第四章屏蔽概要课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,E,M,C,-4,1,电磁屏蔽技术,研究生学位课电磁兼容,（,4,）,2,主要内容,概 述,电场屏蔽,低频磁场屏蔽,高频磁场屏蔽,电磁屏蔽,3,概 述,屏蔽类型,：,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,。,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,电场屏蔽,静电场的屏蔽,主动屏蔽（对噪声源的屏蔽）,:,被动屏蔽（对敏感设备的屏蔽）,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：,1.,完整的导体，,2.,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可以用它们之间的,耦合电容,进行描述，低频交变电场的屏蔽可采用,电路理论,加以解释。,直观、方便,。,干扰电压（场）与 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。,增大骚扰源与接受器之间距离，或利用,金属,板接地抑制干扰。,6,利用,金属板接地抑制干扰,接地金属屏蔽体,接地,金属板切断干扰途径。如不接地则可能产生更严重的干扰。,无论是静电场或交变电场，屏蔽的必要条件是金属体,接地,。,7,低频：,100 kHz,以下,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,H,1,R,0,R,m,H,0,H,0,R,m,H,1,R,0,磁路方程,磁力线集中在其内部,(,R,m,),通过,H,2,H,2,8,结论：,磁导率越高、截面积越大，则磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，在空气中的漏磁通就大大减少。,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,),9,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,可见 铁磁材料的磁导率越大屏蔽效能越高，屏蔽层的厚度增加也会加大屏蔽效能。但是增加屏蔽层的厚度的做法并不经济。,最好采用多层屏蔽的方法？,静磁场屏蔽,10,法拉第电磁感应定律，楞次定律，,高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体（铜、铝）,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对于原骚扰磁场的排斥作用，抑制或抵消屏蔽体外的磁场。,另一种解释，趋肤效应热损耗,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。,H,0,11,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，涡流的大小直接影响屏蔽效果。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。所以高频磁屏蔽材料需用良导体。,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,),很大，导磁率明显下降。铁磁材料的屏蔽不适用于高频磁场屏蔽。,屏蔽盒上缝的方向必须顺着涡流方向并且要尽可能地缩小缝的宽度。如果开缝 切断了涡流的通路则将大大影响金属盒的屏蔽效果。,12,屏蔽体和线圈的等效电路,涡流,当 （高频）时，,当 （低频）时,低频时涡流很小，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,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。,i,s,频率,M,/,L,Rs/L,13,电磁屏蔽,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。,电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽,(10kHz 40GHz),。,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很大差别。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。,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,屏蔽机理,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。,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。,透射入金属板内继续传播，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,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。电磁波衰减的第三种机理，称为,多次反射修正因子,，用,B,表示。,15,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,吸收损耗,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,),16,屏 蔽 效 能,屏蔽前场强,E,1,H,1,屏蔽后场强,E,2,，,H,2,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 (,E,1,/ E,2,), SH = 20 lg (,H,1,/ H,2,) dB,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,17,实心材料屏蔽效能,R,A,B,入射,场强,距离,吸收损耗,A,R1,R2,SE,R,1,R,2,A,B,B,透,射,泄漏,R,反射损耗,A,吸收,损耗,B,多次反射修正因子,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,A,R,1,R,2,18,波阻抗的概念,（,前述,）,377,波阻抗,电场为主,E, 1/ r,3,H 1 / r,2,磁场为主,H, 1/ r,3,E 1/ r,2,平面波,E, 1/ r H 1/ r,/ 2,到观测点距离,r,E/H,距离小于,/,时，称为近场区，大于,/,时称为远场区。,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 。,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 lg,反射损耗与波阻抗有关,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。,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。,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）。对于平面波，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,E,1,剩余电磁波,E,2,E,2,= E,1,e,-t/,A,20 lg ( E,1,/ E,2,) = 20 lg ( e,t /,),t,0.37E,0,3.34 L,f,r,r,dB,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,；,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,相对（电导率，磁导率）：,铜,（,1, 1),铝,（,0.6, 1),钢,( 0.16, 200);,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，可以忽略,对于电场波，可以忽略,反射损耗已经很大了。进入屏蔽体的能量很小,25,综合屏蔽效能,(0.5mm,铝板,),高频时,电磁波种类,的影响很小,150,250,平面波,0,0 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,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。,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。,屏蔽的难度按电场波、平面波、磁场波的顺序依次增加。,特别是频率较低的磁场，很难屏蔽。,26,怎样屏蔽低频磁场？,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：,采用高导磁率材料，,减少,磁阻。,H,1,27,磁屏蔽材料的频率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金属,镍钢,冷轧钢,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r,1,0,3,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 / H,一对矛盾,：,当要屏蔽的磁场很强时，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,解决方法：采用双层屏蔽，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。,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,没有穿过屏,蔽体的导体,屏蔽效能高的屏蔽体,不要忘记：,选择适当的屏蔽材料,你知道吗：,与屏蔽体接地与否无关,屏蔽体的完整性完整、封闭和导电的连续性是屏蔽的关键,31,实际屏蔽体的问题,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,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,l,SE = 100 20lgl 20lg f + 20lg,（,1 + 2.3lg(l/h) =,0 dB,H,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,当缝隙的长度达到,/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。,若,l, / 2,h,33,孔洞在,近场区,的屏蔽效能,在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关,若,Z,C,（,7.9/D,f,）（电场源）：,SE = 48 + 20lg Z,C, 20lg,l f,+ 20lg ( 1 + 2.3lg (l/h) ),若,Z,C,小于（,7.9/D,f,）（磁场源）,SE = 20lg ( D/l) + 20lg (1 + 2.3lg (l/h) ),Z,C,=,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,）,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：对于磁场源，屏效与频率无关！危害更大！）,D,l,h,34,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：,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,。,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,作用可能相反，整体上，,高频时,电磁泄漏较大,35,缝隙的处理,电磁密封衬垫,缝隙,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,金属丝网衬垫,导电橡胶,指形簧片,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,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,需要环境密封和很高屏蔽效能的场合,多重导电橡胶,弹性好 ，价格低， 可以提供环境密封,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,f,c,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,金属管对于电磁波，具有高频容易通过、低频衰减较大的特性。这与电路中的高通滤波器十分相象。与滤波器类似，波导管的频率特性也可以用截止频率来描述，其长度比其横截面直径或最大线性尺寸至少要大三倍。常用的波导管有矩形、圆形、六角形等，它们的截止频率如下,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,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,5f,47,操作器件的处理,屏蔽体上开小孔,屏蔽体上安装截止波导管,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,滤波器,49,贯通导体的处理,50,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,51,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,52,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,53,搭接不良的机箱,V,I,航天飞行器上的搭接阻抗要小于,2.5m,!,54,搭接阻抗的测量,机柜,搭接阻抗,频率,寄生电容,导线电感,并联谐振点,V,I,Z = V / I,55,不同的搭接条,56,频率不同搭接方式不同,57,搭接点的保护,58,搭接面的腐蚀,I,IV,III,II,