電磁屏蔽技術(shù)和電磁場(chǎng)屏蔽分析

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  電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一.大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決.用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的zui大好處是不會(huì)影響電路的正常工作,因此不需要對(duì)電路做任何修改. 

  1 選擇屏蔽材料
      屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時(shí)空間某個(gè)位置的場(chǎng)強(qiáng)E1與有屏蔽時(shí)該位置的場(chǎng)強(qiáng)E2的比值,它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強(qiáng)度衰減到原來的百分之一至百萬分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時(shí)屏蔽效能的定義公式為:
    SE = 20 lg ( E1/ E2 )   (dB)
    用這個(gè)定義式只能測(cè)試屏蔽材料的屏蔽效能,而無法確定應(yīng)該使用什么材料做屏蔽體.要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數(shù)有關(guān).工程中實(shí)用的表征材料屏蔽效能的公式為: 
    SE = A + R         (dB)
    式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)發(fā)生的,計(jì)算公式為:
    A=3.34t(fμrσr)   (dB)
    t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導(dǎo)率,σr  = 材料的電導(dǎo)率,對(duì)于特定的材料,這些都是已知的.f = 被屏蔽電磁波的頻率.
    式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)發(fā)生的,計(jì)算公式為:
    R=20lg(ZW/ZS)    (dB)
    式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗.
      電磁波的波阻抗定義為電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量的比值:Zw = E  / H.在距離輻射源較近(<λ/2π,稱為近場(chǎng)區(qū))時(shí),波阻抗的值取決于輻射源的性質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)到源的距離、介質(zhì)特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場(chǎng)波.若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場(chǎng)波.關(guān)于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)波阻抗的具體計(jì)算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關(guān)電磁場(chǎng)方面的參考書.當(dāng)距離輻射源較遠(yuǎn)(>λ/2π,稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū))時(shí),波波阻抗僅與電場(chǎng)波傳播介質(zhì)有關(guān),其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗,空氣為377Ω.
    屏蔽材料的阻抗計(jì)算方法為:
    |ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)
    f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對(duì)磁導(dǎo)率,σr=相對(duì)電導(dǎo)率
    從上面幾個(gè)公式,就可以計(jì)算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設(shè)計(jì),下面給出一些定性的結(jié)論.
    ● 在近場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)屏蔽時(shí),要分別考慮電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波的情況;
    ● 屏蔽電場(chǎng)波時(shí),使用導(dǎo)電性好的材料,屏蔽磁場(chǎng)波時(shí),使用導(dǎo)磁性好的材料;
    ● 同一種屏蔽材料,對(duì)于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對(duì)電場(chǎng)波的屏蔽效能zui高,對(duì)磁場(chǎng)波的屏蔽效能zui低,也就是說,電場(chǎng)波zui容易屏蔽,磁場(chǎng)波zui難屏蔽;
    ● 一般情況下,材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好,屏蔽效能越高;
    ● 屏蔽電場(chǎng)波時(shí),屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場(chǎng)源時(shí),屏蔽體盡量遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源;
    有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場(chǎng)波.這種磁場(chǎng)波一般由大電流輻射源產(chǎn)生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等.對(duì)于這種頻率很低的磁場(chǎng),只能采用高導(dǎo)磁率的材料進(jìn)行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金.

     2 孔洞和縫隙的電磁泄漏與對(duì)策
    一般除了低頻磁場(chǎng)外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實(shí)際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)人員沒有了解電磁屏蔽的關(guān)鍵. 
    首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關(guān)系.這與靜電場(chǎng)的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場(chǎng).而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關(guān),這是必須明確的. 
    電磁屏蔽的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè),一個(gè)是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體.另一點(diǎn)是不能有穿過機(jī)箱的導(dǎo)體.對(duì)于一個(gè)實(shí)際的機(jī)箱,這兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來都非常困難.
    首先,一個(gè)實(shí)用的機(jī)箱上會(huì)有很多孔洞和孔縫:通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分結(jié)合的縫隙等.屏蔽設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是如何妥善處理這些孔縫,同時(shí)不會(huì)影響機(jī)箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).
    其次,機(jī)箱上總是會(huì)有電纜穿出(入),至少會(huì)有一條電源電纜.這些電纜會(huì)極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數(shù)十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計(jì)中的重要內(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).
    當(dāng)電磁波入射到一個(gè)孔洞時(shí),其作用相當(dāng)于一個(gè)偶極天線(圖1),當(dāng)孔洞的長(zhǎng)度達(dá)到λ/2時(shí),其輻射效率zui高(與孔洞的寬度無關(guān)),也就是說,它可以將激勵(lì)孔洞的全部能量輻射出去.
    對(duì)于一個(gè)厚度為0材料上的孔洞,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中,zui壞情況下(造成zui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)計(jì)算公式為:
    SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)]   (dB)
    若 L ≥λ/2,SE =  0                  (dB) 
    式中各量:L = 縫隙的長(zhǎng)度(mm),H =  縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz).
    在近場(chǎng)區(qū),孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關(guān).當(dāng)輻射源是電場(chǎng)源時(shí),孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)小(屏蔽效能高),而當(dāng)輻射源是磁場(chǎng)源時(shí),孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)要大(屏蔽效能低).近場(chǎng)區(qū),孔洞的電磁屏蔽計(jì)算公式為:
    若ZC >(7.9/D•f):
    SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL•f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
    若Zc<(7.9/D•f):
    SE = 20lg [ (D/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 = 孔洞長(zhǎng)、寬(mm),
    f = 電磁波的頻率(MHz)
    說明:
    ● 在第二個(gè)公式中,屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關(guān)系.
    ● 大多數(shù)情況下,電路滿足*個(gè)公式的條件,這時(shí)的屏蔽效能大于第二中條件下的屏蔽效能.
    ● 第二個(gè)條件中,假設(shè)輻射源是純磁場(chǎng)源,因此可以認(rèn)為是一種在zui壞條件下,對(duì)屏蔽效能的保守計(jì)算.
    ● 對(duì)于磁場(chǎng)源,屏蔽效能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(chǎng)輻射源一定要盡量遠(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λ/2)時(shí),造成的屏蔽效能下降為20lgN1/2.在不同面上的孔洞不會(huì)增加泄漏,因?yàn)槠漭椛浞较虿煌?這個(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).
    除了使孔洞的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng),用輻射源盡量遠(yuǎn)離孔洞等方法減小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以減小孔洞的泄漏,這就是截止波導(dǎo)的原理.
    一般情況下,屏蔽機(jī)箱上不同部分的結(jié)合處不可能*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.減小縫隙泄漏的方法有: 
    ● 增加導(dǎo)電接觸點(diǎn)、減小縫隙的寬度,例如使用機(jī)械加工的手段(如用銑床加工接觸表面)來增加接觸面的平整度,增加緊固件(螺釘、鉚釘)的密度;
    ● 加大兩塊金屬板之間的重疊面積;
    ● 使用電磁密封襯墊,電磁密封襯墊是一種彈性的導(dǎo)電材料.如果在縫隙處安裝上連續(xù)的電磁密封襯墊,那么,對(duì)于電磁波而言,就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會(huì)發(fā)生液體泄漏一樣,不會(huì)發(fā)生電磁波的泄漏.
  3 穿過屏蔽體的導(dǎo)體的處理
    造成屏蔽體失效的另一個(gè)主要原因是穿過屏蔽體的導(dǎo)體.在實(shí)際中,很多結(jié)構(gòu)上很嚴(yán)密的屏蔽機(jī)箱(機(jī)柜)就是由于有導(dǎo)體直接穿過屏蔽箱而導(dǎo)致電磁兼容試驗(yàn)失敗,這是缺乏電磁兼容經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師感到困惑的典型問題之一.
    判斷這種問題的方法是將設(shè)備上在試驗(yàn)中沒有必要連接的電纜拔下,如果電磁兼容問題消失,說明電纜是導(dǎo)致問題的因素.解決這個(gè)問題有兩個(gè)方法:
    ● 對(duì)于傳輸頻率較低的信號(hào)的電纜,在電纜的端口處使用低通濾波器,濾除電纜上不必要的高頻頻率成分,減小電纜產(chǎn)生的電磁輻射(因?yàn)楦哳l電流zui容易輻射).這同樣也能防止電纜上感應(yīng)到的環(huán)境噪聲傳進(jìn)設(shè)備內(nèi)的電路.
    ● 對(duì)于傳輸頻率較高的信號(hào)的電纜,低通濾波器可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真,這時(shí)只能采用屏蔽的方法.但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接,這往往是很難的.
    在電纜端口安裝低通濾波器有兩個(gè)方法
    ● 安裝在線路板上,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì),缺點(diǎn)是高頻濾波效果欠佳.顯然,這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)于這種用途的濾波器是十分致命的,因?yàn)?我們使用濾波器的目的就是濾除容易導(dǎo)致輻射的高頻信號(hào),或者空間的高頻電磁波在電纜上感應(yīng)的電流.
    ● 安裝在面板上,這種濾波器直接安裝在屏蔽機(jī)箱的金屬面板上,如饋通濾波器、濾波陣列板、濾波連接器等.由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入、輸出之間*隔離,接地良好,導(dǎo)線上的干擾在機(jī)箱端口上被濾除,因此濾波效果十分理想.缺點(diǎn)是安裝需要一定的結(jié)構(gòu)配合,這必須在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行考慮. 
    由于現(xiàn)代電子設(shè)備的工作頻率越來越高,對(duì)付的電磁干擾頻率也越來越高,因此在面板上安裝干擾濾波器成為一種趨勢(shì).一種使用十分方便、性能十分*的器件就是濾波連接器.濾波連接器的外形與普通連接器的外形*相同,可以直接替換.它的每根插針或孔上有一個(gè)低通濾波器.低通濾波器可以是簡(jiǎn)單的單電容電路,也可以是較復(fù)雜的電路.
    解決電纜上干擾的一個(gè)十分簡(jiǎn)單的方法是在電纜上套一個(gè)鐵氧體磁環(huán),這個(gè)方法雖然往往有效,但是有一些條件.許多人對(duì)鐵氧體寄予了過高期望,只要一遇到電纜輻射的問題,就在電纜上套鐵氧體,往往會(huì)失望.鐵氧體磁環(huán)的效果預(yù)測(cè)公式為: 
    共模輻射改善 =20lg(加磁環(huán)后的共模環(huán)路阻抗/加磁環(huán)前的共模環(huán)路阻抗)
    例如,如果沒加鐵氧體時(shí)的共模環(huán)路阻抗為100Ω,加了鐵氧體以后為1000Ω,則共模輻射改善為20dB.
    說明:有時(shí)套上鐵氧體后,電磁輻射并沒有明顯的改善,這并不一定是鐵氧體沒有起作用,而可能是除了這根電纜以外,還有其他輻射源.
    在電纜上使用鐵氧體磁環(huán)時(shí),要注意下列一些問題:
    ● 磁環(huán)的內(nèi)徑盡量小
    ● 磁環(huán)的壁盡量厚
    ● 磁環(huán)盡量長(zhǎng)
    ● 磁環(huán)盡量安裝在電纜的端頭處