电磁兼容及其应用课件

电磁兼容及其应用 电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改。所谓电磁屏蔽就是以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体（实体的或非实体的）将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，使其内部产生的电磁场不能越出这一区域而干扰区域外部设备，而外部电磁场不能进入这一区域（或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。屏蔽技术屏蔽技术 电磁屏蔽的作用原理是屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用，而这些作用与屏蔽结构表面和屏蔽体内所感应的电荷、电流及极化现象密切相关。屏蔽效能屏蔽效能 屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点无屏蔽存在时电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比，用SE表示式中，、分别为无屏蔽使某点的电场强度和磁场强度；、分别表示屏蔽后同一点的电场强度和磁场强度。由屏蔽效能的定义可知，屏蔽效能的数值越大，说明屏蔽效果越好。由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一，因此通常用分贝来表述。下表是衰减量与屏蔽效能的对应关系：无屏蔽场强 ：有屏蔽场强 屏蔽效能SE（dB）10 ：1 20 100 ：1 40 1000 ：1 60 10000 ：1 80 100000 ：1 100 1000000 ：1 120 一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60B，TEMPEST设备的屏蔽机箱的屏蔽效要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。根据屏蔽的工作原理，可将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三大类。2.1电场屏蔽电场屏蔽 电场屏蔽简称电屏蔽，它利用与大地相连接的导体导电性良好的金属容器，使导体内部的电力线不外传，外部的电力线不内传，其目的是减少设备（或电路、组件、元件等）间的电场感应，包括静电屏蔽静电屏蔽和交变电场交变电场屏蔽屏蔽。2.1.1静电屏蔽静电屏蔽 静电屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽，主动屏蔽表示给孤立的带电体以导体容器包围，然后把导体容器接地，起到屏蔽作用。被动屏蔽，当屏蔽体外部有电场干扰时，屏蔽体内部的导体为等电位体，内部空间不会出现电力线，从而实现了对外界电场的屏蔽作用。2.1.2 交变电场屏蔽交变电场屏蔽 对交变电场的屏蔽原理，可以用电路理论加以解释，此时干扰源与被干扰源对象之间感应可以用分布电容描述。如图2-3所示，设有一电压为Us的交变干扰源S，在其附近有一被干扰对象（干扰接收器C），则C上感应的干扰为（2-1）从上式可以看出，S与C之间的分布电容越大，则C受到的干扰电压越大。为了减少干扰，可使S与C尽量远离；当无法满足要求时，则要采用屏蔽技术。图2-3 交变电场耦合电路 （未加屏蔽体）图2-4 交变电场耦合 （为接地的屏蔽体）为了减少干扰，在两者之间加入作为屏蔽的大导电板J，如图2-4所示，由于泄露的电力线很少，因此S与C之间的分布电容很少，可以忽略，可得（2-2）从上式可以看出，C接收的干扰电压取决于J的电位Uj，以及C与J之间的分布电容。在J离地较远，且离S很近的情况下，有及，则上式可得（2-3）由于金属板的尺寸远比干扰源尺寸大，C与J之间的 远大于 。因此，在加了不接地的J后，可能非但没有起到屏蔽作用，反而增大了干扰。当J接地后，如图2-5所示J对地的电压为（2-4）此时电压取决于J的接地电阻，如J良好接地，则 。在这种情况下，C感应的电压主要源于S与C之间的分布电容，C感应的干扰电压为（2-5）图2-5交变电场耦合 （加接地屏蔽体）当J很大时，C感应的干扰电压很小。根据上述，屏蔽体必须可靠的接地，且屏蔽体必须选用导电性能好的材料，只有这样才能有效地减少干扰。2.2磁场屏蔽磁场屏蔽 磁场屏蔽简称磁屏蔽，是用于抑制耦合实现磁隔离的技术措施。它包括低频磁屏蔽低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。高频磁屏蔽。2.2.1低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽 低频（100kHz）以下磁场屏蔽常用的材料是高磁导率的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡莫合金等）。低频磁场屏蔽的原理是利用高磁导率的材料对于干扰磁场进行分路。要想提高磁导率的屏蔽性能，应采用高磁导率的屏蔽材料，且增大屏蔽体的壁厚。根据磁路理论，磁路上a，b两点间的磁位差为（2-6）（2-7）（2-8）铁磁材料只适用于低频，不能用于高频磁场屏蔽，因为高频时铁磁材料中的磁性损耗很大（包括磁滞损耗和涡流损耗）。（2-9）2.2.2高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽 高频磁场屏蔽采用的是低电阻率的良好导体材料，如铜、铝等。原理是利用电磁感应现象壳体表面所产生的涡流产生的反向磁场来达到屏蔽的目的，也就是说，利用了涡流反磁场对于元干扰磁场的排斥作用，来抵消进入屏蔽体的磁场。图2-6为一高频磁场屏蔽。由高频磁场屏蔽的原理可知，屏蔽盒上所产生的涡流的大小将直接影响屏蔽效果。下面通过等效电路来说明影响涡流大小的因素。把屏蔽壳体看成是一匝线圈如图2-7所示。在高频下，可以认为于是这说明在低频情况下，产生的涡流小，而且涡流与频率成正比。可见这种方法适用于高频情况。则有2.3 电磁屏蔽电磁屏蔽2.3.1 电磁屏蔽原理电磁屏蔽原理 在交变电磁场中，电场分量和磁场分量总是同时存在的，只是在低频接地范围内，干扰一般发生在近场，此时高压小电流干扰源以电场为主，而低压大电流干扰源则以磁场为主。随着频率增大，电磁辐射能力增强，将产生辐射电磁场，并趋向于远场干扰。远场中的电场和磁场都不能忽略，因而就要对电场和磁场同时屏蔽，即进行电磁屏蔽。电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁波在空间传播的技术措施，屏蔽体起着切断或削弱电磁波传输的作用。交变屏蔽的机理：1）感应涡流理论，高频干扰电磁场在中屏蔽体 内会产生 涡流，涡流产生的磁场对高频干扰电磁场有抵 消/削弱的作用。2）电磁场理论，分析电磁屏蔽原理和效能的经典理论。3）传输线理论，它是根据这样一个事实：电磁波在金属 屏蔽体中传播的过程与行波在传输线中传播的过程很相似。因此，可用传输线方程来对电磁屏蔽机理做等效分析计算。2.3.4 传输理论和屏蔽效能分析传输理论和屏蔽效能分析实心材料屏蔽能效的计算一般有解释法、图解法、查表法，本章以解释法为主。图2-8 实心材料屏蔽能效的计算 1.电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗，这种损耗可以分为两部分：反射损耗反射损耗和吸收损耗吸收损耗。反射损耗反射损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次反射。因此，电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗的总和。对于电场波而言：第一个界面的反射损耗较大，第二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言，情况正好相反，第一个界面的反射损耗较小，第二个界面的反射损耗较大。吸收损耗吸收损耗：电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁能量损失，损失的这部分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。多次反射修正因子多次反射修正因子：电磁波在屏蔽体的第二个界面（穿出屏蔽体的界面）发生反射后，会再次传输到第一个界面，在第一个界面发射再次反射，而再次到达第二个界面，在这个截面会有一部分能量穿透界面，泄漏到空间。这部分是额外泄漏的，应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子。2.源的位置对屏蔽效能计算的影响源的位置对屏蔽效能计算的影响 如果辐射源在屏蔽机箱的外部（例如，屏蔽是为了机箱内的电路免受外界干扰的影响），则反射损耗和吸收损耗都对屏蔽效能有贡献。如果辐射源在屏蔽机箱内部（例如，屏蔽是为了抑制机箱内的电路辐射），则主要是吸收损耗对屏蔽效能有贡献，因为反射的能量总是在机箱内。377波阻抗E/H到观测点距离r图2-9 波阻抗3.波阻抗的概念波阻抗的概念 在电磁兼容分析中，经常用到波阻抗这个物理量。电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗，定义如下：ZW=E/H近场近场和和远场远场：根据观测点到辐射源的距离不同，划分出近场区和远场区两个区域，当距离小于/时，称为近场区，大于/时称为远场区。波阻抗的值波阻抗的值 近场区中，波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。若辐射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），则波阻抗大于377，称为高阻抗波，或电场波。在远场区，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377。波阻抗的变化波阻抗的变化 在近场区内，特定电场波的波阻抗随距离而变化。如果是电场波，随着距离的增加，波阻抗降低，如果是磁场波，随着距离的增加，波阻抗升高。在远场区，波阻抗保持不变。注注意意：近场区和远场区的分界面随频率的不同而不同，不是一个定数，这在分析问题时要注意。例如，在考虑机箱的屏蔽时，机箱相对与线路板上的高速时钟信号而言，可能处于远场区，而对于开关电源较低的工作频率而言，可能出于近场区。后面会看到，在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场屏蔽和磁场屏蔽。2.吸收损耗的计算吸收损耗的计算当电磁波在介质中传播时，无论电场还是磁场，它们的幅度都是按照指数规律衰减：E1=E0e-t/H1=H0e-t/电磁波衰减为原始强度的1/e或37%时所传播的距离称为趋肤深度。趋肤深度的计算公式为：=0.066/(f r r)1/2mm ，f 的单位为MHz，常用金属的趋肤深度如下（单位为毫米）：频率 铜 铝 钢 金属 100Hz 6.6 8.38 0.66 0.48 1kHz 2.08 2.67 0.20 0.08 10kHz 0.66 0.89 0.76 1MHz 0.08 0.08 0.008 10MHz 0.02 0.025 0.0025从吸收损耗的公式可以得出以下结论：屏蔽材料越厚，吸收损耗越大，厚度每增加一个 趋肤深度，吸收损耗增加约9dB；屏蔽材料的磁导率越高，吸收损耗越大；屏蔽材料的电导率越高，吸收损耗越大；被屏蔽电磁波的频率越高，吸收损耗越大。3.反射损耗反射损耗反射损耗与电磁波的波阻抗Zw和屏蔽材料的特征阻抗Zs有关。一般表达式为：R=lg(Zw/4 Zs)dB从式中可以看出，对于特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的电磁波的波阻抗越高，则反射损耗越大；对于确定的电磁波（Zw 一定），屏蔽材料的阻抗越低，则反射损耗越大。屏蔽材料的阻抗计算方法为：Zs =3.68 10-7(f r/r)1/2 f =入射电磁波的频率（Hz），r=相对磁导率，r=相对电导率。在远场在远场：电磁波的波阻抗为377。在近场在近场：电场波和磁场波的波阻抗是不同的，因此做近场屏蔽时，要分别考虑电场波和磁场波的情况。由于电场波的波阻抗较高，因此反射损耗较大。磁场波的波阻抗较低，往往反射损耗较小。电场波电场波：屏蔽体距离辐射源越近，反射损耗越大。磁场波磁场波：屏蔽体距离辐射源越远，反射损耗越大。不同电磁波的反射损耗不同电磁波的反射损耗4.屏蔽能效 以0.5mm的铝板为例。总的屏蔽效能等于吸收损耗与反射损耗之和。低频：低频：由于趋肤深度很大，吸收损耗很小，屏蔽效能主要决于反射损耗。而反射损耗与电磁波的波阻抗关系很大，因此，低频时不同的电磁波的屏蔽效能相差很大。电场波的屏蔽效能远高于磁场波。高频：高频：随着频率升高，电场波的反射损耗降低，磁场波的反射损耗增加（见前页图），另一方面由于趋肤深度减小，吸收损耗增加，当频率高到一定程度时，吸收损耗已经很大，屏蔽效能主要由吸收损耗决定。由于屏蔽的吸收损耗与电磁波的种类（波阻抗）无关，在高频时，不同种类的电磁波的屏蔽效能几乎相同。电场波种类与屏蔽效能电场波种类与屏蔽效能 从图中可以看出，屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。电场波是最容易屏蔽的，而磁场波是最难屏蔽的。特别是频率较低的磁场波，很难屏蔽。了解这一点很重要，因为在选购屏蔽材料时，要参考厂家提供的屏蔽数据，一定要搞清楚数据是在什么条件下获得的。导电薄膜、导电涂覆层等对磁场往往屏蔽效能很低，厂家给出的屏蔽数据一般是电场波或平面波的。根据屏蔽效能的定义：根据屏蔽效能的定义：屏蔽效能=H0/H1=（RS+R0）/RS =1+R0/RS 磁阻的计算：磁阻的计算：R =S/（A）式中：S=屏蔽体中磁路的长度，A=屏蔽体中穿过磁力线的截面面积，=0 r。结论：结论：屏蔽体的磁阻越小，屏蔽效能越高。为了减小屏蔽体的磁阻，应该：使屏蔽体尽量小，这样可以使磁路尽量短，从而达到减小磁阻的目的；增加磁路的截面积；使用导磁率尽量高的材料 5.良好屏蔽体的关键因素良好屏蔽体的关键因素 一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际中，常见的情况是金属做成的屏蔽体并没有这么高的屏蔽效能，甚至几乎没有屏蔽效能。这是什么原因呢？（1）接地并不解决问题接地并不解决问题 大部分设计人员不了解电磁屏蔽的基本原理，往往将静电屏蔽的原理应用到电磁屏蔽上。在静电中，只要将屏蔽体接地，就能够有效地屏蔽静电场。而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是设计人员必须明确的。（2）保持屏蔽体的导电连续性才是关键）保持屏蔽体的导电连续性才是关键 电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点在实现起来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值的。一个实用的机箱上会有很多孔缝造成屏蔽：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机箱的其它性能（美观、可维性、可靠性）。（3）穿过屏蔽体的导体危害最大）穿过屏蔽体的导体危害最大 实际机箱屏蔽效能低的另一个主要原因是穿过屏蔽机箱的导体。机箱上总是会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆。这些电缆会极大的危害屏蔽体，使屏蔽体的屏蔽效能降低数十dB。妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一。（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大）。6.实际屏蔽体的问题实际屏蔽体的问题 一个实际的电磁屏蔽体上有许多导致导电不连续的因素，如通风口、显示窗口、操作器件、不同部分的结合处、穿出屏蔽体的各种电缆等。正是这些因素的存在，使实际的屏蔽体的屏蔽效能很难达到预期的程度。也正是这些因素使屏蔽体的设计成为一个较难的问题。在进行电磁屏蔽设计时，要妥善解决这些开口/和贯通导体造成的屏蔽性能下降问题。2.3.5 孔缝泄露与抑制措施孔缝泄露与抑制措施 一般情况下，屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。在实际工程中，常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。1.缝隙处的阻抗：缝隙处的阻抗：缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效。低频时，电阻分量起主要作用；高频时，电容分量起主要作用。由于电容的容抗随着频率的升高降低，因此如果缝隙是主要泄漏源，则屏蔽机箱的屏蔽效能经常随着频率的升高而增加。影响电阻成分的因素：影响电阻成分的因素：影响缝隙上电阻成分的因素主要有：接触面积（接触点数）、接触面的材料（一般较软的材料接触电阻较小）、接触面的清洁程度、接触面上的压力（压力要足以使接触点穿透金属表层氧化层）、氧化腐蚀等。影响电容成分的因素：影响电容成分的因素：根据电容器的原理，很容易知道：两个表面之间的距离越近，相对的面积越大，则电容越大。2.缝隙的处理缝隙的处理减小缝隙电磁泄漏的基本思路：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）方法一：方法一：使用机械加工的手段（如用铣床加工接触表面）来增加接触面的平整度。缺点：缺点：加工成本高。方法二：方法二：增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度，缺点：缺点：仅适合永久性结合的场合。活动面板（如维修面板、屏蔽门等）处使用过多螺钉会减低设备可维修性，在屏蔽门上使用过多的紧固机构会增加门的复杂程度和成本。另外，在一些干扰频率较高或对屏蔽的要求很严格的场合，方法一、二中在缝隙上遗留的微小孔洞仍会影响机箱的屏蔽效能。方法三：方法三：使用电磁密封衬垫，原理：原理：电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫，那么，对于电磁波而言，就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样，不会发生电磁波的泄漏。缺点：缺点：增加额外的成本，但购买电磁密封衬垫的费用往往可以从产品的加工费用（使用密封垫后，对加工的精度要求往往降低），性能（可维性、外观等）等方面得到补偿。电磁密封衬垫的灵活应用：电磁密封衬垫的灵活应用：除非对屏蔽的要求非常高的场合，否则并不需要在缝隙处连续使用电磁密封衬垫。在实践中，可以根据对屏蔽效能的要求间隔地安装衬垫，每段衬垫之间形成的小孔洞泄漏可以用前面的介绍的公式计算。在样机上精心地调整衬垫间隔，使既能满足屏蔽的要求，又使成本最低。对于民用产品，衬垫之间的间隔可以为/20 /100 之间。军用产品则一般要连续安装。3.通风冷却孔泄露的抑制通风冷却孔泄露的抑制（1）覆盖金属丝 将金属丝网覆盖在大面积的通风孔上，能显著地防止电磁泄露。金属丝网的屏蔽性能与网孔直径、网孔疏密程度、网司交点处的焊接质量及网丝材料的电导率有关。在频率高于70MHz后，屏蔽效能开始下降，因而金属网不适用于数百MHz以上的高频率。（2）穿孔金属板 一般而言，孔洞尺寸愈大，电磁泄露也就越严重，屏蔽效能愈低。为了提高屏蔽能效，可在满足屏蔽体通风量要求的条件下，以多个小孔替代大孔（显然应该为小圆孔），这就需要采用穿孔金属板。穿孔金属板通常有两种结构形式：一种直接在机箱或屏蔽体上打孔；另一种是单独制成穿孔金属板，然后安装到机箱的通风孔上。打孔金属板的孔径越小，金属板越厚，屏蔽效果越好。与金属丝网相比，由于不存在金属丝网的网栅交点接触不稳定的缺陷，因此穿孔金属板的性能比较稳定。（3）截止波导通风孔 金属丝网和穿孔金属板在频率大于100MHz时，其屏蔽效果将大大降低。尤其是当孔眼尺寸不是远远小于波长甚至接近于波长时，其泄露将更为严重。由电磁场理论可知，波导对于在其内部传播的电磁波，起着高通滤波器的作用，高于截止频率的电磁波才能通过。基于上述理论，就出现了截止波导通风孔阵，如由六角形蜂窝金属材料制成的嵌板，如图所示。单根截止波导的横截面有矩形、圆形和六角形等，其中六角形波导的截止频率（Hz）为截止波导通风孔 式中，W为六角形内壁外接圆的直径（mm）。与金属丝网和穿孔金属板相比，波导通风孔具有工作频带宽、对空气的阻力小、机械强度高等优点。其缺点是制造工艺复杂、体积大、制造成本高。3.观察窗口泄露的抑制电子设备的观察窗口包括指示灯、表头面板、数字显示器及CRT（阴极射线管）等，这一类孔洞的电磁泄露往往最大，因而必须加以电磁屏蔽。可供选择的方案包括：1）使用波导衰减器；2）使用金属丝网或带有金属丝网的玻璃夹层板；3）对重要的器件进行屏蔽，对进入器件的所有导线进行滤波；4）使用导电玻璃。2.3.4 屏蔽设计屏蔽设计1.确定屏蔽效能；2.选择屏蔽材料和结构；3.进行屏蔽结构的完整性设计（多层实心体屏蔽技 术，孔隙屏蔽技术，电缆及接口屏蔽技术）；4.校验屏蔽效能。