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EMC实用技术基础知识培训 什么是电磁兼容性问题 电磁兼容问题可以分为两类 一类是电子电路 设备 系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰 使其达不到预期技术指标 如装于机壳 内的由微处理器构成的控制电路受到装在同一个机壳内的马达的干扰的问题 另一类电磁兼容问题 设备虽然没有直接受到干扰的影响 仍达不到规定的功能性指标 但不能通过国家的电磁兼容标准 如手机等设备产生超过电磁发射标准规定的极限值 或在电磁敏感度 静电敏感度等方面达不到要求 一般论述 传导干扰 是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接 干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元 传导干扰经常会影响设备的电源 这可以通过滤波器来控制 辐射干扰 当一个器件发射的能量 通常是射频能量 通过空间到达敏感器时 干扰源 既可以是受干扰系统中的一部分 也可以是完全电气隔离的单元 辐射干扰能影响设备中的任何信号路径 其屏蔽有较大难度 辐射电磁能量干扰 机理可以由法拉第定律来解释 这个定律表明当一个变化的电场作用于一个导体时 在这个导体上会感应出电流 这个电流与工作电流无关 但是电路会象与工作电流一样来接收这个电流并发生响应 换句话说 随机的射频信号能够使设备 接收机 性能恶化 大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限 而它们精细的几何尺寸的较低的电平下就受到电弧损坏 降低了电磁干扰的阈值 它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲 这会带来从 端口产生宽带发射的问题 一般来说 高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰 电磁兼容的技术 使设备达到电磁兼容状态的技术有哪些 为了使设备或系统达到电磁兼容状态 通常应用印制电路板设计 屏蔽机壳 电源线滤波 信号线滤波 接地 电缆设计等技术 做电磁兼容设计时有那些文献资源可以利用 国外在电磁兼容设计方面有许多手册可以参考 国内除了一些国外设计规范的中文译本外 还有 电磁兼容工程设计手册 如果要系统地学习电磁兼容知识 可以参考 电磁兼容原理 另外北京瑞特电子技术公司编辑的 电磁兼容与电磁干扰抑制技术 刊物 提供了实用而新颖的内容 手机电磁兼容的要求 YD1169 1 2001800MHzCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法第一部分 移动台及其辅助设备GB T17626 2 1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB T17626 3 1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验GB T17626 4 1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB T17626 5 1998电磁兼容试验和测量技术浪涌 冲击 抗扰度试验GB T17626 6 1998电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度试验GB T17626 11 1998电磁兼容试验和测量技术电压暂降 短时中断和电压变化的抗扰度试验ISO7637 1 1990 车辆传导和耦合的电气骚扰第一部分带有12V额定电压电源的客车和小型商用交通工具仅沿电源线的瞬态传导ISO7637 2 1990 车辆传导和耦合的电气骚扰第二部分带有24V额定电压电源的客车和商用交通工具仅沿电源线的瞬态传导 电磁兼容指标测试的方法 现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在 m m或 m处规定的 为了测试设备是否满足这些标准 需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地 测试场地的背景电磁能量大大低于测试范围 被测设备所处的状态必须与实际使用状态相同 接口与适当的外设连接 被测系统要放在转台上 这样可以通过旋转来找到最大辐射信号 转台与天线放在同一个地面上 这样就可以测量系统工作时的辐射了 开阔测试 这种测试也可以在半无反射室中进行 但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的 大多数辐射测试是在开阔场中进行 开阔场是精心选择的 其电磁背景很低 周围没有反射物 如建筑物 图 是开阔场的示意图 屏蔽盒测试 为了获得不同材料的屏蔽效能 采用一些其它的测试方法 屏蔽盒是最先开发的方法之一 在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置如图 所示 这个盒子上有一个方形的开口 将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小 屏蔽室测试 屏蔽室内有信号发生器和发射天线 被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上 记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强 这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值 纯铜板可以用来作为参考值 图 所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度 并且拓宽测量的频率范围 屏蔽原理1 电磁波理是经典的理论 麦克斯威尔 法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场和磁场的基本方程式 然而 对实际中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式 电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达 这些方程式在屏蔽的设计中广泛应用 有许多因素会影响电磁能量源周围的场 源的种类赋予了场一些特征 如辐射幅度 距离源的距离和电磁波传输的媒介的特性都会影响场与屏蔽之间的相互作用 在电磁屏蔽中 波阻抗Zw是联系这些参数的有用的概念 波阻抗定义为电场E与磁场H的比值 源上的驱动电压决定了干扰的特性 例如 环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应 结果是在天线附近产生较小的电场和较大的磁场 具有较低的波阻抗 另一方面 四分之一波长的距离上 所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特征阻抗 377欧姆 这时 称为平面波 作为参考 1MHz的波长是300m 屏蔽的原理2 按照到源的距离 电磁波可以进一步分为两种 近场和远场 两种场的分界以波长 除以2 的距离为分界点 2 附近的区域称为过渡区 源与过渡区是近场 超过这点为远场 近场波的特性主要由源特性决定 而远场波的特性由传播媒介决定 如果源是大电流 低电压 则在的近场以磁场波为主 高电压 小电流的源产生电场为主的波 在设计屏蔽控制辐射时 这个概念十分有用 由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级 相对于屏蔽电磁波为近场的情况 在远场 电场和磁场都变为平面波 即 波阻抗等于自由空间的特性阻抗 屏蔽的原理3 用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波 反过来 用能将电磁波中电矢量短路的高导电性金属能够屏蔽电场波和平面波 入射波的波阻抗与屏蔽体的表面阻抗相差越大 屏蔽体反射的能量越多 因此 一块高导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小 对于任何电磁干扰 屏蔽作用由三种机理构成 入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射 另一部分被吸收 还有一部分在后表面反射 如图1 7所示 对于任何电磁干扰 屏蔽作用由三种机理构成 入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射 另一部分被吸收 还有一部分在后表面反射 如图1 7所示 屏蔽效能 电磁屏蔽的效果如何评价 屏蔽体的有效性用屏蔽效能 来表示 屏蔽效能的定义为 lg E1 E2 dB式中 是没有屏蔽体时测得的场强 是有屏蔽体时测得的场强 屏蔽效能与场强衰减的关系如表 屏蔽效能与场强衰减的关系屏蔽效能越高 每增加 的难度越大 民用设备的机箱一般仅需要 左右的屏蔽效能 而军用设备的机箱一般需要 以上的屏蔽效能 屏蔽的原理4 屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R 加上多次反射修正因子B 所有因子都以dB表示 SE A R B表1 10和表1 11给出了不同的屏蔽效能 吸收损耗的计算公式如下 A 1 13t式中 t 屏蔽厚度 cm r 屏蔽材料的相对导磁率 r 屏蔽材料的相对导电率 f 频率 Hz 由于吸收主要由屏蔽厚度产生的 吸收因子对所有类型的电磁波都一样 与近场还是远场无关 以下是计算平面后反射损耗的公式 等于电场波和磁场波有类似的公式 R 168101g rf r dB 屏蔽的原理5 如果吸收因子6dB以上 多次反射因子B可以忽略 仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时 B才是重要的 在设计磁屏蔽时 特别是14KHz以下时 除了吸收损耗外 其它因素都可以忽略 同样 在设计电场或平面波屏蔽时 只考虑反射因子 表1 12给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率 开口效应当一束电磁波碰到屏蔽体时 在表面上感应出电流 屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大地 如果在电流的路径上有开口 电流受到扰动要绕过开口 较长的电流路径带来附加阻抗 因此在开口上有电压降 这个电压在开口上感应出电场并产生辐射 当开口的长度达到 4时 就变成效率很高的辐射体 能够将整个屏蔽体接收到的能量通过开口发射出去 为了限制开口效应 一般的规则是 如果屏蔽体的屏蔽效能要达到60dB 开口长度在感兴趣的最高频率处不能超过0 01 每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理 值得指出的是 材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的 相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因素 信号强度的衰减与屏蔽衰减极限值的判定 表1 10信号强度的衰减 表1 11屏蔽衰减极限值 用于屏蔽的金属电导率 r 相对磁导率 r特性 表1 12用于屏蔽的金属特性 表1 12用于屏蔽的金属特性 表1 12用于屏蔽的金属特性 1 干扰场 干扰能量沿着导线和自由空间传播 因此它成为与线路有关的干扰电压和辐射干扰场强 所传播的各种干扰都存在一定的频率范围 低于30MHz的低频干扰 主要是在导线中传播 这种干扰不能靠简单的屏蔽机壳来防止 而只能用适当的线路滤波器来保护有用信号不受损害 更高频率的干扰 30MHz 与导线的辐射有关 因为这时导线尺寸可以和波长相比拟 就电磁波而论 电场强度E和磁场强度H是由一定的关系或联系在一起的 通常是将电场分量和磁场分量分别屏蔽 在相应的频率范围中符合一定的规则 在约1MHz以下的较低频率范围内 平行于导体壁的电力线是连续的 这里 频率的影响取决于所用屏蔽材料的壁厚和导磁率 在1MHz至100MHz的频率范围内 屏蔽柜内受干扰影响的部位包括 前面板的连接面 门或窗以及引入的主要部件 这时电力线不再保证全部是连续的 从约100MHz频率开始 电场屏蔽效能将逐渐减小 而磁场屏蔽效能则不再增加 对于100MHz以上频率范围 所传播的波的电场和磁场分量应当认为是相等的 均匀平面波的屏蔽取决于各自分量在屏蔽材料表面的集肤效应 屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗 2 RFI EMI传输的含意 RFI EMI可以通过传导 耦合或辐射离开干扰源或进入敏感设备 在设备的一部分和另一部分之间 如电源和附近的电路之间 或在两个分开的设备之间 都会产生干扰 传导RFI EMI可以通过信号线 天线馈线 电源线 甚至通过RFI EMI敏感设备之间的接地线进行传导 耦合EFI EMI可以在具有某些互阻抗的元件 电路或设备之间耦合 通过这种互阻抗 一个电路中的电流或电压能在另一电路中引起电流或电压 互阻抗可以是电导 电容或电感 或者是它们的任意组合 辐射RFI EMI可以通过任何一种设备机壳的开口 通风孔 出入口 电缆 测量孔 门框 舱盖 抽屉和面板 以及机壳的非理想连接面等进行辐射 RFI EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射 任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器 如何进行屏蔽 将从敏感设备防护外来电磁波的观点来考虑屏蔽 有效的屏蔽对设备自射产生的电磁波也同样有效 它可以防止自身产生的电磁波对其它设备造成危险 对于已有标准来说 屏蔽的后一个目的特别重要 当电磁波在导电体内引起感应电流时 如果该导电体是由良好导体制成 此电流不会穿透该导电体 如果敏感设备封闭在一个较大的导电体内 例如在铜制机柜内 就能产生有交的屏蔽 然而 应当明白 电磁波所感应的电流不应传导至屏蔽体的内部 这样的电流才是允许的 否则 该电流就有可能传导至设备或通过电磁波到达设备 在屏蔽体外抑制该电流和电磁波是屏蔽外部干扰的实质 电磁波感应的电流沿着电阻最小的路径并绕着无缝金属机壳外表面运行 但遇到任何一个连接面时 该电流宁愿绕过一个面进入内部而不越过窄缝隙到达另一个面 如图2 1所示 围绕金属机壳的电流路径 电源围绕金属机壳运行电流在机壳内表面运行机壳 盖板截面图 因此 用钢制机柜进行屏蔽时 由于能为所有连接面提供一条由一个面至另一个面的高导电路径 所以电流仍保持在机箱外侧 这种导电路径是用特殊的衬垫和在连接表面进行导电涂敷而建立的 导电衬垫将在另外两章中详细讨论 导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低 它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系 对于较低频率或较长波长来说 如果只有一个小孔则不会明显降低屏蔽效能 对于高频或较短波长来说 屏蔽效能的下降将是很剧烈的 举一个例子 屏蔽体上如果有一个直径为15mm的孔洞 对于10MHz信号 波长为30m 来说 将仍然能提供60dB屏蔽效能 但对于1GHz信号 波长为30mm 来说 若要保持同样的屏蔽效能 则孔径不能超过0 15mm 直径为15mm的孔对于1GHz信号只能提供20dB衰减 RFI EMI能量 如果不止一个孔洞 而且孔距小于信号半波长时 屏蔽效能将进一步降低 如果高频信号波长时 屏蔽效能将进一步降低 如果高频信号要求足够的衰减 则不应采用为了通风目的的孔洞 图2 2表示RFI EMI能量是如何通过吸收 反射和传导而耗散的 屏蔽效能及其产生的衰减与频率 源与屏蔽体的距离 屏蔽体的厚度以及屏蔽材料等有关 由于增加了对RFI EMI能量的反射和吸收的总和 使所传输的电磁能量减小 屏蔽的内容 屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰 采用屏蔽的目的有两个 一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域 二是防止外来的辐射进入某一区域 屏蔽按其机理可分为电场屏蔽 磁场屏蔽和电磁场屏蔽 电场屏蔽的原理 C1 电场屏蔽的设计要点 为了获得良好的电场屏蔽效果 注意以下几点是必要的 1 屏蔽板以靠近受保护物为好 而且屏蔽板的接地必须良好 此举目的是增大C4的值 2 屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响 例如 全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果 而开孔或带缝隙的屏蔽盒 其屏蔽效能都会受到不同程度的影响 此举主要是影响剩余电容C1 的值 3 屏蔽板的材料以良导体为好 但对厚度并无要求 只要有足够强度就可以了 磁场屏蔽的机理 磁场屏蔽通常是对直流或甚低频磁场的屏蔽 其效果比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多 因此磁场屏蔽是个棘手的问题 磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻 对磁通起着分路的作用 使得屏蔽体内部的磁场大大减弱 磁场屏蔽的设计要点 提高磁场屏蔽效能的主要措施有 1 选用高导磁率的材料 如坡莫合金 2 增加屏蔽体的壁厚 以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻 1 被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上 以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通 2 注意磁屏蔽体的结构设计 凡接缝 通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻 从而降低屏蔽效果 为此 可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布 这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小 磁场屏蔽的设计要点 续 对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构 对要屏蔽外部强磁场的 则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料 如硅钢等 而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料 如坡莫合金等 反之 如果要屏蔽内部强磁场时 则材料排列次序要倒过来 在安装内外两层屏蔽体时 要注意彼此间的磁绝缘 当没有接地要求时 可用绝缘材料做支撑件 若需要接地时 可选用非铁磁材料 如铜 铝 做支撑件 但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发 一般还是要接地的 电磁场屏蔽的机理 电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式 电磁场屏蔽的机理 续 与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同 电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理 当电磁波在到达屏蔽体表面时 由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续 对入射波产生的反射 这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度 只要求交界面上的不连续 未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量 在体内向前传播的过程中 被屏蔽材料所衰减 这种物理过程被称为吸收 在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量 传到材料的另一表面时 在遇到金属与空气不连续的交界面时 会形成再次反射 并重新返回屏蔽体内 这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射 屏蔽材料 哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一个相当复杂的问题 很明显这种材料必须具有良好的导导性 所以未处理过的塑料是无用的 因为电磁波能直接通过它 当然 可以采用金属 然而 应当记住 不能只考虑导电性 其理由就在于 电磁波不但有电场分量 还有磁场分量 要知道高导磁率和高导电率同样重要 高导磁率的意思就是磁力线的高导通性 钢是一种良导体 而磁导率的量级也会令人满意 它也是相对廉价并能提供很大机械强度的材料 所以有理由利用钢材 廉价的获得满意的屏蔽效能 应当注意 低频电磁波比高频电磁波有更高的磁场分量 因此 对于非常低的干扰频率 屏蔽材料的导磁率远比高频时更为重要 用于屏蔽外场直接耦合的机壳或机柜的材料是很重要的 由于是高反射屏蔽 通常采用提供电场屏蔽的薄导电材料 对于30MHz以上更高的频率 通常应主要考虑电场分量 在后一种情况下 非铁磁性材料 诸如铝或铜 能提供更好的屏蔽 因为这种材料的表面阻抗很低 屏蔽材料 具有较高导电 导磁特性的材料可以作为屏蔽材料 常用的屏蔽材料有钢板 铝板 铝箔铜板 铜箔等 随着对民用产品电磁兼容性要求的严格化 越来越多的厂家采取在塑料机壳上镀镍或铜的方法来实现屏蔽 电磁屏蔽与静电屏蔽的不同电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽 而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽 静电屏蔽要求屏蔽体必须接地 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否 而是屏蔽体导电连续性 破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝 开口等 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多 静电屏蔽举例 静电放电可通过直接传导 电容耦合和电感耦合的三种方式进入电子线路 解决接地电阻最低的问题 保护内部电路不受静电的冲击 如果缝隙点泄放电阻抗过大 静电将击穿最小阻抗点 ESD保护电路 器件 或导电喷涂电阻过大区屏蔽外壳的不连续 如有接缝 开孔 静电便能造成壳体与内部电路之间 由分布电容形成 的电位差 会在电路中产生新的电压 影响电路的正常工作 解决这种放电引起的干扰 一种是将电路完全屏蔽 另一种是在外壳与电路之间增加第二层屏蔽层 屏蔽层接到电路的公共接地点上 在导电喷涂与静电放电缝隙间的击穿 材料的屏蔽效能只与屏蔽材料关系 对于实际的屏蔽机壳 屏蔽效能在更大程序上依赖于机壳的结构 即导电连续性 机壳上的接缝 开口等都是电磁波的泄漏源 穿过机壳的电缆也是造成机壳屏蔽效能下降的主要原因 解决机壳缝隙电磁泄漏的方法是在缝隙处使用电磁密封衬垫 电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料 它能够保持缝隙处的导电连续性 机壳上开口的电磁泄漏与开口的尺寸 辐射源的特性和辐射源到开口的距离有关 通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够满足屏蔽的要求 必要时可以使用截止波导管来达到即有开口又能阻挡电磁波的目的 屏蔽机壳上绝不允许有导线直接穿过 当导线必须穿过机箱时 一定要使用适当的滤波器 或对导线进行适当的屏蔽 实际屏蔽体的屏蔽效能往往远低于屏蔽材料的屏蔽效能的原因大部分设计人员在设计屏蔽箱时是按照静电屏蔽原理进行的 只重视了机箱的接地 而忽视了机箱的导电连续性和穿过机箱导线的处理 电磁密封衬垫种类 特点 电磁密封衬垫有一个共同的特点 弹性和导电性 任何具备这个特性的材料都可以作为电磁密封衬垫使用 根据这个要求 现在有各种各样的电磁密封衬垫主要的几种如下 a 导电橡胶 在橡胶中掺入导电颗粒 使这种复合材料既具有橡胶的弹性 又具有金属的导电性 但由于要具有良好的屏蔽性能 需要在橡胶中掺入重量达 以上的导电颗粒 这已经破坏了橡胶的结构 实际的导电橡胶已经没有了纯橡胶的弹性好 拉伸强度高等特性 b 双重导电橡胶 与传统的导电橡胶的区别在于 它不是在橡胶所有部分掺入导电颗粒 而仅在橡胶的外层掺入导电颗粒 这样获得的好处是既最大限度地保持了橡胶的弹性 又保证了导电性 是一种新型的屏蔽材料 这种材料的另一个优点是价格低 c 金属编织网套 用金属丝编织成的空心网套 这种材料具有弹性和导电性 d 橡胶芯编织网套 以橡胶为芯的金属编织网套 这种材料由于以弹性很好的橡胶为芯 因此弹性很好并且很耐压 另外由于金属网套具有很好的导电性 因此这种复合材料具有很好的弹性和导电性 e 螺旋管衬垫 用不锈钢或铍铜卷成的螺旋管 具有很好的弹性 同时由于不锈钢和铍铜都是较好的导体 因此满足弹性和导电性的要求 特别是用镀锡铍铜卷成的螺旋管具有很高的导电性 是目前屏蔽效能最高的屏蔽材料 f 指形簧片 用铍铜作成的弹性簧片材料 g 定向金属导电橡胶 在橡胶中填充方向一致的金属丝 利用橡胶的弹性和金属丝的导电性 各种电磁密封衬垫的特点 什么是屏蔽胶带 它有什么用途 屏蔽胶带是由铜箔或铝箔等高导电性材料附上导电胶构成的 主要用于缝隙的屏蔽和电缆屏蔽层的端接 使用屏蔽胶带时要注意什么问题 使用屏蔽胶带时要注意用力压紧 只有这样才能使金属箔与另一部分金属实现良好电接触 达到使机箱导电连续性的目的 选择屏蔽产品时应考虑什么问题 在选择屏蔽产品时应考虑下列因素 在选择屏蔽产品时应考虑下列因素 涂层类型 由于发泡塑料易成形 并具有价廉 重量小 便于安装 抗腐蚀 外观好等优点 其应用日益增加 如果能提供有效的RFI EMI屏蔽 则用途将更广泛 通常的方法是 在塑料基底上增加一个导电涂层 就象将塑料机箱放入金属机箱一样 用于导电涂层的主要材料有银 岣和镍 银是一种高导电性材料 但还应考虑价格是否合适 然而 当用作涂料填充物时 它具有50至80dB衰减或屏蔽效能 但还取决于频率 见图2 3 银常用于军用设备 特别是需要防护EMP 电磁脉冲 的设备 铜的导电性接近银 但价格低廉 然而 铜易于氧化而使屏蔽效能受到损失 在一般环境条件下 它了不稳定 近来镍已成为主要的研制对象 它不同于铜或银那样的良导体 但由于它存在导磁性 能吸收较多的EMI 它还具有抗腐蚀的性质 而且成本较低 锌在火焰喷涂中用作主要媒质 具有屏蔽和抗腐蚀性质 但它用作导电涂层并不多见 而且市场进展也较慢 由于石墨仅能提供20dB衰减 而且主要用于敏感集成电路的静电防护 所以一般也不同作导电涂层 1 导电漆 迄今为止 成功的导电漆都基于聚丙烯 聚氨脂 乙烯树脂或环氧树脂等衬底 导电漆都有适用期 而更重要的还有贮存期 后者典型的为6至12个月 所有这些漆都对塑料基底存在腐蚀作用 所以导电漆能穿透塑料并固定在孔缝中 九十年代的现代导电漆都有不同程度的胶粘性质 而以前由于缺乏胶粘性 经常产生导电漆剥落 甚至将印制板导电路径短路 而不完善的屏蔽所留下的缝隙将起缝隙天线的作用 所有基底表面应仔细清洁 清除油脂或其它污渍 轻度擦伤也将影响粘附力 银漆 银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上 甚至可用于木质表面上 它有良好的抗磨损特性和可焊接性 银乙烯基是典型的简单组合系统 它在环境温度中约20min便可干燥 再过20或30min 便可进行下一次涂敷 直到20h以后 化学反应完成之前 尚未达到最大的导电率 银乙烯基的表面电阻率可达到约0 01 而干燥膜厚度为0 025mm 每升银漆可提供理论覆盖面积为8 5m2 实际上 由于过喷 约10 银漆被浪费 银聚胺脂涂层 通常是两部分组成的系统 其重量的55 左右为纯金属银薄片或球 对于所有导电漆 通常采用的喷枪的压力为6 10和35 55磅 平方英寸 压力设备中 空气搅拌器是防止银颗粒沉淀的重要设备 镍漆 镍通常与聚丙烯组成镍漆 理想情况下以ABS 聚苯乙烯 聚碳酸酯为衬底 在喷涂之前 对人造橡胶复盖的表面和玻璃加强的塑料应当轻轻研麻 对于聚丙烯成分 在20 条件下的干燥时间为30min 若需第二次喷涂则还需进一步干燥30min后进行 经过120h后达到完全导电 获得表面电阻率优于1 5 通常 干燥薄膜厚度规定为0 050mm 所以喷漆室内应设厚度精确测量设备 如果喷得太厚 则费用太高 喷得太薄 则达不到足够的屏蔽性能 在衬底的转角处喷漆承包商了解有关厚度的规定 以及确定不同厚度的位置都很重要的 如果衬底用聚丙烯 而且设计成比规定值更薄 可用作更灵敏的热塑性料衬底 聚氨酯适用于复盖热固化和聚合物交联塑料 如复盖人造橡胶海棉 Noryl和GRP 聚氨酯漆做衬底再涂敷颜料 固化剂和稀料的混合物 典型的混合比是6 1 1 而且必须达到一定的精确度 如果能产生全部化学反应 则最终的干燥膜就具有应有的全部性质 干燥膜中镍粉的重量至少占80 才能得到最佳屏蔽 金属颗粒远多于84 时 将使胶粘性和衬底的机械性质变差 当不知道是那一种漆时 可取少量漆涂敷基底的一个小的试验面积 并检验它在环境应力下的破碎情况 铜漆 底漆 铜漆为开发有效的铜填充导电涂层进行了各种试验 但由于腐蚀而得不到广泛使用 要克服这个问题 只能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层 但结果在另一种工作条件下将更容易失效 底漆导电漆的性质一般都与基底材料不相容 特别是在胶的物质中更是这样 所以要用专门的底漆 底漆将与塑料基底胶粘在一起 而漆的化学连接本身将转化为层间或与底漆的连接 底漆也用于当所选导电漆与基底化学不相容的情况中 导电环氧树脂 前面关于导电漆的讨论 主要集中在涂层的塑料基底上 但有时却令人信服的将导电漆用于金属表面 通常 该体系是基于聚丙烯 聚氨酯 乙烯基等 当应用于金属时 它们并不显示出良好的胶粘性 解决的方法是采用粘稠环氧系列材料 它能搀入镍或银 金属表面进行导电涂敷 可以改进它们的电化学腐蚀性质 特别是相应的导电衬垫与金属接触时 另一方面 金属可以要求装饰性涂敷 但通常的电绝缘涂层应当从衬垫和应屏蔽区域的接触面除掉 更容易的办法是对与同样材料进行整个金属加工后 涂敷导电漆进一步应用时 应当改进带有镍或银薄层的基体金属或合金的屏蔽特性 此填充物通常用于环氧树脂系列 特别是当用于铝部件时 镍显著改进表面电导率 聚乙二烯氟化物和玻璃增强尼龙风扇叶片实际上不能用聚丙烯 聚氨酯或乙烯基油漆系列和导电环氧系列和导电环氧系列涂敷 镍环氧漆通常由三个系列组成 即衬底 较薄和较硬三类 当全部处理完毕后 能得到0 025mm厚干燥膜优于5 的表面电阻率和40至50dB屏蔽效能 这种漆能提供极好的冲击阻尼和良好的胶粘性 特别是与低碳钢 铝 铬酸铝有很好的粘着力 镍涂层填充物 导电漆如此方便 如果成本能进一步降低 则它将拥有一个很大的市场 镍可用于涂敷各种价廉的颗粒材料 它具有镍的表面性质 而同时具有基底材料的某些性质 镍涂敷的所有材料中 石墨是具有最大潜力的一种 它机械性能好 化学稳定 而且固有导电性 也较便宜 比重低等优点 其结果是涂敷的颗粒具有比纯镍更低的密度 进一步降低了成本 实际上 涂敷于石墨上的镍的总量或市场上买得到的涂镍颗粒所具有的镍的重量约占总重量的25 85 因为两种材料的密度不同 需要涂敷足够的镍 达到完全复盖石墨 然而 实际上并没有完全复盖 只能有部分颗粒被复盖 例如25 镍一石墨颗粒 这种颗粒能用来生产石墨和纯镍之间具有屏蔽性质的涂敷中间体 涂敷颗粒的主要优点是它的总体密度较低 要使填充物较轻 需要提供系统中材料的等效体积 然而 镍涂敷石墨是新开发的产品 尚未完全发挥它的潜力 用镍涂敷的其它导电漆的填料包括铝 玻璃和某些氧化物 碳化物和络钢碳化物 银涂层填充物 比镍涂敷颗粒更重要的是需要寻找降低纯银导电漆系列成本的途径 如果射频只在导体的外表面传导 颗料内部的银是无用的 这种集肤效应约在导体表面1 in左右 具有壁厚为1 in的空芯银颗粒就可以了 去掉无用的银之后 既显著降低了成本 也大大减轻了重量 将空芯银颗粒用作涂敷填充物 其颗粒的理想形状应使单位表面积包围的体积最大 这样 可用最少的银涂敷任一单位体积 因此 这个理想的形状就是球 球形颗粒还具有另外一些优点 便于喷涂 对射频能量为各向同性 并提供浓度连续的封装安排 能填充约70 的涂层体积 银涂敷在直径约为50 m的空芯或实芯陶瓷或玻璃微球上 空芯颗粒用于优先考虑重量的导电漆中 我们知道 球形体抗均衡压力的能力最旨 而实芯是完全不必要的 因为这将增加不需要的重量和费用 用于涂敷时 重量是很重要的 如果重颗粒在液态导电漆中快速沉淀 形成较硬的沉淀物后就很难扩散或保持分散状态 过重的颗粒还会在管道中沉淀 不仅会引起新的涂层下垂和流动 而且还可能分开 而引起小的未屏蔽的区域 化学镀 化学镀或自动催化镀是化学镀覆均匀的固态金属涂层 它将减小零件表面的微电池反应 塑料的化学镀处理是在非导电塑料基材上产生薄金属涂层 通常选用复合镀 即镀铜 高导电性 再镀镍 防锈 化学镀铜本质上是纯铜镀覆 而化学镀镍可包含 磷 在塑料镀的基本过程中 模压塑料机壳总是浸泡在一系列化学处理溶液中 由三个主要处理步骤组成 即预处理 催化处理和化学镀处理 化学镀的预处理包括溶解过程的改善 对于所有塑料则不需这一过程 还有酸洗和中和 这些溶液被配成能在塑料表面产生微观孔穴 可为化学镀金属涂覆提供粘附点 催化是由超微金属把颗粒对塑料基板被酸洗后的微孔上的稀释溶液进行吸收而获得的 最后 将酸洗后的塑料部件浸泡在化学镀槽中 把颗粒的吸收作用使从溶液至金属涂覆塑料表面的金属离子减少 从而完成化学镀 这将产生一个模压式全密封箔壳并相应于双侧塑料镀处理 各种类型和级别的聚合物可以用这种方法进行化学镀 但每种聚合物的估量和模压类型是很重要的 因为同一种聚合物的不同级别的化学反应可以在很大范围内变化 塑料制品双侧和单侧镀处理都能使屏蔽效能增加而提供更大的衰减 通过自动处理对所有内外表面及凹进部分进行化学镀 以避免人工操作时 视觉上出现的问题 由于化学镀铜是一种纯金属涂层 而没有粘结剂 填充物 氧化物和吸附气体等电镀涂层所附有的物质 一个 微米的极薄的镀覆可以提供约 d 屏蔽效能 铜可以在很宽频率范围内提供 至 d 屏蔽效能 而这种处理为保证可重复性和均匀的屏蔽效果提供了可能性 而且 大量生产时重要的是如何合理地降低成本 但这种处理方法的成本是镍导电漆系列用于少量未镀件时所无法比拟的 这种处理的优点是 对于所选金属给定的重量 实芯全金属箔能提供最佳的导电性 屏蔽 铜箔可在很宽的频率范围内提供屏蔽 所提供的电镀液能自由流动并湿润元件表面 使涂层均匀 可在全部镀层表面得到恒定的屏蔽衰减 它能简单快速的用于复杂的 大型或小型的部件 特别适用于大体积部件 与基体有极好的胶粘性 保证不会破碎或剥落 塑料制品双侧和单侧镀处理都能使屏蔽效能增加而提供更大的衰减 通过自动处理对所有内外表面及凹进部分进行化学镀 以避免人工操作时 视觉上出现的问题 由于化学镀铜是一种纯金属涂层 而没有粘结剂 填充物 氧化物和吸附气体等电镀涂层所附有的物质 一个 微米的极薄的镀覆可以提供约 d 屏蔽效能 铜可以在很宽频率范围内提供 至 d 屏蔽效能 而这种处理为保证可重复性和均匀的屏蔽效果提供了可能性 而且 大量生产时重要的是如何合理地降低成本 但这种处理方法的成本是镍导电漆系列用于少量未镀件时所无法比拟的 火焰喷涂 金属电弧喷涂 通常用来镀锌 已是很流行的方法 特别是在商用方面 它比导电漆和箔屏蔽更有效 厚度为 m时 具有 d 的屏蔽效能 对于更厚的度层将有更大的衰减 然而 它的应用会受到环境的侵蚀 涂层的均匀性不定期取决于操作者的技巧 而且由于涂层相当薄 韧性低 使塑料变得很容易损坏 此项技术涉及在两条金属导线之间产生电弧 将金属汽化后 利用空气吹在塑料基体上 当熔融金属的粒子撞击塑料表面时 它们展平和冷却后 形成连续的金属薄膜 锌是常用的金属 用于 屏蔽目的 由专门的子承包工厂用专用设备进行 虽然这项技术是最早的屏蔽方法之一 便它的应用受到粘着性和温度这两个内部相关的因素的限制 锌与塑料的连接纯粹是一种由金属粒子撞击所引起的机械连接 如果电弧枪离塑料部件太远 金属粒子就没有足够的能量保证适当的粘着性 然而 枪如果离塑料部件太近 金属冷却时的热耗散 将足以使塑料变形 在面对枪的一侧 锌涂覆的薄膜相当厚 对于大部分应用都能提供有用的屏蔽效能和低电阻率锌是除银以外 在塑料上获得商用屏蔽涂层 最常用的导体之一 例如 电弧喷锌的电阻率仅为镍的几分之一 在许多情况下 适当的屏蔽能产生 d 衰减 如果采用电弧喷锌 这是很容易做到的 它提供的衰减范围可达 dB 装入喷枪的锌为 纯度 而喷涂的结果 金属与任何粘结料或其它运载物无关 锌镀层具有韧性和抗腐蚀性质 衰减可达 d 真空金属化 真空金属化将提纯的金属沉积在塑料部件上 其主要优点是美观和显著的屏蔽性质 所用的金属为铝 最常用 锌 铜 钢 镍和银 涂层为 m厚 且相当均匀 尼龙 聚芳基化物 聚酯很适合进行这种处理 而丙烯睛 丁二烯 苯乙烯三元共聚物 聚苯乙烯和聚碳酸酯也能被金属化 然而 粘接性和耐久性却不如其它技术 许多材料 特别是聚芳基化物 需要在镀覆之前先做基础涂层 还有许多材料需要一个外部涂层作打底和抗紫外线 真空金属化小室的费用较贵 其尺寸大小将限制需要镀覆的部件的数量 而且保证平滑的金属涂层所用的夹具也将占用小室的空间 当希望良好的装饰漆能在低频范围同时得到良好的屏蔽性能时 夹具的初始成本将很高 不锈钢的铜夹芯涂层是常用的组合 能给出上至 d 抗扰度 并具有抗腐蚀性 通常 真空镀覆的涂层是均匀的 不影响塑料的冲击强度 也不影响其内部公差 这种处理能提供涂层的最佳选择 能屏蔽某些产品的重要区域而堵塞穿孔 这种处理能用于聚光灯反射器 特种封装 底部封装和镜面 与用于 屏蔽目的相比 更适宜于用于这个目的 涂层的代用技术 导电填充塑料近几年来 为发展导电填充物作出了许多尝试和努力 这种导电填充物将在不损伤塑料的机械性质的情况下提供屏蔽性能 为了具有竞争力 所使用的材料必须比前述导电涂层技术中所用的材料价格低廉 并能提供 防护 导电聚合物模压元件能提供物理性能坚固的机壳 它能使设备受到冲击时得到防护 而且当受到磨损或物理损伤时 不致象喷涂涂层那样 会使 屏蔽受到损害 设备制造者也因导电涂层不必抛光而从降低成本中得到好处 不同材料被用作塑料中的导电填充物 包括铝粉和纤维 石墨 不锈钢 镍粉和涂银玻璃珠 胶箔和胶带有时需要改变形状 则可采用背胶金属箔 它主要用于塑料表面 以提供屏蔽 通常 柔软的箔或带是用铜或铝制成的 可以用于机壳的内表面 然而 此项技术存在两个固有的问题如下 生产是基于手工在基体易损的表面上安放箔片 由基体至基体很少有完全相同的 特别是覆盖复杂的圆角 在一些部件上 需要在箔片之间进行重叠 这就很可能留下缝隙而成为缝隙天线 所采用的背胶常常是非导电的 它将在重叠的胶带或箔片之间形成电阻层 不用置疑 在 环境中 对于 实验室鉴定 导电箔是一种有用的助手 可用于改进在 测试中失败的产品 并提高它们的性能 虽然不能被认为是一种理想的生产技术 但 合金和其它软磁合金箔带是很有用的 尽管这些镍铁型合金有加工硬化的性质 如果应用适当 它们在磁场中能提供有用的屏蔽效能 并能很容易地将金属组件 部件附加在塑料模压件上 如果仔细地用在适当设计的部件上 则不需要对镍铁带或箔片重新进行热处理 但如果应用此技术需要箔有一定的形变 则还需进行热处理提高导磁性质 涂 编织丝网衬垫 机壳 机柜或机箱材料 无论是塑料喷涂导电漆的 还是用全金属的 在其上都有密封要求 在接头和缝隙处 导电衬垫是补救屏蔽裙带性 图 1 被破坏的方法之一 这是对 屏蔽的非永久性的措施 例如门的密封 面板与机壳 机柜工机箱间的密封 以及与其它设备壳体间的密封 还有一种较永久性的密封 这包括 设备上安装蜂窝板和其它屏蔽通风板 设备上安装透明的导电窗 用自攻螺丝 螺检栓或其它紧固方法 把金属面板固定于金属框架上 低阻接触 如果沿机箱周围的导电路径的连续性遭到破坏 例如加盖板 图 时 妨碍了电流的流动 因为盖板和机箱仅在几处点接触 而且在这些点处又不可能有低阻接触 细缝隙的作用就象有效的缝隙天线一样 能接收和传输电磁信号 在所有频率 四分之一波长小于缝隙长度 上 有 潜在的危险性 如果要保证好的屏蔽 必须在机箱和盖板之间是低阻接触 而且接触处应是连续的 此外 为有效实现屏蔽 在邻近接触点之间的间隔要小 图3 2金属机箱 衬垫的电连续性 a 感应电流的路径 b 由于盖板 导电连续性被破坏 c 由衬垫重新建立导电路径的连续性 编织丝网衬垫典型性能数据 编织衬垫的类型 全编织丝网衬垫全编织丝网衬垫是一种弹性衬垫 它可以理想地用于 屏蔽机箱和屏蔽室门 通常其横截面包括矩形 圆形以及带边的圆形 或 型 等 带边的衬垫将在另一节中介绍 表 表示全金属或全编织丝网衬垫的典型性能数据 图 表示各种衬垫的弹性数据 橡胶芯编织丝网衬垫在这种结构中 编织丝网套在一个硅橡胶管上 提供一种高弹性 半全天候的 衬垫 橡胶芯编织丝网衬垫将全编织丝网 弹性和导电性 的特性和硅橡胶的特性结合在一起 对于金属机壳和浇铸的或机械的表面都是理想的衬垫材料 硅橡胶管可提供抗灰尘 雨和空气的密封 为了改进 屏蔽 可以增加一层编织丝网 这些衬垫能用和全金属衬垫相同的方法固定在给定位置上 圆形带边的截面是常用的结构 化学镀屏蔽效能测试数据 滤波器EMI的使用 几种EMI滤波器原理