電磁屏蔽技術(shù)解析課件

1、第4章（2） 電磁屏蔽技術(shù) 屏蔽材料的選擇 實(shí)際屏蔽體的設(shè)計(jì)第1頁，共67頁。電磁屏蔽屏蔽前的場(chǎng)強(qiáng)E1屏蔽后的場(chǎng)強(qiáng)E2對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽,電磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB 第2頁，共67頁。 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最大好處是不會(huì)影響電路的正常工作，因此不需要對(duì)電路做任何修改。 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)與有屏蔽時(shí)該位置的場(chǎng)強(qiáng)的比值，它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度。如果屏蔽效能計(jì)算

2、中使用的磁場(chǎng)，則稱為磁場(chǎng)屏蔽效能，如果計(jì)算中用的是電場(chǎng)，則稱為電場(chǎng)屏蔽效能。第3頁，共67頁。由于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。下表是衰減量與屏蔽效能的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 無屏蔽場(chǎng)強(qiáng) ：有屏蔽場(chǎng)強(qiáng) 屏蔽效能SE （dB） 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120 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60B，TEMPEST設(shè)備的屏蔽機(jī)箱的屏蔽效要達(dá)到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達(dá)到100dB。10

3、0dB以上的屏蔽體是很難制造的，成本也很高。第4頁，共67頁。實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算入射波場(chǎng)強(qiáng)距離吸收損耗AR1R2SE R1 R2 AB R ABB第5頁，共67頁。波阻抗的概念波阻抗電場(chǎng)為主 E 1/ r3 H 1 / r2磁場(chǎng)為主 H 1/ r3 E 1/ r2平面波 E 1/ r H 1/ r377/ 2到觀測(cè)點(diǎn)距離 rE/H第6頁，共67頁。吸收損耗的計(jì)算t入射電磁波E0剩余電磁波E1E1 = E0e-t/ A 20 lg ( E0 / E1 ) = 20 lg ( e t / ) dB0.37E0 A 8.69 ( t / ) dBA = 3.34 t f rr dB第7頁，共67

4、頁。趨膚深度舉例第8頁，共67頁。反射損耗 R 20 lgZW4 Zs反射損耗與波阻抗有關(guān)，波阻抗越高，則反射損耗越大。ZS = 3.68 10-7 f r/r遠(yuǎn)場(chǎng)：377近場(chǎng)：取決于源的阻抗同一種材料的阻抗隨頻率變第9頁，共67頁。不同電磁波的反射損耗遠(yuǎn)場(chǎng): R 20 lg3774 Zs4500Zs = 屏蔽體阻抗， D = 屏蔽體到源的距離（m）f = 電磁波的頻率（MHz）2 D fD f Zs Zs電場(chǎng): R 20 lg磁場(chǎng): R 20 lgdB第10頁，共67頁。影響反射損耗的因素150 0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M平面波3 108 / 2rfR(dB)r

5、 = 30 m 電場(chǎng)r = 1 m靠近輻射源r = 30 m磁場(chǎng) r = 1 m靠近輻射源第11頁，共67頁。綜合屏蔽效能 (0.5mm鋁板)150250平面波00.1k 1k 10k 100k 1M 10M高頻時(shí)電磁波種類的影響很小電場(chǎng)波 r = 0.5 m磁場(chǎng)波 r = 0.5 m屏蔽效能（dB）頻率第12頁，共67頁。多次反射修正因子的計(jì)算電磁波在屏蔽體內(nèi)多次反射，會(huì)引起附加的電磁泄漏，因此要對(duì)前面的計(jì)算進(jìn)行修正。B = 20 lg ( 1 - e -2 t / )說明： B為負(fù)值，其作用是減小屏蔽效能 當(dāng)趨膚深度與屏蔽體的厚度相當(dāng)時(shí)，可以忽略 對(duì)于電場(chǎng)波，可以忽略第13頁，共67頁。說

6、明一：對(duì)于電場(chǎng)波，由于大部分能量在金屬與空氣的第一個(gè)界面反射，進(jìn)入金屬的能量已經(jīng)很小，造成多次反射泄漏時(shí)，電磁波在屏蔽材料內(nèi)已經(jīng)傳輸了三個(gè)厚度的距離，其幅度往往已經(jīng)小可以忽略的程度。說明二：對(duì)于磁場(chǎng)波，在第一個(gè)界面上，進(jìn)入屏蔽材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度是入射磁場(chǎng)強(qiáng)度的2倍，因此多次反射造成的影響是必須考慮的。說明三：當(dāng)屏蔽材料的厚度較厚時(shí)，形成多次反射泄漏之前，電磁波在屏蔽材料內(nèi)傳輸三個(gè)厚度的距離，衰減已經(jīng)相當(dāng)大，多次反射泄漏也可以忽略。第14頁，共67頁。怎樣屏蔽低頻磁場(chǎng)？低頻磁場(chǎng)低頻磁場(chǎng)吸收損耗小反射損耗小高導(dǎo)電材料高導(dǎo)磁材料高導(dǎo)電材料第15頁，共67頁。改善低頻磁場(chǎng)屏蔽效能的方法：使用導(dǎo)磁率較高的材

7、料，以增加吸收損耗。理由：對(duì)于磁場(chǎng)而言，反射損耗已經(jīng)很小，主要是靠吸收損耗，吸收損耗的增加往往比反射損耗的減小幅度大，因此還是能夠改善屏蔽效能的。改進(jìn)的方法：為了能同時(shí)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)有效的屏蔽，希望既能增加吸收損耗，又不損失反射損耗，可以在高導(dǎo)磁率材料的表面增加一層高導(dǎo)電率材料，增加電場(chǎng)波在屏蔽材料與空氣界面上的反射損耗。第16頁，共67頁。高導(dǎo)磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0RsSE = 1 + R0/RSH1 = 屏蔽體中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，H0 = 屏蔽體外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，RS = 屏蔽體的磁阻，R0 = 空氣的磁阻第17頁，共67頁。旁路作用的計(jì)算： 用電路模型來等效磁路：畫一

8、個(gè)并聯(lián)電路圖，圖中并聯(lián)的兩個(gè)電阻分別代表屏蔽材料的磁阻和屏蔽體中空氣的磁阻。用計(jì)算并聯(lián)電路的方法可以如下關(guān)系式： H1 = H0 RS / （RS + R0） 式中： H1 = 屏蔽體中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，H0 = 屏蔽體外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，RS = 屏蔽體的磁阻，R0 = 空氣的磁阻第18頁，共67頁。根據(jù)屏蔽效能的定義： 屏蔽效能 = H0 / H1 =（RS + R0）/ RS = 1 + R0 / RS 磁阻的計(jì)算： R = S /（ A ） 式中： S = 屏蔽體中磁路的長(zhǎng)度， A = 屏蔽體中穿過磁力線的截面面積， = 0 r 。第19頁，共67頁。低頻磁場(chǎng)屏蔽產(chǎn)品第20頁，共67頁。磁屏

9、蔽材料的頻率特性151015坡莫合金金屬鎳鋼冷軋鋼 0.01 0.1 1.0 10 100 kHzr 103第21頁，共67頁。鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率 頻率（MHz） r 0.0001 1000 0.001 1000 0.01 1000 0.1 1000 1.0 700 10.0 500 100.0 100 1000.0 50第22頁，共67頁。磁導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)的變化磁通密度 B 磁場(chǎng)強(qiáng)度 H飽和起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率 = B / H第23頁，共67頁。屏蔽強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的問題：當(dāng)要屏蔽的磁場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，存在一對(duì)矛盾，即為了獲得較高的屏蔽性能，需要使用導(dǎo)磁率較高的材料，但這種材料容易飽和。如果用比較不容易飽和的材料，

10、往往由于 =較低，屏蔽性能又達(dá)不到要求。解決方法： 采用雙層屏蔽可以解決這個(gè)問題。先用導(dǎo)磁率較低，但不容易飽和的材料將磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減到較低的程度，然后用高導(dǎo)磁率材料提供足夠的屏蔽。 多層屏蔽的屏蔽效能要比單層屏蔽（即使沒有飽和）的屏蔽效能高，因?yàn)槎嗔藘蓪臃瓷浣缑?。?4頁，共67頁。加工的影響2040608010010 100 1k 10k跌落前跌落后第25頁，共67頁。加工的影響：對(duì)高導(dǎo)磁率材料進(jìn)行機(jī)械加工， 如焊接、折彎、打孔、剪切、敲打等，都會(huì)降低高導(dǎo)磁率材料的磁導(dǎo)率。工件受到機(jī)械沖擊也會(huì)降低磁導(dǎo)率。從而影響屏蔽體的屏蔽效能。解決方法：按照材料生產(chǎn)廠商的要求進(jìn)行熱處理。高導(dǎo)磁率材料的一個(gè)共

11、性就是在機(jī)械加工后磁導(dǎo)率會(huì)降低，從而導(dǎo)致屏蔽效能降低。因此，磁屏蔽部件加工完成后，一定要進(jìn)行熱處理，恢復(fù)磁性。第26頁，共67頁。強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽高導(dǎo)磁率材料：飽和低導(dǎo)磁率材料：屏效不夠低導(dǎo)磁率材料高導(dǎo)磁率材料第27頁，共67頁。解決這個(gè)矛盾的方法是：采用雙層屏蔽，先用不容易發(fā)生飽和的磁導(dǎo)率較低的材料將磁場(chǎng)衰減到一定程度，然后用高導(dǎo)磁率材料將磁場(chǎng)衰減到滿足要求。第28頁，共67頁。良好電磁屏蔽的關(guān)鍵因素屏蔽體導(dǎo)電連續(xù)沒有穿過屏蔽體的導(dǎo)體屏蔽效能高的屏蔽體不要忘記：選擇適當(dāng)?shù)钠帘尾牧夏阒绬幔号c屏蔽體接地與否無關(guān)第29頁，共67頁。保持屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性才是關(guān)鍵：電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)

12、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。穿過屏蔽體的導(dǎo)體危害最大：實(shí)際機(jī)箱屏蔽效能低的另一個(gè)主要原因是穿過屏蔽機(jī)箱的導(dǎo)體。第30頁，共67頁。實(shí)際屏蔽體的問題通風(fēng)口顯示窗鍵盤指示燈電纜插座調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)際機(jī)箱上有許多泄漏源：不同部分結(jié)合處的縫隙通風(fēng)口、顯示窗、按鍵、指示燈、電纜線、電源線等電源線縫隙第31頁，共67頁。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)孔洞的屏蔽效能LLSE = 100 20lgL 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(L/H) = 0 dB 若 L / 2H第32頁，共67頁。 對(duì)于一個(gè)厚度為0材料上的縫隙，近似計(jì)算公式如圖所示，式中各量如下： L = 縫隙的長(zhǎng)度（mm），H = 縫隙的寬

13、度（mm）， f = 入射電磁波的頻率（MHz）。 例：一個(gè)機(jī)箱上有顯示窗口6020mm，面板與機(jī)箱之間的縫隙3000.3mm，計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的屏蔽效能。第33頁，共67頁。解：SE顯示窗口 = 100 20 lg 60 20 lg f + 20lg（1 + 2.3lg (60 / 20) ) = 64 - 20lg f + 6 = 70 - 20lg f = 0 dB 在 f = 2500MHz時(shí)( L = / 2 )， SE縫隙 = 100 20 lg 300 20 lg f + 20lg（1 + 2.3lg (300 / 0.3) ) = 50 - 20lg f + 18 = 68 - 20l

14、g f = 0 dB 在 f = 500MHz時(shí)( L = / 2 ) ， 第34頁，共67頁?？锥丛诮鼒?chǎng)區(qū)的屏蔽效能1、若ZC （7.9/Df）：（說明是電場(chǎng)源）SE = 48 + 20lg ZC 20lg L f + 20lg ( 1 + 2.3lg (L/H) )ZC = 輻射源電路的阻抗（），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）第35頁，共67頁。孔洞在近場(chǎng)區(qū)的屏蔽效能2、若ZC （7.9/Df）：（說明是磁場(chǎng)源）SE = 20lg ( D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ) （注意：對(duì)于磁場(chǎng)源，屏效與頻

15、率無關(guān)！）ZC = 輻射源電路的阻抗（），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）第36頁，共67頁?？p隙的泄漏低頻起主要作用高頻起主要作用縫隙處的阻抗：縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效。低頻時(shí)，電阻分量起主要作用；高頻時(shí)，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率的升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能經(jīng)常隨著頻率的升高而增加。第37頁，共67頁。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(diǎn)數(shù)）、接觸面的材料（一般較軟的材料接觸電阻較小）、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力（壓力要足以使接觸點(diǎn)

16、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)電容器的原理，很容易知道：兩個(gè)表面之間的距離越近，相對(duì)的面積越大，則電容越大。第38頁，共67頁?？p隙的處理：電磁密封襯墊縫隙第39頁，共67頁。減小縫隙電磁泄漏的基本思路：減小縫隙的阻抗（增加導(dǎo)電接觸點(diǎn)、加大兩塊金屬板之間的重疊面積、減小縫隙的寬度）方法1：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。缺點(diǎn)：加工成本高。方法2：增加緊固件（螺釘、鉚釘）的密度，缺點(diǎn)：僅適合永久性結(jié)合的場(chǎng)合。第40頁，共67頁。方法3：使用電磁密封襯墊原理：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)

17、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。缺點(diǎn)：增加額外的成本，但購買電磁密封襯墊的費(fèi)用往往可以從產(chǎn)品的加工費(fèi)用（使用密封墊后，對(duì)加工的精度要求往往降低），性能（可維性、外觀等）等方面得到補(bǔ)償。第41頁，共67頁。電磁密封襯墊的靈活應(yīng)用：除非對(duì)屏蔽的要求非常高的場(chǎng)合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實(shí)踐中，可以根據(jù)對(duì)屏蔽效能的要求間隔地安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的介紹的公式計(jì)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(duì)于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為/20 /100 之間。軍

18、用產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。第42頁，共67頁。電磁密封襯墊的種類 金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的)導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的)指形簧片(不同表面涂覆層的)螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的)導(dǎo)電布第43頁，共67頁。指形簧片第44頁，共67頁。螺旋管電磁密封襯墊第45頁，共67頁。電磁密封襯墊的主要參數(shù) 屏蔽效能 (關(guān)系到總體屏蔽效能) 回彈力（關(guān)系到蓋板的剛度和螺釘間距） 最小密封壓力（關(guān)系到最小壓縮量）最大形變量（關(guān)系到最大壓縮量） 壓縮永久形變（關(guān)系到允許蓋板開關(guān)次數(shù)） 電化學(xué)相容性（關(guān)系到屏蔽效能的穩(wěn)定性）第46頁，共67頁。電磁密封襯墊的安裝方法絕緣漆環(huán)境密封第47頁，共67頁。截止波

19、導(dǎo)管-金屬管損耗頻率fc截止頻率頻率高的電磁波能通過波導(dǎo)管，頻率低的電磁波損耗很大！工作在截止區(qū)的波導(dǎo)管叫截止波導(dǎo)。截止區(qū)第48頁，共67頁。金屬管對(duì)于電磁波，具有高頻容易通過、低頻衰減較大的特性。這與電路中的高通濾波器十分相象。與濾波器類似，波導(dǎo)管的頻率特性也可以用截止頻率來描述，常用的波導(dǎo)管有矩形、圓形、六角形等，它們的截止頻率如下：截止波導(dǎo)管：如果選擇適當(dāng)?shù)拈_口尺寸，使波導(dǎo)管相對(duì)于所感興趣的頻率處于截止區(qū)，這個(gè)波導(dǎo)管就稱為截止波導(dǎo)管。截止波導(dǎo)管對(duì)低于截止頻率以下的電磁波衰減很大。利用這個(gè)特性就可以實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽和保持物理連通的雙重作用。第49頁，共67頁。矩形波導(dǎo)管的截止頻率： fc =

20、15 109 / l式中：l是矩形截止波導(dǎo)管的開口最大尺寸，單位是cm ， fc的單位Hz 。圓形波導(dǎo)管的截止頻率： fc = 17.6 109 / d式中：d是圓形截止波導(dǎo)管的內(nèi)直徑，單位是cm， fc的單位Hz 。六角形波導(dǎo)管的截止頻率： fc = 15 109 / W式中：W是六角形截止波導(dǎo)管的開口最大尺寸，單位是cm， fc的單位Hz 。第50頁，共67頁。截止波導(dǎo)管的屏效截止波導(dǎo)管 屏蔽效能=反射損耗：遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)計(jì)算公式近場(chǎng)區(qū)計(jì)算公式+吸收損耗圓形截止波導(dǎo)：32 t / d矩形截止波導(dǎo)：27.2 t / l孔洞計(jì)算屏蔽效能公式第51頁，共67頁。截止波導(dǎo)管的吸收損耗：當(dāng)電磁波穿過截止波導(dǎo)管時(shí)，會(huì)發(fā)生衰減，這種衰減稱為截止波導(dǎo)管的吸收損耗。截止波導(dǎo)管的吸收損耗計(jì)算公式如下： SE =1.8 fc t 10-9 ( 1 - ( f / fc ) 2 )1/2 (dB)式中：t是