電磁波屏蔽的基本理論

1、電磁屏蔽基本理論電磁屏蔽基本理論winson ma (馬萬幸)+86 755 27141166aird technologies (sz)現(xiàn)狀現(xiàn)狀: 日益增多日益增多屏蔽需求屏蔽需求n日益增多的 干擾源和敏感器件 n 日益增多的設備的小型化使源與敏感器靠得很近。這使傳播路徑縮短，增加了干擾的機會。器件的小型化增加了它們對干擾的敏感度。n 汽車: 電話、膝上計算機等設備隨處可用，而不一定局限于辦公室那樣的受控環(huán)境。這也帶來了兼容性問題。例如，許多汽車裝有包括防抱死控制系統(tǒng)在內的大量的電子電路，如果汽車電話與這個控制系統(tǒng)不兼容，則會引起誤動作。n大規(guī)模集成電路芯片較低的供

2、電電壓降低了內部噪聲門限，而它們精細的幾何尺寸的較低的電平下就受到電弧損壞。它們更快的同步操作產生更尖的電流脈沖，這會帶來從端口產生寬帶發(fā)射的問題。一般來說，高速數(shù)字電路比統(tǒng)的模擬電路產生更多的干擾。n對于數(shù)據(jù)保密的要求是屏蔽市場發(fā)展的一個重要動力。已有報道揭露美國駐莫斯科使追究中的信息已被前蘇聯(lián)竊取到，車（車臣，首腦會議）這是通過接收使館內設備產生的電磁能量來實現(xiàn)的同樣的技術也被用來截獲密碼，然后攻擊銀行計算機系統(tǒng)。通過屏蔽，設備的電磁發(fā)射能夠減小，提高系統(tǒng)的安全性。n更不用說軍事工業(yè).n人也是敏感器件， 在我們享受現(xiàn)代高科技帶來的方便、快捷之時，是否意識到終日與隱形殺手相伴輻射污染讓我們無

3、處藏身。 常接觸電腦的人，大多都有眼睛發(fā)干、頭痛、煩躁、疲倦、注意力難以集中、臉上長斑等癥狀。據(jù)報載，某婦幼保健院不到三個月發(fā)現(xiàn)三例畸胎兒，這些孕婦與丈夫均身體健康，無家族遺傳史，孕期無不良接觸，只因她們工作中接觸電腦。 自然放射、宇宙放射加上現(xiàn)代科技的各種微波、電磁波使人們日常的工作、生活幾乎被輻射包圍，人類對輻射的敏感高于其它動物。因此，人類創(chuàng)造現(xiàn)代文明的同時也首當其沖成為其受害者。醫(yī)學界透露：電磁輻射可導致頭暈、失眠、視力下降、免疫力低下、腦腫瘤甚至癌癥。臺灣一項測試顯示：手機接通一瞬間釋放出的電磁波有時甚至高出測量儀器的極限2000毫高斯，而電磁波強度只要達到10150毫高斯便足以令人

4、體內抑制腫瘤的基因p53發(fā)生突變，增加患癌機會。 輻射污染看不見，摸不著，其危害又具有長期性，被喻為隱形殺手，被聯(lián)合國人類環(huán)境衛(wèi)生會議列為環(huán)保項目之1，（水，氣，電磁波）。從電磁波談起從電磁波談起電磁波電磁波: 電磁波發(fā)射天線電磁波發(fā)射天線 nlc 振蕩電路: lcfo14.321電磁波電磁波電磁波電磁波電磁騷擾電磁騷擾/干擾干擾n輻射干擾 當一個器件發(fā)射的能量,通過空間到達敏感器時，稱為輻射干擾。干擾源既可以是受干擾系統(tǒng)中的一部分，也可以是完全電氣隔離的單元。輻射干擾能影響設備中的任何信號路徑，其屏蔽有較大難度。輻射電磁能量成為電磁干擾的機理可以由法拉第定律來解釋。當一個變化的電磁場作用于一

5、個導體時，在這個導體上會感應出電流,電路會接收這個電流并發(fā)生響應。換句話說，隨機的射頻信號發(fā)出指令，使程序發(fā)生變化n傳導干擾的產生是因為源與敏感器之間有電磁線或信號電纜連接，干擾沿著電纜從一個單元傳到另一個單元。傳導干擾經(jīng)常會影響設備的電源，這可以通過濾波器來控制。radiated emissionsconducted emissionsradiated susceptibilityconducted susceptibilitycommon nuisance emi problem干擾傳播干擾傳播干擾傳播的途徑如圖示。有通過電源線、信號線、地線、大地等干擾傳播的途徑如圖示。有通過電源線、信號

6、線、地線、大地等途徑傳播的途徑傳播的“傳導干擾傳導干擾”，也有通過空間直接傳播的，也有通過空間直接傳播的“空間干空間干擾擾”。 電磁兼容電磁兼容n電磁兼容問題可以分為兩類.一類是”忍無可忍”的干擾問題. 電子電路、設備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾，使其達不到預期技術指標。如裝于機柜內的由微處理器構成的控制電路受到裝在同一個機柜內的馬達的干擾的問題。另一類”管的寬”的電磁兼容問題. 設備雖然沒有直接受到干擾的影響，但不能通過國家的電磁兼容標準，如計算機設備產生超過電磁發(fā)射標準規(guī)定的極限值，或在電磁敏感度、靜電敏感度等方面達不到要求。n電磁兼容定義:設備在其電磁環(huán)境中不受干擾能正常工

7、作.(對內)設備不對環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾.(對外)軍用產品要滿足、標準，民用設備要滿足、, 市場滿足ccc 等標準或行業(yè)。軍用標準比民用標準嚴格得多。無論那一種標準，其測試都是十分復雜的，并對測試環(huán)境和設備有嚴格的要求，因此測試要到指定的實驗室進行。-屏蔽屏蔽電磁兼容電磁兼容- 屏蔽: “切斷”電磁騷擾,干擾轉播的途徑.n電磁兼容是與電磁環(huán)境密切相關的一門綜合性極強的邊緣科學。主要以電氣、電子科學理論為基礎，研究并解決各類電磁污染問題。其理論基礎包括數(shù)學、電磁場微波理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學、生物醫(yī)學、電子對抗、通信地質工程等等，可以說電磁兼容

8、技術是一個正在不斷發(fā)展的新型綜合性學科，也是一門工程性極強的應用技術。 屏蔽技術 -只是電磁兼容手段之一. 1電路解決，2外殼解決為了使設備或系統(tǒng)達到電磁兼容狀態(tài)，通常應用的有: 元器件件設計; 印制電路板設計; 屏蔽機箱、電源線濾波、信號線濾波、接地、電纜設計等技術。屏蔽屏蔽: 用金屬材料用金屬材料”切斷切斷”電碰噪聲沿空間的傳播電碰噪聲沿空間的傳播特點特點: 近乎完美的干擾抑制技術近乎完美的干擾抑制技術 n無負面影響 這是目前唯一不會帶來負面影響的干擾抑制技術。屏蔽技術不涉及電路內部，因面它在解決emc問題的同時不會影響電路的高速正常工作.n雙豐收 它在減少對外輻射發(fā)射的同時，也降低了內部

9、敏感度。內憂外患一并處理.n獨立 在現(xiàn)有的設計中，屏蔽技術常常作為一種獨立的emc解決方案。它適用于任何時候、任何場合。但在新的設計中，屏蔽設計應與電路布線相結合或在電路布線設計及減少帶寬設計完現(xiàn)之后即進行。n后備軍 如果我們想盡辦法，系統(tǒng)仍然不能滿足它的電磁兼容性（emc）要求，可以采用屏蔽種非常有效的干擾抑制技術。我們只需在干擾電路的周圍加上均勻、連續(xù)的封閉體，emc問題即可解決。屏蔽類型屏蔽類型n靜電場屏蔽：1 高導電率金屬外殼，如cu。2 必須接地。n靜磁場屏蔽: 應用鐵磁材料如fe，si，來集中力線，一般也應接地.n電磁場屏蔽: 應用導體產生反射r與吸收a而大幅衰減電磁能量. 必須接

10、地.電磁屏蔽與靜電屏蔽有什么不同？n 電磁屏蔽指的是對電磁波的屏蔽，而靜電屏蔽指的是對靜電場的屏蔽。靜電屏蔽要求屏蔽體必須接地。n影響屏蔽體電磁屏蔽效能的不是屏蔽體接地與否，而是屏蔽體導電連續(xù)性。破壞屏蔽體的導電連續(xù)性的因素有屏蔽體上不同部分的接縫、開口等。電磁屏蔽對屏蔽體的導電性要求要比靜電屏蔽高得多。 improvement on the shielded side.constructive interference makes signal stronger on this side.radiated field with no shielding.radiated field with

11、 shielding on one side.reflectionsholeleakagesurface currentinternal reflectionconductive materialtransmission leakagethin conductortransmission leakage) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )f1arf2se(db) = 20 log10 (f1/f2) = a(db) + r(db) ) ) ) ) f1af2) ) ) ) ) )( ( ( ( ( f1rf2se(db) = 20 log (f1/f2) = a(

12、db) + r(db)se(db) = 20 log (f1/f2) a(db)outside(case 1)inside(case 2)effects of emitter locationon shielding effectivenessaaf2ra: absorption 吸收損耗吸收損耗 電磁波進入金屬體內產生感應電流引起熱能損耗，其吸收量為 吸收損耗： a=1.13b 吸收損耗吸收損耗： a=1.13bn壁厚 吸收多n頻率高 吸收多n高導高磁材料(fe)吸收多fe 0.17x500, cu 1x1,r: reflection 反射損耗反射損耗:空氣與金屬對電磁波的阻抗不一樣而引起反

13、射空氣與金屬對電磁波的阻抗不一樣而引起反射電磁波反射損耗的公式，(電場波和磁場波有類似的公式) r=168 +101g(r/r f)反射損耗反射損耗r=168 +101g(r/r f)n金屬壁厚無關n低頻時反射多n良導體低磁導率cu反射多fe 0.17x500, cu 1x1,b: 多次反射因子多次反射因子b = 20 lg (1- e-2b/20log= se = a+r+b= a + r=1.13b168 +101g(r/r f)n屏蔽效能se等于:+吸收因子a+加上反射因子r+加上多次返射修正因子b， (忽略)，n所有因子都以db表示。n雖然f高時a大r小 但”a+r”趨勢是: f高 s

14、e大，n特別是在高頻段a吸收是起主導作用的。n低頻時r反射起主導作用n選用高導電率的材料如cu,鋼鐵及其它金屬材料 分貝分貝不是線性關系而是指數(shù)關系不是線性關系而是指數(shù)關系se are expressed in logarithmic(db), not linear. 一些破壞機殼完整性的因素: slot or seam effectn當一束電磁波碰到屏蔽體時，在表面上感應出電流。屏蔽的一個作用是將這些電流在最小擾動的情況下送到大地，如果在電流的路徑上有開口，電流受到擾動要繞過開口。較長的電流路徑帶來附加阻抗，因此在開口上有電壓降。這個電壓在開口上感應出電場并產生輻射。n導電路徑的任何中斷都將

15、使屏蔽效能降低，它取決于縫隙或孔洞尺寸與信號波長之間的關系。對于高頻或較短波長來說，屏蔽效能的下降將是很劇烈的。 radiated field, gasketed shieldingemi gasketfringing field1電源圍繞金屬機箱運行電源圍繞金屬機箱運行 2電流在機箱內表面運行電流在機箱內表面運行 3機箱機箱/蓋板截面圖蓋板截面圖 開孔屏蔽效能公式開孔屏蔽效能公式 se=a+r+b 簡化為；簡化為； k-20縫隙，40圓孔l孔縫的長度（單位m）且lw、lt ； t 厚度（單位m）； 波長（單位m）； n 面積a內的孔縫個數(shù)。且a(/2)2n公式分為三項，每一項依據(jù)條件可以單獨

16、計算。n公式的第一項表示薄板上開一狹長的孔縫（長為l）對屏蔽效能的影響。由公式可知，當孔縫的長度接近于半個波長（截止頻率）時，衰減接近于0 db。n公式第二項表示材料厚度的增加對屏蔽效能的改善作用。n第三項則是對等n個多孔洞的簡單修正。 簡簡化化計計算算 se = se = 20 lg 20 lg （ n一般來說，孔縫lt, 孔縫的應小于/50 , (1/20,1/50).這種情況下2項很小。1項為主要. 例: 在1ghz高速數(shù)字電路要達到允許的衰減值30，孔縫的尺寸不能超過6mm. 當工作頻率增加時，孔縫應該更小。n屏蔽效能取決于孔縫的尺寸。一般來說，如果適當限定孔徑的尺寸，并且周圍使用屏蔽

17、材料，金屬薄板將表現(xiàn)出良好的表面?zhèn)鬏斪杩购途鶆蛞恢碌钠帘涡阅?。簡簡化化計計算?se = se = 30 t/l30 t/l n當l接近于/2時，增加材料的厚度、使之等于或大于l（），可使得孔洞的屏蔽效能顯著提高。此時，開口相當于一個工作在截止頻率（fco）以下的波導。fco = 15x109/l (l: cm) 在低于1/3 fco的頻段內，衰減值與頻率無關，它由公式的第二項給出，se(db) 30 t /l。這個關系僅對單個波導適用。由于孔的形狀略有差異，系數(shù)30只是一個近似，其值可在2832之間變動。對于t/l=4的高性能蜂窩狀通風板，單孔的理論衰減值可達120db。n在fco/3fco

18、之間，衰減下降，在fco處接近于0db。即便如此，波導結構在該頻段內的屏蔽效能比薄板上同尺寸的孔洞要好得多。修正修正 se = - se = - 10 log n 10 log nn當孔洞數(shù)目增多時，衰減也會下降。n公式中第3項給出了評估開孔數(shù)目影響的簡單方法。若將孔的數(shù)目增加為n，衰減值便相應地減少，兩個孔是-3db，十個孔洞是-10db。如果照此類推下去不難得出：一塊開有足夠多孔洞的金屬板將沒有任何屏蔽效果； 而實際上影響金屬板屏蔽效能的開孔數(shù)目有一個極限值，這是由于孔洞之間有間隔，當兩個孔洞的間距足夠大時，由兩孔共同耦合所產生的射頻能量便可忽略，相當于這些開孔單獨起作用。該公式推算此間距近似為半個波長（/2）。這樣一來，公式中第三項僅包含那些 a = r2（r=/2）區(qū)域內的開孔個數(shù)n。屏蔽效率屏蔽效率se與頻率與頻率f波長波長frequency (f)wavelength (l)wavelength c/o (1/2l)-6 db slot-20 db slot-26 db slot50 mhz6.00 m3.00 m1.5 m300 mm150 mm100 mhz3.00 m1.50 m.075 m150 mm750 mm200 mhz1.50 m0.75 m37.5 m75 mm37 mm400 mhz0.75 m37 cm18.75 cm