高速系统的屏蔽技术-g资料课件

屏蔽技术屏蔽技术电磁屏蔽是抑制辐射干扰的最有效手段电磁屏蔽是抑制辐射干扰的最有效手段1 1 屏蔽的基本理论屏蔽的基本理论2 2 屏蔽效能屏蔽效能3 3 屏蔽性能的恶化屏蔽性能的恶化4 4 屏蔽材料屏蔽材料5 5 屏蔽加固措施屏蔽加固措施 一一、基本理论基本理论1.11.1、电磁波的形成电磁波的形成 当导线有振荡电流时当导线有振荡电流时,它的周围就会产生变化的磁场，变化它的周围就会产生变化的磁场，变化磁场的周围又会产生变化的电场，这种不断交变的电场和磁场磁场的周围又会产生变化的电场，这种不断交变的电场和磁场向周围空间传播形成了电磁波。电磁波就是在空间传播的电磁向周围空间传播形成了电磁波。电磁波就是在空间传播的电磁场。他们的电场和磁场永远垂直，又都垂直于电磁波的传播方场。他们的电场和磁场永远垂直，又都垂直于电磁波的传播方向，所以电磁波是一种横波。屏蔽就是抑制电磁场对受害者的向，所以电磁波是一种横波。屏蔽就是抑制电磁场对受害者的危害。危害。1.2、辐射源在球坐标的感应点或面辐射源在球坐标的感应点或面1.3、电磁场的特性和波阻抗电磁场的特性和波阻抗近场和远场近场和远场 波阻抗的定义：波阻抗的定义：1 1、r=/2(r=/2(约约1/61/6波长波长)时，定义为近场和时，定义为近场和 远场之间的边界。远场之间的边界。2 2、r r/2/2时、定义为远场。波阻抗时、定义为远场。波阻抗 Z Z0 0=E=E/H/H=377=377。3 3、r r/2/2时、定义为近场。时、定义为近场。1.41.4、辐射源阻抗辐射源阻抗 1 1、高阻抗电场、高阻抗电场,波阻抗波阻抗Z Zw w=E=E/H/H=Z Z0 0 (/2r)(/2r)2 2、低阻抗磁场、低阻抗磁场,波阻抗波阻抗Z Zw w=E=E/H/H=Z Z0 0/(/2r)/(/2r)3 3、自由空间波阻抗、自由空间波阻抗Z Zw w=E=E/H/H=120=377 120=377 1.5、波阻抗随距离的变化关系波阻抗随距离的变化关系1.6均质金属材料阻抗均质金属材料阻抗Zm1.6、均质金属材料阻抗均质金属材料阻抗Zm二二、屏蔽效能屏蔽效能屏蔽体对入射平面波的屏蔽过程屏蔽体对入射平面波的屏蔽过程2.1、反射损耗反射损耗 反射是由于空气和金属界面阻抗不匹配引起的。反射是由于空气和金属界面阻抗不匹配引起的。K1K1近场高阻抗近场低阻抗远场 其中公共项 是特征反射损耗项。所以非磁性材料比磁性材料反射损耗大。2.2、吸收损耗吸收损耗K1吸收损耗是由金属材料中的电阻损耗引起并转吸收损耗是由金属材料中的电阻损耗引起并转化为热能。化为热能。其中公共项是特征吸收损耗项吸收损耗与呈线性关系。所以磁性材料比非磁性材料的吸收损耗大。2.32.3、再反射损耗再反射损耗K1 2.2.52.2.5低频磁屏蔽效能低频磁屏蔽效能非磁性材料低频磁屏蔽效能很差非磁性材料低频磁屏蔽效能很差2.42.4、屏蔽效能及其曲线屏蔽效能及其曲线屏蔽效能与四个参数有关：源至屏蔽体距离r；场的类型；屏蔽材料性能，；屏蔽材料厚度t。近场电场屏蔽效能远场屏蔽效能近场磁场屏蔽效能。吸收损耗区始发于屏蔽材料厚度一个趋肤深度处。r=1m(),在48MHz拐角处近场电场和磁场屏蔽效能逼近远场屏蔽效能。要特别注意的是：屏蔽效能较低约40dB时，理论和实际很接近；40100dB时，理论和实际从好到坏一般实际值低于理论值；100dB以上，理论和实际的对应关系很差。对应关系取决材料偏离均质程度、频率和泄漏补救程度。对磁性材料，所有公式只适用额定磁导率的情况。磁导率随频率变化当几千赫至1兆赫以上时趋于1。（r=1米）铜材屏蔽效能与频率的关系米）铜材屏蔽效能与频率的关系三三、屏蔽效能的恶化屏蔽效能的恶化 前面基础部分是建立在均质材料基础上的前面基础部分是建立在均质材料基础上的而实际屏蔽是由于：接缝、门、盖板、孔洞、非均质表面引起的泄漏效应；金属突然转折处出现的场的增强（驻波）；机壳中局部起微波腔体作用，其谐振效应使局部屏蔽效能变差。等效屏蔽效能为：为了计算泄漏效应引起屏蔽效能的下降将屏蔽效能和泄漏效应合成为：式中：对数四四、提高屏蔽效能的关键在于控制泄漏提高屏蔽效能的关键在于控制泄漏4.1孔洞的屏蔽效能孔洞的屏蔽效能实际设备机箱的屏蔽受到各种孔洞的破坏，如必须为电源线、按键、控制轴、冷却等开孔时，应考虑孔洞造成的屏蔽泄漏。计算单、多孔引起屏蔽恶化的公式为：式中：K：是各项修正量。1、吸收损耗、吸收损耗A：电磁场在通过波导和孔洞时受到衰减。对于圆孔AC=32L/D对于矩形孔Ar=27.3L/W式中：L=孔的长度；D=圆的直徑；W=矩形孔的最大宽度2、反射损耗、反射损耗R：反射损耗取边界上阻抗的不匹配。R=20Log10(J/4+1/2+1/4J)式中：J=ZA/ZW孔的特性阻抗与入射波特性阻抗之比K1=-10Log10an5低频场穿透的修正因数K2：6孔间耦合K3K3=20Log101/tanh(A/8.686)场穿透的修正低频因数K2：3、反射修正量、反射修正量B：当吸收损耗10dB时采用4、多孔修正量、多孔修正量K1：由孔的总数引起总屏蔽效能的恶化K1=-10Log10an式中：a=全部孔的面积n=每平方面积上的孔数是5、低频场穿透的修正因数低频场穿透的修正因数K2：低频时金属的趋肤深度大，K2是计算低频场穿透的经验公式式中：d=孔的直径，采用丝网时用CW代替d2(CW=孔与孔之间的导体宽度）6、孔间耦合、孔间耦合K3：孔间相互耦合相当于增加整个孔结构的阻抗，使总屏蔽效能的增加式中：A是吸收损耗五五、屏蔽加固措施屏蔽加固措施通常采用上述办法列出清单计算屏蔽效能，然后采取最坏情况。5.1、接缝和接头、接缝和接头配合构件在界面上的屏蔽完整性损失是屏蔽效能受损的主要原因。当屏蔽构件是由螺钉、铆钉、点焊等直接连接时，就得到物理非均质的界面接合。这时界面连接是不连续的，而且在连接的构件之间产生弯曲或波纹效应，会转而产生窄缝或间隙，在窄缝或间隙的尺寸逼近0.01的频率下，将导致辐射或穿透。假设上述间隙的衰减AdB遵循波导过度准则，则：式中：L=搭接构件的间隙深度或接构件的材料厚度，吋fc=间隙截止频率对于矩形间隙：fc=5900/g；对于圆形间隙：fc=6920/gfMHz=工作频率g=间隙最大横向尺寸，吋当时对于矩形间隙：对于圆形间隙：图5.1表示对于所指出的参数，接头的屏蔽效能是螺钉间距的函数。同时要注意若应用典型的电磁干扰网状衬垫会获得很大改善。图2.13表示对于所指出的参数，接头的屏蔽效能是螺钉间距的函数。同时要注意若应用典型的电磁干扰网状衬垫会获得很大改善。图5.2表示这种方法中的一些。在构件不必拆卸或分离的场合最好是沿配合表面四周进行连续缝焊。这种焊接要求不高只要它是连续的，无焊接气孔就行。图5.3所示的一种替换技术是搭接接缝。在卷边之前必须从配合的表面上清除掉全部非导电材料（例如油漆、锈斑、涂复等)。必须在足够的压力下进行卷边，以保证全部配合表面之间的可靠接触。图5.3图5.25.2、通风孔通风孔-1大部分屏蔽外壳或机壳需要对流冷却或强迫风冷。但开孔将损害屏蔽基材的完整性，所以必须安装适当的电磁防护罩。电磁防护罩要提供相当大的射频衰减而又不显著妨碍机械的空气流动。可能的方法有两种：丝网罩和蜂窝孔罩。丝网罩是解决此问题的廉价方法，但屏蔽效能有限且倾向于破坏平滑的空气流，从而降低了冷却系统的效率。所以，通常使用蜂窝罩材料，因为它既能提供较高的屏蔽效能，又能维持流线型的空气流动从而提高了冷却系统的效率。这是降低冷却系统功率所需要的。图图 5.4典典 型型 蜂蜂 窝窝 结结 构构 图图 5.5蜂蜂 窝窝 罩罩 典典 型型 屏屏 蔽蔽 效效 能能 通风孔通风孔-2典型蜂窝结构中，六角形元素（“六角蜂房”）是利用波导过度截止的特性来实现屏蔽效能要求的。但是对蜂窝而言，在充分低于截止频率时，其屏蔽效能会因板内波导元件的总数N而减小，因从每个六角蜂房透出的场会彼此相参合并。因此对蜂窝通风罩而言，屏蔽效能可近似表示为当通风盖板用于对流冷却时，一般做法常是在板上打许多孔而不是用蜂窝或丝网。孔是用切割盖板的模具在板上冲出。对于这种情况，屏蔽效果AdB是：式中：对于方孔：k=27；对于圆孔：k=32L=盖板厚度，吋（或厘米）g=方孔宽度或圆孔直径，吋（或厘米）。C=孔的中心距，吋（或厘米）D=方孔边长或圆孔直径，吋（或厘米）。5.3、观察孔观察孔-1观察孔是包括在屏蔽机壳上或壳体内的仪表板、数字显示器、示波器及其它类型的状态监视器或读出显示的需要。观察孔同样损害屏蔽基材的完整性，它的加固措施是由夹层迭丝网窗或导电光学基片实现的。（1）丝丝网网窗窗必须使用的屏蔽窗是用来防止射频穿透。丝网构造有两种（a）类似于屏蔽室或普通窗户用的窗纱，其中各丝网元件或线股在交叉接点上被焊接在一起；（b）由夹在两层聚丙烯或玻璃之间的编织细金属丝压制而成。丝网的特点是金属厚度对空气隙面积之比约为0.05。空气隙间距g可从0.51毫米变到约5.1厘米。近似描述远场中丝网类性能的屏蔽效能模型是：丝网的屏蔽效能在没有显著的吸收损耗的情况下，主要由反射损耗获得。对于米制单位使用下列关系式：对于gcm3.图5.10表示金属管搭接到含有间隙的控制轴孔的壁面时所允许的用法。在实现前述情况时，若不考虑控制轴性能和附加金属管的关系，则对于典型的金属轴可能得不到什么改善。为了消除这种情况，可使用以下的两种技术之一：（1）如图5.10所示用非导电轴代替金属控制轴；（2）在轴和管之间使用圆柱面的电磁干扰衬垫。后一方法无需改变现有控制轴。控制轴的孔控制轴的孔-2图2.22用圆波导管控制通过永久性孔洞的控制轴的电磁干扰泄漏控制轴的孔控制轴的孔-2图5.10用圆波导管控制通过孔洞的控制轴所造成的电磁干扰泄漏5.5、指示器按键和灯、指示器按键和灯有些仪器或设备需要使用按键、状态指示灯按键和指示灯。由于需要在前面板或外壳上开孔，这些元件也会使屏蔽的完整性受到损害。有两种技术可用来减轻通过这类器件的电磁干扰泄漏：当它们如图5.11所示安装时，要将它们封装在前面板后面的屏蔽盒里。穿心电容器或插针滤波连接器被用作从屏蔽盒外到按键或指示灯的硬连线，因为在屏蔽体的任一边都可能存在传导电磁干扰。图5.115.6、电磁兼容衬垫电磁兼容衬垫-1当损耗不是由永久固定方法而是由接缝与接合面产生时，衬垫是用来恢复原屏蔽完整性的极重要技术。为了便于讨论和比较，电磁干扰衬垫被分成下列几种：（1）编织丝网；（2）定向埋置金属丝；（3）导电塑料与导电橡胶；（4）梳形簧片；（5）压敏背衬泡沫箔。后两种与前三种不同，工作原理也不大相同。1、编织丝网衬垫、编织丝网衬垫它们由导电金属丝编织而成，有些像电缆外套。几乎所有能以细丝形式生产的金属都可以加工这种电磁干扰衬垫。使用的典型材料有：铝，镀银黄铜及镀锡的包铜钢。这种衬垫可采用空气芯或为获最大弹性而使用泡沫氯丁橡胶或硅酮芯子。截面可以使圆形、矩形或园形带安装凸缘。它们通常应用于截面在0.0630.75吋之间、周边大于4吋的屏蔽接合面。2、定向埋置金属丝、定向埋置金属丝它们由无数横向导电的金属细丝并联制成，所以跨接在衬垫界面的并联阻抗很小。每根卷绕的金属丝彼此绝缘，其密度约为每平方吋100根金属丝。使用的典型材料是蒙乃尔合金或铝丝，它们埋入实心硅酮制成硬衬垫或泡沫硅酮制成软衬垫的弹性体中。这种衬垫可同时提供电磁干扰和压力密封，埋入的金属丝在两侧都上凸几密尔，以突破构件的配合表面上残存的油脂膜和氧化物。截面有效范围从而0.1250.125吋到0.6250.625吋，并可制成任何长度。电磁兼容衬垫电磁兼容衬垫-23、导电塑料与导电橡胶衬垫、导电塑料与导电橡胶衬垫它们常常由无数细小银珠或镀银黄铜珠埋置在硅酮橡胶或乙烯基弹胶体的粘结载体中制成，衬垫同时提供电磁干扰和气密密封。这种衬垫提供0.0010.01欧-米的体电阻率，并在很宽的温度范围内有效。备有板料、冲压件、模压件、挤压成形件。改型可工作到冷冻温度。衬垫提供低夹紧压力、低压缩永久变形、少维护和长夀命。但这种衬垫在承受振动时大部分性能不可靠，因为接合面的不平度在整个振动循环期间发生变化，所以衬垫上的压力起变化，当压缩压力下降至实现电密封的最小量以下时，接合面就会变成泄漏面。4、梳形簧片衬垫、梳形簧片衬垫梳形簧片衬垫是最早或第一种上市的电磁干扰密封衬垫。由于40年代的合成橡胶技术有限，接合面的不平度是靠各个齿簧能弯曲不同量的一排分立梳形簧片的衬垫结构来完成。对于经常需要装卸的屏蔽机壳、盖板等，这种密封衬垫仍得到广泛应用。新型梳形片条还自带粘合剂，并备有各种规格和形状。主要的缺点是与梳齿的氧化和使用不当可能引起的折断有关。5、压敏背衬泡沫箔衬垫、压敏背衬泡沫箔衬垫与上述不同的另一种衬垫是背后衬有可大压缩的氯丁丁泡沫铍铜箔，包含粘贴在盖板上的合成橡胶和压敏胶的泡沫。放置在含有屏蔽隔板的电子组件上时，背衬泡沫承担包含外板、隔板高度在内的参差不齐，以形成连贯性的电磁干扰密封。这种1/16吋（1.59mm）衬垫可用于6吋（15cm）板宽,且可冲切.据说在1KHz10Ghz的频率范围内，对电场电磁干扰的屏蔽效能为90dB。6、衬垫的选择、衬垫的选择由于衬垫种类和材料的数量太多（远远超过1000种），所以在特定应用中选择那一种或多种最佳衬垫会令设计师感到迷惑。表2.4对电磁干扰密封衬垫中某些最主要特性进行了比较。在选择电磁干扰衬垫时，应考虑（1）可获得的电磁干扰衬垫材料及其特性（表2.4）；（2）设备性能要求和受限制的配合表面设计之间作适当匹配和折中；（3）衬垫安装的选择，将涉及到许多可供选择的方案。建议的方针是：每当产生屏蔽要求时，总要找出一种能在需要密封的接缝和孔洞处获得具有电连续性高导电率表面或通道的最佳费效比的技术途径。