的定义：：磁通密度的单位，相当于每平方厘米面积上有一条磁力线通过。Gs磁通量：由磁场产生的所有磁力线的总和。饱和磁场：即材料磁感应强度渐趋于一恒定值时对应的磁场。。：屏蔽体中的磁通密度，单位GsB。：屏蔽体直径（注：当屏蔽体为矩形时指最长边的尺寸）d。OeHo：外场强度，单位μ：材料磁导率。． 。A：衰减量（相对值）：屏蔽体厚度。t磁场强度：屏蔽体中磁场强度估算用下面公式：Gs）B=2.5dHo/2t （。2500Gs″的屏蔽体，在80Gs的磁场中其内部磁场为1.5如用厚度为0.060″的材料制成直径为屏蔽体厚度：用以下公式估算： μ（英寸）t=Ad/的衰减量时，屏蔽体的厚度为″的屏蔽体，当要求实现1000/180000如用磁导率为的材料制成直径为1.5″×1.5/80000=0.019t=1000厚度设计还应综合考虑性价比的因素，一般屏蔽材料 的磁导率应不低于80000，否则就要增加厚度以达到同样的屏蔽效果，则会导致费用的增加。当场强很强时，厚度的选取应使材料工作于磁导率最大的场强下。如当材料的磁导率在场强为2300-2500Gs时磁导率最大，则所需厚度为t=1.25dHo/B（英寸）″。0.060″的屏蔽体置于80Gs的磁场中，所需的厚度是如直径1.5″，长度6磁场衰减率：用下式估算：t/d μA=。时，其衰减率为14000用此式对上面的数据计算可得到，当材料磁导率为350000磁通密度：被屏蔽空间内磁通密度为）GsB=Ho/A （0.0057Gs。同样利用以上数据，则被屏蔽空间的磁场为更多的设计要点：开始设计前要正确估算 干扰场的大小和频率，其次，正确评价能承受的干扰场的大小。*″的间隙。1/2用以屏蔽很强的磁场时，可采用多层屏蔽的结构。如果可能，两层屏蔽体间保留* *在屏蔽如真空泵产生的强磁场时，要采用多层屏蔽结构。其中内层用低磁导率材料，中间层用中磁导率材料，外层用高磁导率材料。*用单层结构屏蔽如CRTs等及其敏感的设备时，应在离设备5″处形成一个完 整的屏蔽体；当型号很大时，只需对关键部分如磁轭等部位进行屏蔽即可。*对于极低场的要求，通常采用3层屏蔽的方式，其中外层屏蔽用高磁导率材料，在内外屏蔽层间是Cu层。层还可以屏蔽静磁场的干扰。层上通以强的交流电流可对内屏蔽层消磁，同时CuCu在*对于磁屏蔽结构，在材料厚度允许的时候可采用搭接点焊，交接尺寸至少3/8″。在直径发生变化或结构拐角的地方，应采用氦弧焊。使用片状材料的要点：在屏蔽小元件时，刚性结构加工应用都不方便，这时片状材料是一个很好的选择，但要注 意以下事项：*为减少磁散射发生，结构中应避免出现尖锐的拐角；如果结构上需要开孔或缝，则应力求 其边角采用圆弧形式。*当屏蔽圆柱形物体时，每一层的搭接尺寸不少于3/4″，而且第一层的接口位于180°的位置，则下一层的°的位置，如此等等。90°的位置，再下一层又位于180接口位于倍于薄片厚度的空间。3-4*为了提高屏蔽效果，每两层屏蔽间保留*因为薄片材料具有极高的磁导率，因此使用中应 低频磁场屏蔽基础 基本原理 当磁场的频率很低（工频或100KHz以下）时，传统的屏蔽方法几乎没有作用。低频磁场一般由马达、发电机、变压器等设备产生。这些磁场会对利用磁场工作的设备产生影响，如阴极射线管中的电子束是在磁场的控制下进行扫描的，当有外界磁场干扰时，电子束的偏转会发生变化，使图像失真。 低频磁场的屏蔽是使用铁磁性材料将敏感器件包起来。屏蔽的作用是为磁场提供一条低磁阻的通路，使敏感器件周围的磁力线集中在屏蔽材料中，从而起到屏蔽的作用。 设计中的一个关键是选择一种材料既能提供足够的屏蔽效能，又不至于发生饱和。当要屏蔽的磁场很强时，一层屏蔽可能满足不了要求，这时可以采用多层屏蔽。多层屏蔽的原理是先用导磁率较低，不易饱和的材料将磁场衰减到一定的程度，然后再用磁导率很高(通常容易发生饱和)的材料进行进一步衰减。因此低导磁率的材料应靠近干扰源。 完全的封闭体能够提供最理想的磁屏蔽效果。但在实践中，不封闭的结构，如五面体或更少面的结构，甚至平板也能提供满足要求的屏蔽效能。当使用平板时，应使平板体的长度和宽度大于干扰源到敏感源之间的距离。由于材料的磁阻与屏蔽结构的尺寸有关，因此除了选用合适的材料以外，尽量缩短磁路的长度、增加截面积也能增加磁屏蔽效能。 磁屏蔽材料特性 CO—NETIC和NETIC材料是两种特殊的磁屏蔽材料。CO-NETIC材料具有极高的导磁率，可以有效衰减低频磁场干扰，达到极高磁场屏蔽，NETIC材料有极好的抗磁饱和能力，能在强磁场产生一定衰减。 ●Stress Annealed(压力退火处理)的材料在加工完毕后，为了获得最佳的屏蔽效能，要再进行退火处理。 ●Perfection Annealed(完全退火处理)的材料只要在加工过程中没有激烈的成型和拉伸，加工完毕后不需要再退火。 ●尺寸：压力退火处理的材料：1524mm，762mm，381mm。 完全退火处理的材料：737mm，356mm。 产品规格 板材 CO-NETIC AA 合金 CO-NETIC AA 合金 完全退火处理（Perfection Annealed Sheet）* CO-NETIC B 合金 压力退火处理板（Stress Annealed Sheet）* 浅谈电磁场的屏蔽及其应用 屏蔽就是对感应源和受感器两者之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由感应源对受感器的感应和辐射。具体地说，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽，本文主要就电磁屏蔽及其应用作一阐述。电磁场屏蔽是利用屏蔽体削弱电磁波在空间的传播，电磁场屏蔽的原理是，（1）当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，对入射波产生的反射，由于交界面上的不连续；（2）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，也就是通过材料对电磁波的吸收而产生损耗；（3）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，又会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内，进一步产生损耗，这种反射在两个金属的交界面之间可能进行多次，通过多次反射、吸收和衰减最终达到屏蔽的目的。 一．电磁场屏蔽的概念及其原理 电磁场的屏蔽即电磁屏蔽，它是利用屏蔽体阻止电磁场在空间的传播。当同时存在的交变电场和交变磁场频率提高时，电场和磁场辐射的能力就会增强，就会又辐射出同频率的电磁场。由于电场分量和磁场分量同时出现且相互垂直，所以对电磁场进行屏蔽效果的好坏关键就取决于对电场和磁场同时屏蔽效果的好坏。 金属板内的电磁波反射、吸收过程，并不是只进行一次就完结了。而是在金属板的两个界面之间往复多次直到消耗尽。在金属板足够厚的情况下，第二次传入右边空间的场强与第一次的传入的场强相比小的很多，可忽略不记。而第三次传入的右边空间的场强就更可忽略了。在工程设计中，要求板的厚度应足以对电磁场的衰减在10db以上。 电磁屏蔽的效果就是从其它的角度分析，也会得到同样的结果。如图所示，一块接地良好的金属板，在它左侧有干扰源存在并辐射电磁波，其电场分量为E0，磁场分量为H0；在它右侧有受感器。 当用此来屏蔽电场分量时，金属屏蔽板必须良好接地。如果金属板接地不良，干扰源对受感器电场的感应所引发的干扰就可大大地增强。接地越好干扰就越小。 当用此来对磁场分量进行屏蔽时，主要是靠在屏蔽板内的感生电流所产生的磁场与干扰磁场方向相反，而削弱了干扰磁场达到屏蔽结果的。由此可见金属屏蔽板的导电性能越好，金属板越厚，屏蔽效 电磁屏蔽技术和电磁场屏蔽分析-电场屏蔽-磁场屏蔽 电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一.大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决.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. 1 选择屏蔽材料 屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量.屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强E1与有屏蔽时该位置的场强E2的比值,它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度.用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强 度衰减到原来的百分之一至百万分之一,因此通常用分贝来表述屏蔽效能,这时屏蔽效能的定义公式为: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) (dB) 用这个定义式只能测试屏蔽材料的屏蔽效能,而无法确定应该使用什么材料做屏蔽体.要确定使用什么材料制造屏蔽体,需要知道材料的屏蔽效能与材料的什么特性参数有关.工程中实用的表征材料屏蔽效能的公式为: SE = A + R (dB) 式中的A称为屏蔽材料的吸收损耗,是电磁波在屏蔽材料中传播时发生的,计算公式为: A=3.34t(fμrσr) (dB) t = 材料的厚度,μr = 材料的磁导率,σr = 材料的电导率,对于特定的材料,这些都是已知的.f = 被屏蔽电磁波的频率. 式中的R称为屏蔽材料的反射损耗,是当电磁波入射到不同媒质的分界面时发生的,计算公式为: R=20lg(ZW/ZS) (dB) 式中,Zw=电磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗. 电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值:Zw = E / H.在距离辐射源较近(<λ/2π,称为近场区)时,波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等.若辐射源为大电流、低电压(辐射源电路的阻抗较低),则产生的电磁波的波阻抗小于377,称为低阻抗波,或磁场波.若辐射源为高电压,小 电流(辐射源电路的阻抗较高),则波阻抗大于377,称为高阻抗波或电场波.关于近场区内波阻抗的具体计算公式本文不予论述,以免冲淡主题,感兴趣的读者可以参考有关电磁场方面的参考书.当距离辐射源较远 (>λ/2π,称为远场区)时,波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. 屏蔽材料的阻抗计算方法为: |Z S|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω) 龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/ff9839546.html, 浅谈电磁场屏蔽 作者：窦超 来源：《科技视界》2012年第15期 【摘要】阐述了三种电磁场屏蔽的屏蔽原理，在屏蔽材料的选取、屏蔽效果、应用范围等方面对三者进行了比较。 【关键词】电磁场屏蔽；屏蔽原理；屏蔽材料；屏蔽效果 0引言 随着电子技术的发展，越来越多的电子电气设备进入人们的生活，电磁污染日益严重。另一方面，由于电子电气设备小型化的要求，极易受外界电磁干扰而使其产生误动作，从而带来严重后果。因此人们越来越重视电子产品的电磁兼容性（EMC），电磁场的屏蔽就是电磁兼 容技术的主要措施之一。 根据条件的不同，电磁场的屏蔽一般可以分为三类：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场的屏蔽。三种屏蔽的共同点是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中去。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽材料的要求也就不一样。 1静电屏蔽 静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入到某个区域。实际上对于变化很慢的交流电而言，它周围的电场几乎和静电场一样，只是电荷的分布周期性地变化而已。因此防止低频交流电的电场，也可以归结为静电屏蔽一类。静电屏蔽对导体壳的厚度和电导率无特别要求，但对于低频交流电场，屏蔽壳要选电导率高一点的材料。 图1空腔导体屏蔽外电场 静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。空腔导体内无电荷，在外电场中处于静电平衡时，其内部的场强总等于零（图1），因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷，外表面会产生等量同号的感应电荷（图2），此时感应电荷的电场将对外界产生影响。这时空腔导体只能屏蔽外电场，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地（图3）。此时外界无法影响壳内空间，内部带电体对外界的影响也随之消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。 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 在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic Interference）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下，其重要性就显得更为突出。 屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。 屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来衡量，屏蔽效 能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强1（1）和加入屏 蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强2（2）之比，用dB（分贝）表示。 图1 屏蔽效能定义示意图 屏蔽效能表达式为(dB) 或（dB） 工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成(图2)。因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。 图2 两类基本源在空间所产生的叠加场 远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r（场点至源点的距离）的变化而确定的， 为远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 表1 两类源的场与传播特性 波阻抗为空间某点电场强度与磁场强度之比，场源不同、远近场不同，则波阻抗 也有所不同，表2与图3分别用图表给出了的波阻抗特性。 关于电磁场的屏蔽问题，如何屏蔽 电磁场的屏蔽问题，是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题。根据条件的不同，电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况，这三种情况既具有质的区别，又具有内在的联系，不能混淆。 静电屏蔽在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，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。 （一）封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响。 如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，根据场强迭加原理，任何点电荷都要按点电荷场强公式E=（Q/r2）r0在空间任何点激发电场。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（图2），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（图3）。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。 （二）接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。 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（图4），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（图5）。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。这与第一种情况不磁场的屏蔽问题.
低频磁场屏蔽的原理及屏蔽物的结构要点
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低频电磁波的屏蔽
磁屏蔽解决方法
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