電磁屏蔽技術(shù)電磁波

同一個屏蔽體對于不同性質(zhì)的電磁波，其屏蔽性能不同。因此，在考慮電磁屏蔽性能時，要對電磁波的種類有基本認(rèn)識。電磁波有很多分類的方法，但是在設(shè)計屏蔽時，將電磁波按照其波阻抗分為電場波、磁場波、和平面波。

電磁波的波阻抗ZW 定義為：電磁波中的電場分量E與磁場分量H的比值: ZW = E / H

電磁波的波阻抗電磁波的輻射源性質(zhì)、觀測點到輻射源的距離以及電磁波所處的傳播介質(zhì)有關(guān)。

距離輻射源較近時，波阻抗取決于輻射源特性。若輻射源為大電流、低電壓（輻射源的阻抗較低），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377，稱為磁場波。若輻射源為高電壓、小電流（輻射源的阻抗較高），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗大于377，稱為電場波。

距離輻射源較遠(yuǎn)時，波阻抗僅與電場波傳播介質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗，空氣為377Ω。

電場波的波阻抗隨著傳播距離的增加降低，磁場波的波阻抗隨著傳播距離的增加升高。

注意:近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的分界面隨頻率不同而不同，不是一個定數(shù)，這在分析問題時要注意。例如，在考慮機(jī)箱屏蔽時，機(jī)箱相對于線路板上的高速時鐘信號而言，可能處于遠(yuǎn)場區(qū)，而對于開關(guān)電源較低的工作頻率而言，可能處于近場區(qū)。在近場區(qū)設(shè)計屏蔽時，要分別電場屏蔽和磁場屏蔽。

電磁波是電磁能量傳播的主要方式，高頻電路工作時，會向外輻射電磁波，對鄰近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。另一方面，空間的各種電磁波也會感應(yīng)到電路中，對電路造成干擾。電磁屏蔽的作用是切斷電磁波的傳播途徑，從而消除干擾。在解決電磁干擾問題的諸多手段中，電磁屏蔽是最基本和有效的。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作，因此不需要對電路做任何修改。

屏蔽體的有效性用屏蔽效能（SE）來度量。屏蔽效能的定義如下：

SE=20lg(E1/E2) (dB)

式中：E1 =沒有屏蔽時的場強(qiáng) E2 =有屏蔽時的場強(qiáng)

如果屏蔽效能計算中使用的是磁場強(qiáng)度，則稱為磁場屏蔽效能，如果屏蔽效能計算中使用的是電場強(qiáng)度，則稱為電場屏蔽效能。屏蔽效能的單位是分貝(dB)，下表是衰減量與分貝的對應(yīng)關(guān)系：

一般民用產(chǎn)品機(jī)箱的屏蔽效能在40dB以下，軍用設(shè)備機(jī)箱的屏蔽效能一般要達(dá)到60dB，TEMPEST設(shè)備的屏蔽機(jī)箱屏蔽效能要達(dá)到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達(dá)到100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的，成本也很高。

電磁波在穿過屏蔽體是發(fā)生衰減是因為能量有了損耗，這種損耗可以分成兩個部分：反射損耗和吸收損耗。

反射損耗：當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時，就會發(fā)生反射，使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現(xiàn)象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗，用字母R表示。當(dāng)電磁波穿過一層屏蔽體時要經(jīng)過兩個界面，要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時的反射損耗等于兩個界面上的射損反耗總和。反射損耗的計算公式如下：

R=20lg(ZW/ZS) (dB) 式中: ZW= 入射電磁波的波阻抗 ，ZS=屏蔽材料的特性阻抗

|ZS|=3.68×10-7（fμrσr）1/2式中: f= 入射電磁波的頻率 ，μr=相對磁導(dǎo)率，σr=相對電導(dǎo)率

吸收損耗：電磁波在屏蔽材料中傳播時，會有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電磁能量損失，損失的這部分能量成為屏蔽材料的吸收損耗，用字母A表示，計算公式如下：

A=3.34t（fμrσr）1/2 (dB)

多次反射修正因子:電磁波在屏蔽體的第二個界面（穿出屏蔽體的界面）發(fā)生反射后，會再次傳輸?shù)降谝粋€界面，在第一個界面發(fā)射再次反射，而再次到達(dá)第二個界面，在這個界面會有一部分能量穿透界面，泄漏到空間。這部分是額外泄漏的。應(yīng)該考慮進(jìn)屏蔽效能的計算。這就是多次反射修正因子，用字母B表示，大部分場合，B都可以忽略。

SE = R A B

從上面給出的屏蔽效能計算公式可以得出一些對工程有實際指導(dǎo)意義的結(jié)論，根據(jù)這些結(jié)論，我們可以決定使用什么屏蔽材料，注意什么問題。下面給出的結(jié)論，初步一看，會感到雜亂無章，無從應(yīng)用，但是結(jié)合上面第3和第4條仔細(xì)分析后，會發(fā)現(xiàn)這些結(jié)論都有著內(nèi)在聯(lián)系。深入理解下面的結(jié)論對于結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的。

1）材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好，屏蔽效能越高，但實際的金屬材料不可能兼顧這兩個方面，例如銅的導(dǎo)電性很好，但是導(dǎo)磁性很差；鐵的導(dǎo)磁性很好，但是導(dǎo)電性較差。應(yīng)該使用什么材料，根據(jù)具體屏蔽主要依賴反射損耗、還是吸收損耗來決定是側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性；

2）頻率較低的時候，吸收損耗很小，反射損耗是屏蔽效能的主要機(jī)理，要盡量提高反射損耗；

3）反射損耗與輻射源的特性有關(guān)，對于電場輻射源，反射損耗很大；對于磁場輻射源，反射損耗很小。因此，對于磁場輻射源的屏蔽主要依靠材料的吸收損耗，應(yīng)該選用磁導(dǎo)率較高的材料做屏蔽材料。

4）反射損耗與屏蔽體到輻射源的距離有關(guān)，對于電場輻射源，距離越近，則反射損耗越大；對于磁場輻射源，距離越近，則反射損耗越??；正確判斷輻射源的性質(zhì)，決定它應(yīng)該靠近屏蔽體，還是遠(yuǎn)離屏蔽體，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。

5）頻率較高時，吸收損耗是主要的屏蔽機(jī)理，這時與輻射源是電場輻射源還是磁場輻射源關(guān)系不大。

6）電場波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁場波是最難屏蔽的。尤其是（1KHz以下）低頻磁場，很難屏蔽。對于低頻磁場，要采用高導(dǎo)磁性材料，甚至采用高導(dǎo)電性材料和高導(dǎo)磁性材料復(fù)合起來的材料。

一般除了低頻磁場外，大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實際工作中，要達(dá)到80dB以上的屏蔽效能也是十分困難的。這是因為，屏蔽體的屏蔽效能不僅取決于屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽體要滿足電磁屏蔽的基本原則。電磁屏蔽的基本原則有兩個：

1）屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性：這指的是整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。這一點在實現(xiàn)起來十分困難。因為一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何使用價值的。一個實用的機(jī)箱上會有很多孔縫造成屏蔽：通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分的結(jié)合縫隙等。由于這些導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素存在，如果設(shè)計人員在設(shè)計時沒有考慮如何處理，屏蔽體的屏蔽效能往往很低，甚至沒有屏蔽效能。

2）不能有直接穿過屏蔽體的導(dǎo)體：一個屏蔽效能再高的屏蔽機(jī)箱，一旦有導(dǎo)線直接穿過屏蔽機(jī)箱，其屏蔽效能會損失99.9%（60dB）以上。但是，實際機(jī)箱上總會有電纜穿出（入），至少會有一條電源電纜存在，如果沒有對這些電纜進(jìn)行妥善的處理（屏蔽或濾波），這些電纜會極大的損壞屏蔽體。妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計的重要內(nèi)容之一。（穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時比孔縫的危害更大）

電磁屏蔽體與接地?zé)o關(guān)：對于靜電場屏蔽，屏蔽體是必須接地的。但是對于電磁屏蔽，屏蔽體的屏蔽效能卻與屏蔽體接地與否無關(guān)，這是設(shè)計人員必須明確的。在很多場合，將屏蔽體接地確實改變了電磁狀態(tài)，但這是由于其它一些原因，而不是由于接地導(dǎo)致屏蔽體的屏蔽效能發(fā)生改變。

如前所述，屏蔽體上的孔洞是造成屏蔽體泄漏的主要因素之一孔洞產(chǎn)生的電磁泄漏并不是一個固定的數(shù)，而是與電磁波的頻率、種類、輻射源與孔洞的距離等因素有關(guān)孔洞對電磁波的衰減可以用下面公式進(jìn)行計算這里假設(shè)孔洞深度為0

在遠(yuǎn)場區(qū)：SE=100-20lgL-20lgf 20lg(1 2.3lg(L/H))

若L≥λ/2，則SE=0 dB ，這時，孔洞是完全泄漏的

式中： L=縫隙的長度（mm），H=縫隙的寬度（mm），f=入射電磁波的頻率（MHz）

這個公式是在遠(yuǎn)場區(qū)中，最壞的情況下（造成最大泄漏的極化方向）的屏蔽效能（實際情況下屏蔽效能可能會更大一些）

在近場區(qū)：

若輻射源是電場輻射源 SE=48 20lgZC-20lgLf 20lg(1 2.3lg(L/H))

若輻射源是磁場輻射源 SE=20lg（πD/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=孔洞的長、寬（mm），f=電磁波的頻率（MHz）

注意：

1)近場區(qū),孔洞的泄漏與輻射源的特性有關(guān)當(dāng)輻射源是電場源時，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場?。ㄆ帘涡芨撸?，當(dāng)輻射源是磁場源時，孔洞的泄漏遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場大（屏蔽效能低）

2）對于近場，磁場輻射源的場合，屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關(guān)系，因此，千萬不要認(rèn)為輻射源的頻率較低（許多磁場輻射源的頻率都較低），而掉以輕心

3）這里對磁場輻射源的假設(shè)是純磁場源，因此可以認(rèn)為是一種在最壞條件下，對屏蔽效能的保守計算

對于磁場源，屏蔽與孔洞到輻射源的距離有關(guān)，距離越近，則泄漏越大這點在設(shè)計時一定要注意，磁場輻射源一定要遠(yuǎn)離孔洞

多個孔洞的情況：當(dāng)N個尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距離小于1/2）時，造成的屏蔽效能下降為10lgN在不同面上的孔洞不會增加泄漏，因為其輻射方向不同，這個特點可以在設(shè)計中用來避免某一個面的輻射過強(qiáng)

一般情況下，屏蔽機(jī)箱上的不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸，只能在某些點接觸上，這構(gòu)成了一個孔洞陣列?？p隙是造成屏蔽機(jī)箱屏蔽效能降級的主要原因之一。在實際工程中，常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能?？p隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高。

縫隙處的阻抗：

縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效，因為接觸上的點相當(dāng)一個電阻，沒有接觸的點相當(dāng)于一個電容，整個縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)。低頻時，電阻分量起主要作用；高頻時，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能優(yōu)勢隨著頻率的升高而增加。但是，如果縫隙的尺寸較大，高頻泄漏也是縫隙泄漏的主要現(xiàn)象。

影響電阻成分的因素：

影響縫隙上電阻成分的因素主要有：接觸面積（接觸點數(shù)）、接觸面材料（一般較軟的材料接觸電阻較?。?、接觸面的清潔程度、接觸面的壓力（壓力要足以使接觸點穿透金屬表層氧化層）、氧化腐蝕等。

影響電容成分的因素：

根據(jù)電容器原理，很容易知道：兩個表面之間距離越近，相對的面積越大，則電容越大。

解決縫隙泄漏的措施：

1） 接觸面的重合面積，這可以減小電阻、增加電容。

2） 使用盡量多的緊固螺釘，這也可以減小電阻、增加電容。

3） 保持接觸面清潔，減小接觸電阻。

4） 保持接觸面較好的平整度，這可以減小電阻、增加電容。

5） 使用電磁密封襯墊，消除縫隙上不接觸點。

電磁密封襯墊是一種表面導(dǎo)電的彈性物質(zhì)。將電磁密封襯墊安裝在兩塊金屬的結(jié)合處，可以將縫隙填充滿，從而消除導(dǎo)電不連續(xù)點。

使用了電磁密封襯墊后，縫隙中就沒有較大的孔洞了，從而可以減小高頻電磁波的泄漏。使用電磁密封襯墊的好處如下：

1）降低對加工的要求，允許接觸面的平整度較低。

2）減少結(jié)合處的緊固螺釘，增加美觀性和可維修性。

3）縫隙處不會產(chǎn)生高頻泄漏。

雖然在許多場合電磁密封襯墊都能夠極大地改善縫隙泄漏，但是如果兩塊金屬之間的接觸面是機(jī)械加工（例如，銑床加工），并且緊固螺釘?shù)拈g距小于3厘米，則使用電磁密封后屏蔽效能不會有所改善，因為這種結(jié)構(gòu)的接觸阻抗已經(jīng)很低了。

從電磁密封襯墊的工作原理可以知道，使用了電磁密封襯墊的縫隙的電磁泄漏主要由襯墊材料的導(dǎo)電性和接觸表面的接觸電阻決定。因此，使用電磁密封襯墊的關(guān)鍵是：

1）選用導(dǎo)電性好的襯墊材料。

2）保持接觸面的清潔

3）對襯墊施加足夠的壓力（以保證足夠小的接觸電阻）。

4）襯墊的厚度要足以填充最大的縫隙

電磁密封襯墊的靈活運(yùn)用

除非對屏蔽的要求非常高的場合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實踐中，可以根據(jù)屏蔽效能的要求間隔的安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的公式計算。在樣機(jī)上精心地調(diào)整襯墊間隔，使既能滿足屏蔽的要求，又使成本最低。對于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為λ/20~λ/100之間。軍用產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。

任何同時具有導(dǎo)電性和彈性的材料都可以作為電磁密封襯墊使用因此，市場上可以見到很多種類的電磁密封襯墊這些電磁密封襯墊各有特色，適合于不同的應(yīng)用場合設(shè)計者要熟悉各種電磁密封襯墊的特點，在設(shè)計中靈活選用，達(dá)到滿足產(chǎn)品性能要求、提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品成本的目的選擇電磁密封襯墊時需要考慮幾個主要因素：屏蔽效能、環(huán)境適應(yīng)性、便于安裝性、電器穩(wěn)定性

屏蔽效能：根據(jù)需要抑制的干擾頻譜確定整體屏蔽效能，電磁密封襯墊要滿足整體屏蔽的要求不同種類的襯墊，在不同頻率的屏蔽效能是不同的

使用環(huán)境：電磁密封襯墊之所以有這么多的種類的一個主要原因是要滿足不同環(huán)境的要求，使用環(huán)境對襯墊的性能和壽命有很大的影響

結(jié)構(gòu)要求：襯墊的主要作用是減小縫隙的泄漏，縫隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計對襯墊的效果有很大的影響在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，有以下幾個因素要考慮：

·壓縮變形：電磁密封襯墊只有受到一定壓力時才起作用在壓力作用下，襯墊發(fā)生形變，形變量與襯墊上所受的壓力成正比大部分襯墊要形變30~40%才能具有較好的屏蔽效果

·壓縮永久形變：當(dāng)襯墊長時間受到壓力時，即使壓力去掉，它也不能完全恢復(fù)原來的形狀，這就是壓縮永久形變這種特性當(dāng)襯墊頻繁被壓縮、放開時（例如門和活動面板）要特別注意

電器穩(wěn)定性：電磁密封襯墊是通過在金屬之間提供低阻抗的導(dǎo)電通路來實現(xiàn)屏蔽的目的的因此，其電器穩(wěn)定性對于保持屏蔽體的屏蔽效能是十分重要的

安裝成本：電磁密封襯墊的安裝方法是決定屏蔽成本的一個主要因素襯墊的成本包括襯墊本身的成本、安裝工時成本、加工成本等在考慮襯墊成本時，要綜合考慮這些因素

金屬絲網(wǎng)襯墊：這是一種最常用的電磁密封材料。從結(jié)構(gòu)上分，有全金屬絲、空心和橡膠芯等三種。常用的金屬絲材料為：蒙乃爾合金、鈹銅、鍍錫鋼絲等。其屏蔽性能為：低頻時屏蔽效能較高，高頻時屏蔽效能較低。一般用在1GHz以下的場合。

主要優(yōu)/缺點：價格低，過量壓縮時不易損壞/高頻時屏蔽效能較低。

導(dǎo)電橡膠：通常用在有環(huán)境密封要求的場合。從結(jié)構(gòu)上分，有板材和條材兩種，條材又分為空心和實心兩種。板材則有不同的厚度。材料為：硅橡膠中摻入銅粉、鋁粉、銀粉、鍍銀銅粉、鍍銀鋁粉、鍍銀玻璃粉等。其屏蔽性能為：低頻時屏蔽效能較低，高頻時屏蔽效能較高。

主要優(yōu)/缺點：同時提供電磁密封和環(huán)境密封。較硬，價格高，由于表面較軟，有時不能刺透金屬表面的氧化層，導(dǎo)致屏蔽效能很低。

指形簧片：通常用在接觸面滑動接觸的場合。性狀繁多，材料為鈹銅，但表面可做不同涂覆。屏蔽性能為高頻、低頻時屏蔽效能都較高。

主要優(yōu)/缺點：變形量大、屏蔽效能高、允許滑動接觸（這便于拆卸）/價格高。

螺旋管襯墊：由鈹銅或不銹鋼材卷成的螺旋管，屏蔽效能高（所有電磁密封襯墊屏蔽效能最高的）。

主要優(yōu)/缺點：價格低，屏蔽效能高/受過量壓縮時容易損壞。

導(dǎo)電布襯墊：導(dǎo)電布包裹上發(fā)泡橡膠芯構(gòu)成，一般為矩形，帶有背膠，安裝非常方便。高低頻時屏蔽效能都較高。

主要優(yōu)/缺點：價格低，過量壓縮時不容易損壞、柔軟、具有一定的環(huán)境密封作用/頻繁摩擦?xí)p壞導(dǎo)電表層

電磁屏蔽技術(shù)就是防止電子設(shè)備或者電子元器件之間產(chǎn)生電磁場感應(yīng)干擾的一種技術(shù)。主要有三種方法：

電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。屏蔽一般分為兩種類型：一類是靜電屏蔽，主要用于防治靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。