电磁屏蔽分析和应用.doc

电磁兼容课程论文题目名称：电磁屏蔽技术院系名称：电子信息学院班 级：测控112学 号：201100454217学生姓名：白凡指导教师：魏平俊 2014年5月摘要:随着电子产品的广泛应用以及电磁环境污染的加重，对电磁兼容性设计的要求也越来越高，作为电磁兼容设计的主要技术之一屏蔽技术的研究也就愈显得重要。本文从电磁屏蔽技术原理出发，讨论了屏蔽体结构、屏蔽技术分类、屏蔽材料的选择以及所要遵循的原则，在电子设备实施具体的电磁屏蔽时提供了重要的依据。同时分析了电磁干扰形成的危害，介绍了工程上解决电磁干扰问题的几种常用方法。关键词：电磁屏蔽 电磁干扰 屏蔽技术Abstract:With the wide application of electronic products as well as the electromagnetic environment pollution is aggravating, more and more is also high to the requirement of electromagnetic compatibility design, as one of the main technology of emc design - shielding technology research is more important.Based on principle of electromagnetic shielding technology, this paper discusses the structure of the shield, shielding the technical classification, the selection of shielding materials and to follow the principle of the electronic equipment to implement specific provides an important basis for electromagnetic shielding.At the same time analyzes the harm of electromagnetic interference, this paper introduces the engineering several commonly used methods to solve the problem of electromagnetic interference.Keywords: Electromagnetic shielding, Electromagnetic interference, Shielding technology目 录序言41 电磁干扰51.1 电磁干扰定义51.2 电磁干扰分类51.3 电磁干扰传播途径52 电磁兼容52.1电磁兼容定义及内涵52.2设计思想63 电磁屏蔽63.1屏蔽原理73.2电屏蔽73.3磁屏蔽83.4电磁屏蔽83.4.1电磁屏蔽原理83.4.2电磁屏蔽设计原则9参考文献：11 序言 在人类进入信息化的时代，随着科学的进步，电子技术的发展,辐射无孔不入，电磁干扰越来越严重。所以电磁兼容设计已经成为产品设计中十分重要的一项内容。在电子设备及电子产品中,电磁干扰能量通过传导性耦合和辐射性耦合来传输。为满足电磁兼容性要求,对传导性耦合需采取滤波技术,对辐射性耦合则需采用屏蔽技术来加以抑制。电磁屏蔽已成为解决电磁兼容问题的最重要手段之一,大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。因此电磁屏蔽技术在生活中有很大的重要性。在利用电磁屏蔽技术的同时应该对其充分了解。本文详细讨论了电子设备的电磁屏蔽设计技术，系统地分析了电子设备电磁屏蔽的技术原理，屏蔽效能的计算方法，各种屏蔽材料的性能和应用场合，屏蔽的各种注意事项，孔眼的屏蔽效能的计算，屏蔽效能的检测以及特殊部位的特殊屏蔽措施。 目前，经过科研人员的不懈努力，我国在电磁屏蔽方面取得了显著成绩。据2009年新华网新闻报道：解放军列装高性能屏蔽布可应对电磁武器攻击，说我们的军队成功地研制了高性能电磁屏蔽布，目前该成果已定型列装部队，壮大了我们国家的军事力量。同年时期，华夏高科技产业创新奖评审委员会组织，对“电磁屏蔽用碳纤维复合颗粒料与复合材料的研发”项目进行了成果鉴定并通过鉴定。在生活中用到屏蔽的例子也不少见，如电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的铅皮，高压带电作业(500千伏带电作业用的屏蔽服)，汽车外的天线，有线电视信号线,在服务区怕被人打手机,又不能关机,找个金属盒子装进去,就变成了您拨打的用户不在服务区等等真是屡见不鲜。 1 电磁干扰1.1 电磁干扰定义 电磁干扰，英文名称Electromagnetic Interference，简称EMI。是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生的。1.2 电磁干扰分类 一般电磁干扰分为两大类：自然干扰与和人为干扰。自然干扰主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。人为干扰是有机电或其他人工装置产生电磁能量干扰，其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置，另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射。1.3 电磁干扰传播途径 电磁干扰的传播途径有三种：辐射、感应和传导。若干扰是由干扰源辐射的电磁波传播到被干扰部件区域所造成的，称为远场辐射干扰。当干扰源与被干扰部件距离较小时，通过空间的电磁耦合会引入被干扰部件，这种传递方式称为近场感应。干扰通过干扰源和被干扰电路之间的公共阻抗而引入被干扰电路的传递方式称为传导。总之，干扰的构成主要有三个因素：干扰源、合适的干扰途径及敏感部件。2 电磁兼容2.1电磁兼容定义及内涵 所谓电磁兼容，英文名称Electromagnetic Compatibility，简称EMC。按照国 家标准术语（GB/T4765-1995）定义为：设备或系统在其他电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不必要的电磁骚扰的能力。实质上电磁兼容包含两层意思：第一，任一电子设备或系统应具有一定的抗电磁干扰的能力，使其在电磁环境中能正常工作；第二，设备正常工作时产生的电磁干扰应抑制在一定水平，不能对同一环境中的其他任何事物构成不能承受的电磁骚扰。2.2设计思想 从电磁兼容的定义可以看出，电磁兼容设计应从电磁干扰特性（EMI）和电磁耐受特性（EMS）两个方面进行考虑。从EMS角度看，主要的干扰源有射频干扰、静电干扰、电力干扰和自干扰。在系统设计中降低射频干扰的有效措施是合理地利用无线电频谱。 所谓频谱利用问题包含两个方面的意思。第一是频谱的分配。无线电是稀缺资源，为了合理使用无线电资源，国际和各国均有相关规定。第二是频谱的节约与发掘，即采用各种技术措施以提高频谱的利用率，例如采用压缩语音频带技术，单边带技术等，从根本目的上说都是为了提高电磁兼容能力。在进行电磁兼容设计需要考虑的两个重要参数：（1）敏感门限电平。使系统或设备不能正常工作的干扰临界电平称为敏感门限电平。（2）电磁兼容性安全系数。电磁兼容性安全系数定义为，式中为以分贝表示的设备或系统的敏感门限电平，为以分贝表示的设备或系统实际接收的干扰电平。显然从安全出发，越大越好，但其投资的费用也就增加。如果设备或系统不能满足安全系数的要求，则应采取防护措施，例如合理布局，将干扰源与敏感设备作空间隔离；或采用时间分割，也可采用时间与空间分离；此外还可以采用频率分离和计划分离等措施，也可以直接增强系统、系统中某些设备、设备中的某些电路或元器件的抗干扰能力。例如采用屏蔽技术以切断近场效应或远场辐射等干扰的传递途经，采用滤波技术抑制干扰源和消除与干扰信号间的耦合；采用良好的接地系统，减少通过公共地电阻而引起的相互干扰。总之，可采用各种隔离干扰技术来提高电磁兼容能力。3 电磁屏蔽3.1屏蔽原理屏蔽就是利用导电或导磁材料制成盒状或网状而将电场或磁场的影响限制在某空间区域，即在某给定空间防止来自外部的电磁干扰或防止由内自外的电磁干扰。也就是说，用铜或铝等低阻材料或导磁率高的磁性材料制成所需形状的容器，将需要隔离的空间包围起来，这种防止电磁干扰所采取的方法称之为屏蔽。屏蔽的理论基础是电磁波的反射与吸收，投射到屏幕罩上的电磁能量一部分被反射回去，另一部分被屏蔽罩吸收。屏蔽的效果一般是用屏蔽前后同一点场强的比值来表征，称为屏蔽效能（Shielding Effectiveness）. 式中、分别称为屏蔽前后的场强，为吸收屏蔽效能，为反射屏蔽效能。在线性电路中，由于干扰电压与干扰场强成正比，屏蔽效能又可定义为屏蔽前后同一元件上干扰电压之比，即 式中为屏蔽前B点受电场干扰的电压，为屏蔽后同一点受电场干扰的电压。屏蔽的方法可分为三种，即防止静电耦合干扰的电磁屏蔽、防止低频磁场干扰的磁屏蔽和防止高频电磁场的电磁屏蔽。3.2电屏蔽 电屏蔽（Electrical Shielding）又称为静电屏蔽。它的作用是防止静电场的影响，消除两个设备和电路之间由于分布电容耦合所产生的影响。例如有一带正电荷Q的导体A置于金属盒B中，由高斯定理不难证明，金属盒的内表面感应产生-Q电荷，在金属盒的外表面集结+Q电荷，由外表面电荷所建立的电场将干扰其他设备。如果将金属盒接地，金属盒与地等电位，盒外的+Q流入大地，盒内电荷产生的电场不影响其他设备的工作，也就是说金属盒使盒内电荷产生的电力线不能到达盒外部，从而达到屏蔽的目的。静电屏蔽最常用的材料为导电良好的铜或铝，要求不高时也采用薄钢板。对于有源静电屏蔽，其屏蔽效果主要取决于金属壳体的接地质量。屏蔽体与地面间的阻抗越小，屏蔽效果越好。3.3磁屏蔽 磁屏蔽（Magnetic Shielding）是利用高导磁率材料将磁场封闭在它的厚壁之中，一般用于10KHz以下的低频。如果将磁干扰源屏蔽于高磁导率材料制成的壳中，称为对外磁屏蔽或有源磁屏蔽。此时，其产生的磁力线的绝大部分将集中于磁阻很低的壳体内，只有极少的磁力线从壳体内泄露到壳体外部。泄露的磁通称为磁漏通，磁漏的多少取决于壳体材料的磁导率与壳体的厚度。多层磁屏蔽可以减少磁漏。 若磁干扰源在磁壳的外部，用以防止其对磁壳内设备或电路的影响，称之为对内磁屏蔽或无源磁屏蔽。此时因屏蔽层的磁导率很高，磁阻低，只有少量磁力线通过磁屏蔽壳而进入壳内空间。在理想情况下，取的材料制成屏蔽壳，可完全隔绝外界磁场的影响，但实际上，这是难以实现的。不管是有源还是无源磁屏蔽，都不需要将屏蔽壳接地。有时，为了消除磁屏蔽壳体内附近设备之间的静电影响，才采取接地措施。3.4电磁屏蔽3.4.1电磁屏蔽原理 利用电磁能量在良导电媒质中急剧衰减的原理，根据所屏蔽的电磁波的频率，选择透入深度小的材料，制成一定厚度（通常厚度）的屏蔽罩。但由于高频时铁磁材料的磁滞损失大，发热显著，对被保护装置不利，常采用低磁导率的金属材料。实际上，在高频电磁场中，电场和磁场是相互依存的，因此只要对两者之一进行屏蔽，另一方也将不复存在。一般情况下，采用非铁磁材料的良导体金属板屏蔽罩接地方法，即可有效地屏蔽高频磁场。在不适宜用金属板作屏蔽时，可以用金属网，这时电磁波在网中的吸收损耗甚小，主要是反射损耗。网孔愈小，导线愈粗或屏蔽的空间越大，则屏蔽效果愈好。当要求100dB以上的屏蔽效果时，可采用多层金属网，将铁磁材料与非磁性良导体材料交替构成多层屏蔽的效果更好。3.4.2电磁屏蔽设计原则 （1）若波源距屏蔽金属板较近时，不仅要考虑辐射场，而且要考虑近区感应场，两者的屏蔽效能是有差别的。 （2）屏蔽罩上的孔和缝的存在是降低屏蔽效能的主要原因之一。由于孔、缝耦合可以等效为二次辐射天线，它具有方向性，且使屏蔽不均匀，即可能在某些区域的屏蔽效能会很差，因此，必须科学地设计屏蔽罩上的孔或缝。 （3）屏蔽罩具有自然谐振频率，当合适频率的干扰信号以较小的能量耦合到屏蔽罩内时会产生较大的干扰，从而出现负屏蔽效能，这在设计时必须避免此类问题。 总结与展望总之，抑制电磁辐射干扰的最有效方法是对电磁场进行屏蔽，用导体把两个带电体之间的电力线截断，或用高导磁率的磁性材料把产生干扰磁场的物体进行屏蔽。但用于电场屏蔽的导体需要良好接地才能有效，否则，屏蔽电场的导体不但起不到屏蔽作用，反而会因为电场也会通过感应使屏蔽导体带电。另外，用导体对磁感应干扰进行屏蔽，也会产生意想不到的作用：磁力线穿过导体的时候也会产生感应电流即涡流，涡流又会产生磁场，这个新产生的磁场的方向正好与干扰磁场的方向相反，两者正好可以互相抵消。目前，对电磁兼容 EMC 进行设计的主要方法还是靠经验或借助别人的经验，需要不断实践才会不断提高。但应用前景还是很不错的，有必要不断努力！参考文献：1 刘学观电磁场与电磁波M西安电子科技大学出版社，2010（3）：228-2352 郭萍. 屏蔽效能研究D.东南大学：东南大学电磁兼容研究室，2010.3 陶显芳. 电磁干扰与电磁兼容浅谈J/OL. 2010.5.9.4 高小刚. 电磁兼容技术与动态展望J/OL.2011.1.17.5 李辉. 电磁兼容问题解决方案J/OL. 2010.8.16