电磁屏蔽原理

电磁屏蔽原理 在电子设备及电子产品中，电磁干扰(ElectromagneticInterference)能量通过传导性耦合和 辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器 件加以抑制;对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁 功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的 情况下，其重要性就显得更为突出。 屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。由于辐 射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在 选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确 定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材 料，设计屏蔽壳体。 蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE(ShieldingEffectiveness)来衡量，屏蔽效能的 屏定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强 Ev ( Hv )和加入屏蔽体后， 1 1 v v 辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 E 2( H 2)之比，用dB(分贝)表示。 辐射源 辐射源 屏蔽体 v v P(E 2 , H 2 ) v v P(E1, H1 ) ? ? (a)屏蔽前 (b)屏蔽后 屏蔽效能定义示意图 图1 v v H 1 E 1 屏蔽效能表达式为 (dB) 或 SE , 20 log10 SE , 20 log10 v v(dB) E 2 H 2 中，实际的辐射干扰源大致分为两类:类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似 于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的 辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成(图2)。因此通过对电偶极子和磁偶 极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽 分类提供良好的理论依据。 1 I3 I4 I2 I3 I2 I1 v r3 v v v v rv2 r3 r4 r5 r1 I1 v v I4 r2 rv1 r5 I5 P v r4 P 图2 两类基本源在空间所产生的叠加场 λ 近场的划分是根据两类基本源的场随1/r(场点至源点的距离)的变化而确定的， r , 为远 2π 远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 表1 两类源的场与传播特性 Z w(Ω) 波阻抗 场源类型 ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) ， 电偶极子 120π 120π 2 r 2 r 磁偶极子 120π 120π ， ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 场源类型 阻抗 Z w为空间某点电场强度与磁场强度之比，场源不同、远近场不同，则波阻抗也有所不同， 场特性 传播特性 场特性 传播特性 波 表2与图3分别用图表给出了 Z w的波阻抗特性。 1 1 电偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 3 r r 表2 两类源的波阻抗 1 1 磁偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 3 Z w(Ω) 波阻抗r r 场源类型 ， ， v rv2 r3 r4 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) v ， 电偶极子 120π 120π 2 r r2 rv1 0 v 2 r 磁偶极子 120π 120π ， v I4 ， ， v 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 场源类型 场特性 传播特性 场特性 传播特性 远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 1 1 ， ， 场源类型 电偶极子 非平面波 平面波 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 以衰减 以衰减 3 r r 电偶极子(非闭合载流导线) 电屏蔽(包括静电屏蔽) 电磁屏蔽 1 1 磁偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 2 3 磁偶极子(闭合载流导线) 磁屏蔽(包括恒定磁场屏蔽) 电磁屏蔽 r r v rv2 r3 r4 能量密度比较 场源类型 v ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) r2 rv1 电偶极子 WE ,, WH WE , WH 10K 10K Z w (,) Z w(Ω) 波阻抗场源类型 3K 3K ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 1K 1K ， 电偶极子 120π 120π 377 300 2 r 2 r 100 100 磁偶极子 120π 120π ， 30 30 ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 场源类型 10 10 场特性 传播特性 场特性 传播特性 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 2 r 1 1 电偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 ， 3 r r 图3波阻抗与场—源距离 r及源特性的关系 1 1 磁偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 3 量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度，通过对由同一场源所产生的电场、磁场分 r r 能量的能量密度进行比较，可以确定场源在不同区域内何种分量占主要成份，以便确定具体的屏 v rv2 r3 r4 v 蔽分类。能量密度的表达式由下列公式给出: r2 rv1 1 0v 2 1 v v , E 电场分量能量密度 E , D , WE , v 2 2 1 1 v v v 2 v I4 H , B , , H 磁场分量能量密度 WH , 2 2 v 场源总能量密度 W , WE ， WH 远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 ， ， 表3 两类源的能量密度 场源类型 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 波阻抗 Z w(Ω) 电偶极子(非闭合载流导线) 电屏蔽(包括静电屏蔽) 电磁屏蔽 场源类型 ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 磁偶极子(闭合载流导线) 磁屏蔽(包括恒定磁场屏蔽) 电磁屏蔽 ， 电偶极子 120π 120π 能量密度比较 场源类型 2 r ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 2 r 磁偶极子 120π 120π 电偶极子 WE ,, WH WE , WH ， 表3给出了两种场源在远、近场的能量密度。从表中可以看出，两类源的近场有很大的区别，电 ， ， 磁偶极子 WE ,, WH WE , WH 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 偶极子的近场能量主要为电场分量，可忽略磁场分量;磁偶极子的近场能量主要为磁场分量，可忽略 场源类型 场特性 传播特性 场特性 传播特性 磁屏蔽 电屏蔽 电磁屏蔽 电场分量;两类源在远场时，电场、磁场分量均必须同时考虑。 能量的能量密度进行比较，可以确定场源在不同区域内何种分量占主要成份，以便确定具体的屏 1 1 电偶极子 非平面波 平面波 频率范围 以衰减10 kHz~500kHz 以衰减1MHz~ 500MHz 500MHz~40GHz 屏蔽类型依据上述分析可以进行以下分类: 3 WE , r r 1 v v 表4 屏蔽分类 1 1 泄漏耦合结构 屏蔽体壳体 屏蔽体壳体及接地 孔缝及接地 磁偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 3 WH , r r 合理选择壳体材料 抑制孔缝泄漏 波阻抗 Z w(Ω) 控制要素 合理选择壳体材料 1 v v 场源类型 良好接地 良好接地 v rv2 r3 r4 ， ， v 2 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) v v 2 ， 电偶极子 120π 120π r2 rv1 0 2 r v 2 r 磁偶极子 120π 3 120π v I4 ， v ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 场源类型 远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。场特性 传播特性 场特性 传播特性 ， ， 场源类型 1 1 电偶极子 非平面波 平面波 蔽的实质是减小两个设备(或两个电路、组件、元件)间电场感应的影响。电屏蔽原理是 电屏保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，的接地良好在 及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。 屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、 磁铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。 电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时 屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸 相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。 屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要 素如表5所示: 表5泄漏耦合结构与控制要素 Z w(Ω) 波阻抗 场源类型 ， ， 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) ， 电偶极子 120π 120π 2 r 2 r 磁偶极子 120π 120π ， ， ， 实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构(n个)，设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 场源类型 耦合结构的单独屏蔽效能(如只考虑接缝)为SEi(i=1,2,…，n)，则屏蔽体总的屏蔽效能 场特性 传播特性 场特性 传播特性 SEi 1 1 n 电偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 20 3 ) SE , 20 log10 ( 10 r r i ,1 1 1 磁偶极子 非平面波 平面波 以衰减 以衰减 由上式可以看出，屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定 3 r r 的，即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。因此进行屏蔽设计时，明确不同频段的泄漏耦合结构，确定最 v rv2 r3 r4 大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。 v 在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键， r2 rv1 0 成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。 v v I4 v 远近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 ， ， 场源类型 近场( r , 2 ) 远场( r , 2 ) 4 电偶极子(非闭合载流导线) 电屏蔽(包括静电屏蔽) 电磁屏蔽 磁偶极子(闭合载流导线) 磁屏蔽(包括恒定磁场屏蔽) 电磁屏蔽 能量密度比较 场源类型 ， ， 观察显示孔 机 箱 接 缝 通风孔 图4 典型机柜结构示意图 连接器与机箱接缝 机柜示意图 图 4 根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个:孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。两者皆大， 则泄漏最为严重;面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。 4所示为一典型机柜示意图，上面的孔缝主要分为四类: 图 ? 机箱(机柜)接缝 该类缝虽然面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却非常大，由于维修、开启等限制，致使该类缝 成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝，采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。 该类孔缝屏蔽设计的关键在于:合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。 ? 通风孔 该类孔面积和最大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。在 满足通风性能的条件下，应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。 ? 观察孔与显示孔 该类型孔面积和最大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。 ? 连接器与机箱接缝 这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大， 从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡 胶等连接器导电衬垫。 综上所述，孔缝抑制的设计要点归纳为: ? 合理选择屏蔽材料; ? 合理设计安装互连结构。 5