电磁屏蔽典型应用-课件

电磁屏蔽典型应用2 主要内容 p 概 述p 电场屏蔽p 低频磁场屏蔽p 高频磁场屏蔽n 电磁屏蔽p 孔洞的屏蔽效能 3 概述p 屏蔽类型:p 屏蔽是用导电或导磁材料将需要防护区域封闭起来,以抑制和 控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐 射;屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播,即切断电磁 波辐射(和场耦合)的传输途径。p 主动屏蔽:屏蔽干扰源,被动屏蔽:屏蔽敏感体。波 电磁波屏蔽低频近场4静电场屏蔽p 静电场的屏蔽 主动屏蔽主动屏蔽:pp 被动屏蔽被动屏蔽pp 接地防止电力线通过孔缝侵入屏蔽壳体内部接地防止电力线通过孔缝侵入屏蔽壳体内部 完全静电场屏蔽的必要条件完全静电场屏蔽的必要条件:1 1、完整的导体完整的导体,2 2、接地。接地。空腔5 交变电场的屏蔽 因为低频交变电场的骚扰源与接受器之间的电场感应耦合能够用它们之间的耦合电容进行描述,低频交变电场的屏蔽可采纳电路理论加以解释。直观、方便。干扰电压干扰电压(场场)与与 耦合电容成正比。减少耦合电容是耦合电容成正比。减少耦合电容是屏蔽低频交变电场的关键。增多骚扰源与接受器之间距离,或利用金属金属板接地抑制干扰。板接地抑制干扰。6p 利用金属板接地抑制干扰金属板接地抑制干扰接地金属屏蔽体uu 接地接地金属板切断干扰途径。如不接地则估计产生更严重的干扰。金属板切断干扰途径。如不接地则估计产生更严重的干扰。uu不管是静电场或交变电场不管是静电场或交变电场,屏蔽的必要条件是金属体接地。屏蔽的必要条件是金属体接地。7n 静磁场屏蔽例 无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能 应用分离变量法得应用分离变量法得可可见见 铁铁磁磁材材料料的的磁磁导导率率越越大大屏屏蔽蔽效效能能越越高高,屏屏蔽蔽层层的的厚厚度度增增加加也也会会加加大大屏屏蔽蔽效效能能。然然而而增增加加屏屏蔽蔽层层的的厚厚度度的的做做法法并并不经济。不经济。最好采纳多层屏蔽的方法？最好采纳多层屏蔽的方法？8p低频:100 kHz100 kHz以下p屏蔽原理:利用高磁导率的铁磁材料(例如铁、硅钢片,其磁 导率约为 )对骚扰磁场进行分路,把磁力线集中在其内部通过,限制在空气中大量发散。低频磁场屏蔽H1R0RmH0H0RmH1R0p 磁路方程磁力线集中在其内部(Rm)通过H2H29n n结论结论:磁导率越高、截面积越大磁导率越高、截面积越大,则磁路的磁阻越小则磁路的磁阻越小,集中在磁路集中在磁路中的磁通就越大中的磁通就越大,在空气中的漏磁通就大大减少。在空气中的漏磁通就大大减少。n用铁磁材料作的屏蔽罩,在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若缝隙垂直于磁力线,则会切断磁力线,使磁阻增大,屏蔽效果变差。(主动屏蔽)(被动屏蔽)10n法拉第电磁感应定律,楞次定律,u高频磁场的屏蔽采纳的是低电阻率的良导体(铜、铝)u屏蔽原理:利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的,即利用了涡流反向磁场关于原骚扰磁场的排斥作用,抑制或抵消屏蔽体外的磁场。高频磁场屏蔽涡流产生的反向磁场增强了金属板侧面的磁场使磁力线在金属板侧面绕行而过。H011n 屏蔽是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁场而达到屏蔽 的目的,涡电流的大小直截了当影响屏蔽效果。屏蔽体电阻越小 产生的感应涡流越大而且屏蔽体自身的损耗也越小。因此高频磁屏蔽材料需用良导体。p 注:因为高频时铁磁材料的磁性损耗(包括磁滞损耗和涡流 损耗)特别大,导磁率明显下降。铁磁材料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽。n 屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向同时要尽估计地缩小缝 的宽度。假如开缝切断了涡流的通路则将大大影响金属盒的 屏蔽效果。另一种解释,趋肤效应热损耗12p屏蔽体和线圈的等效电路 涡流 当 (高频)时,当 (低频)时n 低频时涡流特别小,涡流的反磁场不足以完全 排斥原干扰磁场,此法不适用于低频磁场屏蔽n 一定频率后涡流不再随着频率升高,说明涡流 产生的反磁场已足以排斥原有的干扰磁场,从 而起到屏蔽作用。is频率M/LRs/LRs屏蔽体电阻13电磁屏蔽p时变电磁场中,电场和磁场总是同时存在的,通常所说的屏蔽,多指电磁屏蔽。电磁屏蔽是指同时抑制或削弱电场和磁场。p电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽(10kHz 40GHz)。p在频率较低(近场区,近场随着骚扰源的性质不同,电场和磁场的大小有特别大差别。高电压小电流骚扰源以电场为主(电准稳态场忽略了感应电压),磁场骚扰较小(有时可忽略)。低电压高电流骚 扰 源 以 磁 场 骚 扰 为 主(磁准稳态场忽略了位移电流),电场骚扰较小。p随着频率增高,电磁辐射能力增加,产生辐射电磁场,并趋向于远场骚扰。远场骚扰中的电场骚扰和磁场骚扰都不可忽略,因此需要将电场和磁场同时屏蔽,即电磁屏蔽。14 屏蔽效能屏蔽前场强 E1,H1屏蔽后场强 E2,H2p 对电、磁场和电磁波产生衰减的作用就是电磁波屏蔽,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20 lg(E1/E2),SH=20 lg(H1/H2)dBp 衰减量与屏蔽效能的关系例:40dB,衰减比1/100 GJB151A的机箱:60dB一般商业的机箱:40dB 军用屏蔽室:100dB 15屏蔽机理p设金属平板左右两侧均为空气,因而在左右两个界面上出现波阻抗突变,入射电磁波在界面上就产生反射和透射。p电磁能(波)的反射,是屏蔽体对电磁波衰减的第一种机理,称为反射损耗,用R表示。p 透射入金属板内接着传播,其场量 振幅要按指数规律衰减。场量的衰 减反映了金属板对透射入的电磁能 量的吸收,电磁波衰减的第二种机 理、称为吸收损耗,用A表示p 在金属板内尚未衰减掉的剩余能量达到金属右边界面上时,又要发生反射,并在金属板的两个界面之间来回多次反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过屏蔽的空间。电磁波衷减的第三种机理,称为多次反射修正因子,用B表示。RAB16p屏蔽效能的第一种机理电磁能的反射是因为空气金属界面上阻抗不匹配而发生的。反射系数为辐射场的波阻抗 金属板的波阻抗p 吸收损耗p 第三种机理,称为多次反射修正因子:三次反射(吸收过程)五次反射(吸收过程)17 实心材料屏蔽效能 R AB入射场强距离吸收损耗AR1R2SE R1 R2 ABB透射泄漏R 反射损耗A吸收损耗B多次反射修正因子n 实心材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被大大衰减,将电场和磁场同时屏蔽,即电磁屏蔽。反射AR1R218波阻抗的概念(前述)377波阻抗电场为主 E 1/r3 H 1/r2磁场为主 H 1/r3 E 1/r2平面波 E 1/r H 1/r/2到观测点距离 rE/Hp 距离小于/时,称为近场区,大于/时称为远场区。n 近场区中,波阻抗小于377,称为低阻抗波(磁场波);波阻抗大 377,称为高阻抗波(电场波)。波阻抗随距离而变化。p 远场区,波阻抗仅与电场波传播介质有关,空气为377。19 反射损耗 R 20 lgp 反射损耗与波阻抗有关u 屏蔽材料的阻抗 Zs 磁场反射损耗,当频率升高时,电场和磁场损耗趋向于一致,汇合 在平面波的反射损耗数值上。p 距离电偶极源越近,则反射损耗越大(波阻抗越高)。磁偶极源,则正好相反。p 频率影响:频率升高时,电场的波阻抗变低,磁场波的波阻抗变高。同时屏蔽材 料的阻抗发生变化(变大)。关于平面波,由于波阻抗一定(377),因此随 着频率升高,反射损耗降低。22 吸收损耗入射电磁波E1剩余电磁波E2E2=E1e-t/A 20 lg(E1/E2)=20 lg(e t/)t0、37E0 3、34 t f rr dBp 材料越厚t,吸收损耗越大,每增加一个趋肤深度,吸收损耗增加约20dB;p 趋肤深度越小(磁导率、电导率和频率越高),吸收损耗越大。23 趋肤深度举例p 相对(电导率,磁导率):铜(1,1),铝(0、6,1),钢(0、16,200);p 吸收损耗与入射电磁场(波)的种类(波阻抗)无关。24多次反射修正因子的计算电磁波在屏蔽体内多次反射,会引起附加的电磁泄漏,因此要对前面的计算进行修正。B=20 lg(1-e-2 t/)说明:B为负值,其作用是减小屏蔽效能 当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时,能够忽略 关于电场波,能够忽略 关于电场波,反射损耗已特别大了,进入屏蔽体的能量差不多特别小了,因此能够忽略。25综合屏蔽效能(0、5mm铝板)高频时电磁波种类的影响特别小150250平面波00 0.1k 1k 10k 100k 1M 10M电场D=0.5 m磁场 D=0.5 m屏蔽效能（dB）频率p 低频:趋肤深度大,吸收损耗小,屏蔽决于反射损耗。电场电磁波磁场。p 高频:电场的反射损耗降低,磁场的反射损耗增加;频率升高,吸收损耗增加,频率高到一定程度时,屏蔽主要由吸收损耗决定。p 屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。p 特别是频率较低的磁场,特别难屏蔽。26如何屏蔽低频磁场？低频磁场低频磁场吸收损耗小（趋肤深度大）反射损耗小(低阻抗）高导电材料高导磁材料高导电材料方法1:高导磁率材料的表面增加一层高导电率材料,增加电场波在屏蔽材料与空气界面上的反射损耗。方法2:低磁阻通路旁路。关 键:采纳高导磁率材料,减少磁阻。H127 磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金 金属镍钢冷轧钢 0.01 0.1 1.0 10 100 kHzr 103n 磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多是直流情况下的,随着 频率增加,导磁率会下降,当频率大于 时,导磁率更低。28 磁导率随场强的变化磁场强度 H磁通密度 B 饱和起始磁导率最大磁导率=B/Hp 一对矛盾:当要屏蔽的磁场特别强时,即为了获得较高的屏蔽性能,需要使用导磁率较高的材料,但这种材料容易饱和。如用比较不容易饱和的材料,往往由于 =较低,屏蔽性能又达不到要求。29 强磁场的屏蔽高导磁率材料：饱和低导磁率材料：屏效不够低导磁率材料高导磁率材料n 解决方法:采纳双层屏蔽,先用不容易发生饱和的磁导率较低的材料将磁场衰减到一定程度,然后用高导磁率材料将磁场衰减到满足要求。n 成本高、实施困难。30 良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体的导电连续有无穿过屏蔽体的导体屏蔽效能高的屏蔽体不要不记得:选择适当的屏蔽材料您明白不:与屏蔽体接地与否无关屏蔽体的完整性(完整、封闭)+导电的连续性是屏蔽的关键31实际屏蔽体的问题p 实际机箱上有许多泄漏源:不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯和电缆线、电源线等p 影响屏蔽效能的两个因素:屏蔽体的导电连续性和穿过屏蔽机箱的导线(危害更大辐射传导)。通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮电源线缝隙电缆线32 远场区孔洞的屏蔽效能l lSE=100 20lgl 20lg f+20lg(1+2、3lg(l/h)=0 dB Hn当电磁波入射到一个缝隙孔洞时,其作用相当于一个偶极天线(第二章已讲述)n 当缝隙的长度达到l=/2时,其辐射效率最高(与缝隙的宽度无关),它几乎可将激励缝隙的全部能量辐射出去。n 若 l /2 h33 孔洞在近场区的屏蔽效能p 在近场区,孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关 若 ZC (7、9/Df)(电场源):SE=48+20lg ZC 20lg l f +20lg(1+2、3lg(l/h)若 ZC (7、9/Df)(磁场源)SE=20lg(D/l)+20lg(1+2、3lg(l/h)u ZC=辐射源的阻抗(),D=孔到源的距离(m),l,h=孔,洞(mm),f =电磁波的频率(MHz)p 当电场源时,孔洞的泄漏比远场时小(屏蔽效能较高),而当磁场源时,孔洞 的泄漏比远场时要大(屏蔽效能较低)、(注意:关于磁场源,屏效与频率无关！危害更大！)Dlh34 缝隙的泄漏高频起主要作用低频起主要作用屏蔽体的导电连续问题影响电阻,电容的因素:p 接触面积(接触点数)、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压 力、氧化腐蚀等。n 两个表面之间的距离越近,相对的面积越大,则电容越大。缝隙的阻抗越小,电磁泄漏越小,屏蔽效能越高(电容变小)作用估计相反,整体上,高频时电磁泄漏较大h=0 的情况缝隙35缝隙的处理电磁密封衬垫缝隙n 减小缝隙电磁泄漏的基本思路:减小缝隙的阻抗(增加导电接触点、加大两块金属板之间的重叠面积、减小缝隙的宽度)。方法:增加接触面的平整度,增加紧固件(螺钉、铆钉)的密度,方法:使用电磁密封衬垫,电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。36电磁密封衬垫的种类n 金属丝网衬垫n 导电橡胶n 指形簧片n 螺旋管衬垫37衬垫种类优点缺点适用场合导电橡胶同时具有环境密封和电磁密封作用,高频屏蔽效能高需要的压力大,价格高需要环境密封和较高屏蔽效能的场合金属丝网条成本低,不易损坏 高频屏蔽效能,适合1GHz以上的场合没有环境密封作用干扰频率为1GHz以下的场合指形簧片屏蔽效能高允许滑动接触形变范围大 价格高没有环境密封作用有滑动接触的场合屏蔽性能要求较高的场合p 导电橡胶:在硅橡胶内填充占总重量70 80比例的金属颗粒,如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅橡胶良好弹性的特性,同时具有较好的导电性。38螺旋管屏蔽效能高,价格低,复合型能同时提供环境密封和电磁密封 过量压缩时容易损坏屏蔽性能要求高的场合有良好压缩限位的场合需要环境密封和特别高屏蔽效能的场合多重导电橡胶弹性好,价格低,能够提供环境密封 表层导电层较薄,在反复磨擦的场合容易脱落需要环境密封和一般屏蔽性能的场合不能提供较大压力的场合导电布衬垫柔软,需要压力小 价格低 湿热环境中容易损坏不能提供较大压力的场合39 电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能(关系到总体屏蔽效能)回弹力(关系到盖板的刚度和螺钉间距)最小密封压力(关系到最小压缩量)最大形变量(关系到最大压缩量)压缩永久形变(关系到允许盖板开关次数)电化学相容性(关系到屏蔽效能的稳定性)40 电磁密封衬垫的安装方法绝缘漆环境密封41截止波导管损耗频率fc截止频率频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。截止区42 截止波导管的屏效截止波导管 屏蔽效能=反射损耗:远场区计算公式,近场区计算公式+吸收损耗:与截止频率有关孔洞计算屏蔽效能公式,前述波导壁面吸收损失 屏蔽效能明显43 截止波导管的损耗 不同金属的截止波导管的损耗。同样情况下,波导越长,壁面吸收损失越大,屏蔽效能越好44 圆柱波导较好,但不易组合孔的尺度较大时,截止频率低,大于截止频率的干扰无法屏蔽 45 通风口的处理穿孔金属板截止波导通风板p 多个小孔构成的孔阵代替一个大孔,提高孔的截止频率。46 截止波导管的设计步骤孔洞的泄漏不能满足屏蔽要求SE 确定截止波导管的截面形状 确定要屏蔽的最高的频率 f 确定波导管的截止频率 fc 计算截止波导管的截面尺寸 由SE 确定截止波导管的长度 5f47 操作器件的处理屏蔽体上开小孔屏蔽体上栽上截止波导管用隔离舱将操作器件隔离出48显示窗/器件的处理隔离舱滤波器屏蔽窗49屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法在内部可将电缆延伸表面做导电清洁处理,保持360度连接注意防腐屏蔽互套屏蔽体边界屏蔽电缆与电缆套360度搭接50 搭接 电子设备中,金属部件之间的低阻抗连接称为搭接例如:电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接 滤波器与机箱之间的搭接 不同机箱之间的地线搭接51 搭接不良的滤波器滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径阻抗值大52 搭接不良的机箱VI航天飞行器上的搭接阻抗要小于2、5m!53 搭接面的腐蚀IIVIIIII54 频率不同搭接方式不同55 搭接点的保护感谢您的聆听！