电子设备的电磁屏蔽研究

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作电子设备的电磁屏蔽1 引言在人类进入信息化社会的今天，电磁波作为一种资源已在0Hz400 GHz的宽频率范围内广泛地应用在电子设备中，随之而来的电滋干扰也就从低频到微波波段，无孔不入地辐射或传导给运行中的设备和周围的环境，给设备、系统及生态带来了越来越严重的危害。一种崭新的电子产品，无论是走向国内市场还是国际市场，首先必须符合与该产品相关的电磁兼容要求。根据国家技术监督局称，传导干扰曾使60以上的国产PC步入不合格的行列，而传导干扰只是电子产品电磁兼容的一个指标。电磁兼容已经成为制约我国电子产品出口的技术壁垒。电磁兼容一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中，各种电子设备能正常工作而又互不干扰，达到兼容状态。 2 电磁屏蔽理论2.1 电磁屏蔽的分类 电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁波由一个区域向另外一个区域感应或传播的方法。屏蔽一般分为两种类型：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响，这种屏蔽需要完善的屏蔽体和良好的接地。另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场及交变电磁场的影响，电磁屏蔽不但要求良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的电连续性，最好不能有导体穿过屏蔽体。22 屏蔽效能计算屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量，屏蔽效能是指没有屏蔽时空间某个位置的电磁强度E1或磁场强度H1与有屏蔽时该位置的电场E2或磁场H2的比值。它表征屏蔽体对电磁波的衰减程度，通常情况下屏蔽效能ES用分贝表示，即 目前的屏蔽效能公式一般由谢昆诺夫公式给出，即A是吸收损耗，由电磁波通过屏蔽体的热损耗引起，即 R是反射损耗，由于屏蔽的阻挡，一部分入射波 图1为金属板内部多重反射损耗B与吸收损耗A的关系，当A10dB时，可以从图中得出B近似为0。在对屏蔽的计算要求不是太精确的情况下，B可以不计。 以上公式是假设屏蔽板是电薄的无限大平面和入射波是横电磁波条件下的屏蔽效能。而在实际设计中，主要是对一些特殊部件进行小范围的屏蔽，当屏蔽体为圆柱形时， 在式(7)、(8)中，K是屏蔽层的厚度T同圆柱半径R的比值。D叫作去磁因子，它是LR的函数，其对应关系如图2所示。 是磁渗透因子，它同屏蔽层的磁场强度Bm的对应关系如图3所示。 对于同心同屏蔽材料的两层圆柱筒屏蔽的情况用以下公式表示： 从以上公式可以计算出各种屏蔽材料的屏蔽效能，为了方便设计，给出下面的一些定性的结论：1)屏蔽效能与屏蔽体到辐射源的距离有关，距离越大，屏蔽效能越好。 2)当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料所产生的涡流起对外来电波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。3)当干扰电磁波的频率较低时，采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体的内部，防止扩散到屏蔽的空间去。4)同一种屏蔽材料对电场波的屏蔽最高，对磁场波的屏蔽最低，即磁场波最难屏蔽，同时，注意屏蔽材料在不同频段的特性有所不同。例如，铁磁性材料在低频时的磁导率高，吸收损耗大，所以，低频屏蔽体一般用铁磁材料，但到高频时，铁磁材料的相对磁导率随着频率的升高而下降，而屏蔽材料的反射损耗随着频率的升高而变大，所以，高频时选用良导体为屏蔽体。 5)在某些场合，如果要对高频和低频的电磁场都有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽。若屏蔽外部强磁场，则外部用不易饱和的高磁导率的材料，内部用易饱和的高磁导率的材料；若屏蔽内部的强磁场，则材料的选择与上述相反。6)对于双层或多层屏蔽不能进行多点电接触，否则，就相当于一层屏蔽。为了得到最佳的屏蔽效果，对都是铁磁材料的屏蔽层，屏蔽层之间的距离等于每层屏蔽材料的厚度。屏蔽层是铁磁材料与导电材料共同构成的多层屏蔽时，屏蔽层间不应有间隙。 7)进行磁屏蔽时，要根据所要屏蔽器件的形状或其他要求把屏蔽体做成不同的形状，因此，要对材料进行退火处理，而退火处理对材料的磁导率有很大的影响，退火工艺的不同对磁导率的影响也不同。同时，制作过程中对材料的拉伸也会对材料的磁导率有一定的影响。 3 孔洞和缝隙的电磁泄露与对策 一般的金属材料都可以提供100dB以上的屏蔽效能，而一般的电器有几十dB的屏蔽效能就可以满足需要，但事实是采用一般的屏蔽方法很难满足电器的屏蔽要求，其中，主要的原因就是屏蔽体的导电不连续性造成的，也就是屏蔽体上的孔或者是缝隙引的。 由小孔耦合理论可知，孔泄露出去的场等于小孔中心处的等效电偶极矩和等效磁偶极矩所产生的场。当孔洞的线长为/2的整数倍时，可以将激励孔洞的能量全部辐射出去。对于有单一孔洞的屏蔽体，其最小的屏蔽效能如下所述。 在远场中，即屏蔽体离源的距离小于/2时，孔洞的电磁屏蔽公式是 由以上分析可知，对于有孔或缝隙的屏蔽应该注意以下事项： 1)在孔洞面积相同的情况下，圆孔的屏蔽效果比方孔的屏蔽效果好。因为面积相同的情况下圆孔的线径最短。2)减小孔洞或缝隙的数目，应采用尽可能合理的装备结构使孔洞或缝隙的数目最小。3)在满足要求的情况下，用多个小孔代替一个大孔。如果屏蔽上的孔径大于/2时，屏蔽材料的实际屏蔽效能已很小。 4)不同面上的孔洞不会增加泄露，因为其辐射来源于不同的方向。因此，可以把孔分布在不同的面上，或者把孔分布在与主要的干扰电磁波垂直的面上。5)缝隙导磁的重要原因是缝隙处的电气性能不连续，其根本原因是缝或者是孔处的阻抗发生了变化，因此，可以在缝隙中加导电衬垫以保证缝隙处的电气连续性或者说是把缝或者是孔处的阻抗变化减小。 6）增加缝隙的长度或孔的深度。上面的式(13)、(14)、（15）和（16）是在假设屏蔽体的电厚度可以省略的情况下得到的，增加缝隙的长度或孔的深度可以增加缝隙处的电容而减小缝隙处的接触电阻，使屏蔽效能增加。同时，根据屏蔽理论，具有一定深度的孔或缝隙可以看作波导，而波导在一定的条件下可以对其内传播的电磁波进行衰减。当缝隙长度为波长的一半时，RF波长开始以20dB10倍频的速率衰减。当缝隙的长度是电磁波透入深度的倍时，缝隙漏出的磁场强度同金属吸收衰减后的磁场强度相同。在相同孔径下，频率越高，衰减就越严重，因为它的波长越短。7)从原理上说，屏蔽材料越厚越好，但是，对于工程而言，只要屏蔽材料的厚度是需要屏蔽的频率进入材料深度的1.5倍就够了。频率进入材料的厚度为：8)对于穿过屏蔽体的导线，如果导线中的信号是低频信号，就用电容器滤波。当导线中的信号是高频信号时，一般是在外面套一根屏蔽套，并使屏蔽套360焊接接地，因为穿过屏蔽体的导线相当于一个小的发射电台。 4 结束语 以上分析了影响电磁屏蔽效果的一些因素及相应的解决方法，如果能在屏蔽的生产、使用、维护中充分地应用这些措施，电磁的屏蔽效能一定会有较大的改进。 但是，我们也要认识到电磁兼容性控制是一项系统工程，应该在系统设计、研制、生产、使用与维护的各个阶段充分地考虑和实施才可能有效。随着电子设备工作速度越来越高，电磁干扰及抑制问题日益突出。在不久的将来，EMC科学将会形成高度综合、完整的一大学科。同时，EMC的预测、协调、监控、应用等会得到飞速发展