第五章屏蔽技術(shù)1

5.2電屏蔽5.3

磁屏蔽5.4電磁屏蔽5.1概述5.5電磁屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)第五章屏蔽技術(shù)2.目的：限制內(nèi)部能量泄漏出內(nèi)部區(qū)域（主動(dòng)屏蔽）防止外來的干擾能量進(jìn)入某一區(qū)域（被動(dòng)屏蔽）5.1概述屏蔽的含義：用屏蔽體將電磁干擾能量限制在一定范圍內(nèi)。屏蔽體可以是導(dǎo)電的、導(dǎo)磁的、介質(zhì)的或帶有非金屬吸收填料的。3.原理：二次場(chǎng)理論（一次場(chǎng)作用下，產(chǎn)生極化、磁化形成二次場(chǎng));

反射衰減理論兩種解釋形式不同，但本質(zhì)是相同的4.屏蔽的分類（按工作原理）

電屏蔽：靜電屏蔽、低頻交變電場(chǎng)屏蔽（利用良好接地的金屬導(dǎo)體制作）

磁屏蔽：靜磁屏蔽、低頻交變磁場(chǎng)屏蔽（利用高導(dǎo)磁率材料構(gòu)成低磁阻通路）

電磁屏蔽：用于高頻電磁場(chǎng)的屏蔽（利用導(dǎo)體表面的反射和導(dǎo)體中的衰減來隔離電磁場(chǎng)的耦合）屏蔽效能(SE)屏蔽效能：屏蔽體性能的定量評(píng)價(jià)。定義：或或電屏蔽效能磁屏蔽效能E0、H0——未加屏蔽時(shí)空間中某點(diǎn)的電（磁）場(chǎng)；E1、H1——加屏蔽后空間中該點(diǎn)的電（磁）場(chǎng)；無屏蔽場(chǎng)強(qiáng)有屏蔽場(chǎng)強(qiáng)

屏蔽效能SE

（dB）10120100140100016010000180100000110010000001120衰減量與屏蔽效能的關(guān)系不同用途機(jī)箱對(duì)屏蔽效能的要求機(jī)箱類型屏蔽效能SE（dB）民用產(chǎn)品40以下軍用設(shè)備60TEMPEST設(shè)備80屏蔽室、屏蔽艙100以上

分類：靜電屏蔽、低頻交變電場(chǎng)屏蔽5.2電屏蔽電屏蔽的作用：防止兩個(gè)設(shè)備（元件、部件）間的電容性耦合引起的干擾靜電屏蔽原理：靜電平衡要求：完整的屏蔽導(dǎo)體和良好接地2.低頻交變電場(chǎng)屏蔽目的：抑制低頻電容性耦合干擾分析方法：應(yīng)用電路理論分析（a）未加屏蔽（b）

加屏蔽（忽略CSR的影響）SRCSR0未加屏蔽的耦合CRUS

UN0

～加屏蔽的耦合SR～CSRCRUS

UN1

CSPCRPCPUp

P討論:（1）屏蔽體不接地，若CP<<CSP，CPRCR/(CPR+CR)<<CSP顯然，屏蔽體不接地，非但不能起到屏蔽作用，反而會(huì)增加

干擾效應(yīng)。加屏蔽的耦合SR～CSRCRUS

UN1

CSPCRPCPUp

P屏蔽體接地SR～CSRCRUS

UN1

CSPCRP（2）屏蔽體接地（3）屏蔽體接地時(shí)，CSR的影響～CSRCRUS

UN1

CRP等效電路屏蔽體起到良好的屏蔽作用。具體的低頻電屏蔽結(jié)構(gòu)，利用感應(yīng)電壓正比于干擾場(chǎng)強(qiáng)的性質(zhì)，利用路的方法計(jì)算屏蔽效能電屏蔽的屏蔽效能UN0為未加屏蔽前接收器上的感應(yīng)電壓，UN1為屏蔽后感受器上的感應(yīng)電壓為獲得良好的電屏蔽效果，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

合理設(shè)計(jì)屏蔽體的形狀，完全封閉

的屏蔽效果最好，開孔或有縫會(huì)使

屏蔽效果受到一定影響；屏蔽體必須良好接地，最好是屏蔽體直接接地；電屏蔽體應(yīng)選用良導(dǎo)體。3.電屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)正確選擇接地點(diǎn)，靠近被屏蔽的低電平元件的接地點(diǎn)。SR～CSRCRUS

UN1

CSPCRPUp

PGS

GP

GR

UG

就電屏蔽而言，對(duì)厚度沒有要求，

只要屏蔽體結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度滿

足要求即可。4.多級(jí)級(jí)聯(lián)電路的屏蔽盒結(jié)構(gòu)對(duì)多級(jí)級(jí)聯(lián)電路而言，為防止級(jí)間寄生耦合，各級(jí)之間要進(jìn)行屏蔽隔離。在結(jié)構(gòu)上，通常公用一個(gè)屏蔽盒，級(jí)間用中隔板分開，其蓋子有共蓋和分蓋兩種形式。（1）共蓋結(jié)構(gòu)（各級(jí)屏蔽共用一個(gè)蓋子）～CSUS

UR

CR等效電路ZR

ZG

共蓋結(jié)構(gòu)～CSCRUS

ZRZG

～CSUS

UR

CR等效電路ZR

ZG

干擾源US耦合到負(fù)載ZR上的干擾電壓：屏蔽體接地良好，ZR>>ZG討論：減小ZG可減小UR，提高屏蔽體的電屏蔽效能結(jié)論：為提高共蓋結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，可在中間隔板上加裝專用螺母，改善蓋子與盒體中隔板的電接觸，減小縫隙影響。亦可在中間隔板與蓋板間安放導(dǎo)電襯墊改善接觸。（2）分蓋結(jié)構(gòu)（每一個(gè)屏蔽隔板間單獨(dú)用蓋子封閉）～CSUS

UR

CR等效電路ZR

ZG2

分蓋結(jié)構(gòu)～CSCRUS

ZRCZG2ZG1CZG1

干擾源US耦合到負(fù)載ZR上的干擾電壓：屏蔽體接地良好，ZR>>ZG1,ZG2分蓋結(jié)構(gòu)的屏蔽效能優(yōu)于共蓋結(jié)構(gòu)5.3磁屏蔽（消除或抑制磁場(chǎng)與被干擾回路的磁耦合）1．原理

低頻磁屏蔽（f<30kHz）:

利用高導(dǎo)磁率鐵磁材料，（如鐵、硅鋼片、坡莫合金），對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路。

高頻磁屏蔽：利用低電阻的良導(dǎo)體中形成的渦電流產(chǎn)生反向磁通抑制入射磁場(chǎng)。2．屏蔽效能計(jì)算解析方法：圓柱腔、球殼的屏蔽效能計(jì)算近似方法：應(yīng)用磁路的方法。如：長(zhǎng)為l、橫截面為S的一段屏蔽材料，其磁阻為的方程外磁場(chǎng)的磁標(biāo)位3.磁屏蔽效能的計(jì)算(1)

薄壁球形屏蔽體的磁屏蔽效能內(nèi)半徑為a、外半徑為b，外加均勻磁場(chǎng)方法：磁標(biāo)位ab邊界條件：時(shí)，時(shí)，解得：故若，則令、屏蔽效能

非球形腔體的屏蔽效能

球形腔體的屏蔽效能若t→0，即（V——屏蔽體的體積）等效半徑：例：長(zhǎng)方體屏蔽盒尺寸為：、壁厚。試計(jì)算用鋼板和坡莫合金作屏蔽材料時(shí)的SE。解：鋼：合金：4.磁屏蔽體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)磁屏蔽體應(yīng)選用鐵磁性材料。磁屏蔽腔內(nèi)若含有磁性元件時(shí)，應(yīng)使磁性元件與

屏蔽體內(nèi)壁留有一定的空隙，以防止磁短路現(xiàn)象磁屏蔽效能隨壁厚的增加而提高，但壁厚不宜超

過2.5mm。當(dāng)單層屏蔽不能滿足要求時(shí)，可采用雙

層或多層屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，要防止屏蔽體的磁飽和。

選用不易飽和的磁性材料，如優(yōu)質(zhì)硅鋼；

增加屏蔽體的壁厚

采用雙層或多層屏蔽屏蔽體上的接縫與孔洞的排列方向應(yīng)盡可能使

磁路長(zhǎng)度增加量最小。根據(jù)磁屏蔽機(jī)理，屏蔽體不需接地，但為了防止電場(chǎng)感應(yīng)，一般還是接地為好磁屏蔽體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)（續(xù)）注意：高導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率一般是指直流狀態(tài)下，隨著頻率

的增加，磁導(dǎo)率會(huì)逐漸下降。鐵磁材料通常具有飽和性，當(dāng)磁場(chǎng)增大到一定值時(shí)，

磁導(dǎo)率下降，且磁導(dǎo)率越高，飽和特性越明顯。高導(dǎo)磁率材料在機(jī)械加工過程中，因敲打、彎曲等

機(jī)械應(yīng)力會(huì)使材料的磁導(dǎo)率明顯下降。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際的工作頻率和干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度，在制造時(shí)盡量避免過多的機(jī)械加工及加工后做適當(dāng)?shù)娜?nèi)部應(yīng)力處理。5.4電磁屏蔽（用屏蔽體阻止高頻電磁能量在空間的傳播）1.電磁屏蔽的原理和分析原理：①表面反射（R—反射損耗）②屏蔽材料吸收衰減（A—吸收損耗）③多次反射（B—多次反射修正）分析方法：①電路理論。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，計(jì)算屏蔽體上的渦流的屏蔽效應(yīng)來計(jì)算屏蔽效能。

②電磁場(chǎng)理論。通過計(jì)算電磁波在屏蔽體表面的反射、折射及在屏蔽體內(nèi)部的衰減來計(jì)算屏蔽效能。③等效傳輸線理論。通過計(jì)算行波在有損耗、非均勻傳輸線中的反射和衰減來計(jì)算屏蔽效能。t2單層金屬板的電磁屏蔽效能均勻平面波垂直入射到無限大的導(dǎo)體板上（厚度為t）導(dǎo)電媒質(zhì)的本征阻抗：傳播常數(shù)：屏蔽效能：良導(dǎo)體：良導(dǎo)體：空氣中電磁波的波阻抗：a.遠(yuǎn)場(chǎng)：b.近場(chǎng)（以電場(chǎng)為主）：c.近場(chǎng)（以磁場(chǎng)為主）：反射系數(shù)：透射系數(shù)：12一次投射：x＝0面上：屏蔽效能計(jì)算（設(shè)入射波場(chǎng)強(qiáng)）反射波：透射波：二次投射：x＝0面上：x＝t面上：反射波：透射波：x＝t面上：反射波：tx213反射波：透射波：n次透射：……總透射場(chǎng)強(qiáng)即：故：——相對(duì)于銅的電導(dǎo)率，銅：——厚度（mm）。①吸收損耗A(dB)結(jié)論：①屏蔽材料越厚，吸收損耗越大，厚度增加一個(gè)趨膚深度，吸收損耗增加得9dB；②磁導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；③電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；④頻率越高，吸收損耗越大.——相對(duì)磁導(dǎo)率；良導(dǎo)體②反射損耗R(dB)波阻抗良導(dǎo)體：a.遠(yuǎn)場(chǎng)：b.近場(chǎng)：電場(chǎng)源媒質(zhì)本征阻抗頻率升高，反射損耗減小c.近場(chǎng)：磁場(chǎng)源頻率升高，反射損耗增加反射損耗與頻率的關(guān)系③

多次反射修正B（dB）而故：當(dāng)時(shí)，通?？珊雎訠。當(dāng)時(shí)，，則反射損耗：電場(chǎng)源磁場(chǎng)源屏蔽效能：吸收損耗：遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（或平面波源）：多次反射修正：有些書上：近區(qū)場(chǎng)：如無法判定場(chǎng)源性質(zhì)，選磁場(chǎng)源的計(jì)算公式綜合屏蔽效能(0.5mm鋁板)良導(dǎo)體對(duì)電場(chǎng)波的屏蔽性能優(yōu)于對(duì)平面波的良導(dǎo)體對(duì)平面波的屏蔽性能優(yōu)于對(duì)磁場(chǎng)波的例1

有一個(gè)大功率線圈的工作頻率為20kHz，在離線圈0.5m處置一鋁板以屏蔽線圈對(duì)設(shè)備的影響。設(shè)鋁板厚度為0.5mm。試計(jì)算其屏蔽效能。解：

屏蔽體處于哪個(gè)場(chǎng)區(qū)：近場(chǎng)大功率線圈——強(qiáng)磁場(chǎng)，干擾為磁場(chǎng)源，干擾場(chǎng)主要為磁場(chǎng).故又故注意：實(shí)際測(cè)量中得到的屏蔽效能不超過250dB設(shè)備的最大屏蔽效能一般在80～120dB屏蔽效能超過100dB即可認(rèn)為屏蔽體是不可穿透的。t2x21t1d式中：3.雙層屏蔽的電磁屏蔽效能總反射損耗多次反射修正總吸收損耗①的多次反射②的多次反射空氣層中的多次反射t2x21t1d通常兩層之間的空氣中的多次反射起主要作用，則當(dāng)兩屏蔽層采用同一金屬材料且相同厚度時(shí)，4.薄膜屏蔽工程塑料機(jī)箱具有造型美觀、加工方便、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。如何使機(jī)箱具有屏蔽作用？通過噴涂、真空沉積以及粘貼等技術(shù)在機(jī)箱上包裹一層導(dǎo)電薄膜。設(shè)薄膜厚度為t，電磁波在薄膜中的波長(zhǎng)為，當(dāng)，稱這種屏蔽層為薄膜屏蔽。由于薄膜屏蔽導(dǎo)電層很薄，吸收損耗可以忽略，屏蔽效能主要由反射損耗和多次反射修正因子確定，可以按金屬平板屏蔽的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。屏蔽層厚度105nm1250nm21960nm頻率1MHz1GHz1MHz1GHz1MHz1GHz吸收損耗A0.0140.440.165.22.992反射損耗R109791097910979修正因子B-47-17-25-0.6-3.50屏蔽效能SE62628384108171銅薄膜屏蔽層屏蔽效能5.非實(shí)心型屏蔽體的電磁屏蔽效能（電氣上存在不連續(xù)的屏蔽體）實(shí)際機(jī)箱上有許多泄漏源:信號(hào)線的出入口，電源線的出入口，通風(fēng)散熱孔，接縫處的縫隙等。電磁能量的泄漏主要不決定于金屬的物理特性，而決定于孔縫的尺寸、形狀及位置。屏蔽腔上孔的影響（FDTD仿真）屏蔽腔上孔的影響(f=300MHz)屏蔽腔上孔的影響(f=2700MHz)總泄漏場(chǎng)實(shí)際屏蔽體的綜合屏蔽效能：非實(shí)心型屏蔽體屏蔽效能的計(jì)算公式（采用非均勻屏蔽理論）假定通過不同途徑透入的場(chǎng)強(qiáng)同相位，其誤差不超過2dB設(shè)各泄漏因素的等效屏蔽效能因子為例2

設(shè)某一頻率下，機(jī)殼屏蔽材料本身有110dB的屏蔽效能，各泄漏因素的等效屏蔽效能因子為：（1）濾波與連接器面板：101dB；（2）通風(fēng)孔92dB;（3）門泄漏：88dB;（4）接縫泄

漏：83dB。求機(jī)箱的總屏蔽效能。解：6.裝配面處接縫泄漏的抑制故

設(shè)金屬屏蔽體上有一縫隙，其間隙為g，屏蔽板厚度為t，入射波電場(chǎng)為E0，經(jīng)縫隙泄漏到屏蔽體中的場(chǎng)為Ep

，當(dāng)g<(10/3)δ時(shí)，有g(shù)t增大t，或減小g，可提高縫隙的屏蔽效能增大縫隙深度，或減小縫隙的寬度，來提高縫隙的電磁屏蔽效能例3.在例1中開一縫隙，若其寬度為0.5mm、0.25mm、0.1mm，分別求其屏蔽效能（鋁板厚0.5mm）

。解：當(dāng)當(dāng)當(dāng)已知無縫隙時(shí)的屏蔽效能：SE＝54.83dB縫隙的處理（加電磁襯墊進(jìn)行電磁密封處理）電磁襯墊是一種表面導(dǎo)電的彈性物質(zhì)，安裝在金屬結(jié)合處，保證導(dǎo)電連續(xù)性。使用電磁襯墊可降低對(duì)接觸面平整度的要求，減少結(jié)合處的緊固螺釘。但應(yīng)選用導(dǎo)電性能好的襯墊材料，有足夠厚度，能填充最大縫隙，對(duì)襯墊加足夠壓力，并保持接觸面清潔。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)電布襯墊金屬絲網(wǎng)屏蔽襯墊用金屬絲鉤織成的管狀襯墊，便宜，耐用?？捎糜跈C(jī)柜，機(jī)箱的門，蓋板的縫隙處屏蔽。橡膠芯金屬絲網(wǎng)屏蔽襯墊彈性好，可以防塵，可通過淋雨試驗(yàn)。可用于機(jī)柜，機(jī)箱的門，蓋板的縫隙處屏蔽。可同時(shí)滿足屏蔽和環(huán)境密封的要求。導(dǎo)電橡膠指形簧片屏蔽效能高，壓力低，可以承受剪切力，耐用，彈性好導(dǎo)電布襯墊可作為低閉合力的屏蔽襯墊，也可制成帶狀用于轉(zhuǎn)角連接處的屏蔽。螺旋管襯墊不同屏蔽襯墊的特點(diǎn)7.通風(fēng)孔的屏蔽通風(fēng)孔必不可少，但會(huì)破壞屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性，故必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姶欧雷o(hù)處理，提供射頻衰減的同時(shí)不顯著妨礙空氣流動(dòng)（1）在通風(fēng)孔上加金屬絲網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法：在大面積的通風(fēng)孔上覆蓋由金屬絲構(gòu)成的多個(gè)

小孔來減少電磁泄漏原理：金屬絲網(wǎng)的屏蔽作用主要靠反射損耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)孔隙率大于等于50%時(shí)，在所需衰減的

電磁波的每個(gè)波長(zhǎng)上有60根以上的金屬絲

網(wǎng)時(shí)，其反射損耗與與金屬板相近金屬絲網(wǎng)的吸收損耗遠(yuǎn)小于金屬板，故其屏蔽效能低于金屬板設(shè)計(jì)原則：金屬絲網(wǎng)網(wǎng)孔越密、網(wǎng)絲越粗、網(wǎng)絲的導(dǎo)電性越好絲網(wǎng)的屏蔽效能越好；但網(wǎng)孔過密，網(wǎng)絲過粗，通風(fēng)效果會(huì)變差；單層絲網(wǎng)可用于100KHz~100MHz的頻段內(nèi)；100MHz以上，或要求屏蔽效能較高時(shí)，可采用雙層絲網(wǎng)或多層復(fù)式屏蔽網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用于屏蔽要求不太高的場(chǎng)合(2)用穿孔金屬板做通風(fēng)孔屏蔽效能的計(jì)算公式SE＝A＋R＋B＋K1＋K2+K3式中：A—孔的吸收損耗

R—孔的反射損耗

B—孔的多次反射損耗

K1—孔數(shù)目修正系數(shù)

K2—低頻穿透修正系數(shù)

K3—孔間耦合修正系數(shù)a.孔的吸收損耗A

利用波導(dǎo)理論，當(dāng)入射波頻率低于波導(dǎo)截止頻率時(shí)矩形孔：Ar＝27.3t/

a

圓形孔：Ac＝32.0t/d

t—孔的深度（cm）a—矩形孔的最大寬度（cm）d—圓形孔的直徑（cm）b.孔的反射損耗R

——遠(yuǎn)場(chǎng)——

近區(qū)、電場(chǎng)——

近區(qū)、磁場(chǎng)其中：孔的特性阻抗入射波波阻抗——矩形孔——圓形孔a—每一孔洞的面積（cm2）p—

孔間導(dǎo)體寬度/趨膚深度c.

多次反射修正Bd.孔數(shù)目修正系數(shù)K1

e.低頻穿透修正系數(shù)K2f.孔間耦合修正系數(shù)K3

n—每cm2內(nèi)的孔洞數(shù)解a.A=32t/d=12.8dB例某飛機(jī)控制盒用鋁板加工而成，鋁板厚度t＝2mm，兩側(cè)面板上的總孔數(shù)為2×8×9,孔的形狀為圓形，孔徑D＝5mm，孔的中心間距為18mm。設(shè)平面波的頻率為f＝5MHz，求控制盒的屏蔽效能。