电磁屏蔽基本原理介绍

在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic Interference）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，在材料选择、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。   屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强 1（ 1）和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 2（ 2）之比，用dB（分贝）示。      图1 屏蔽效能定义示意图  屏蔽效能表达式为 (dB) 或 （dB）     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。       图2 两类基本源在空间所产生的叠加场 远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， 为远近场的分界点，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 场源类型  近场（ ）  远场( ) 场特性  传播特性  场特性  传播特性  电偶极子  非平面波  以 衰减 平面波 以 衰减 磁偶极子 非平面波  以 衰减 平面波  以 衰减 波阻抗 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，表2与图3分别用图表给出了 的波阻抗特性。 表2 两类源的波阻抗 场源类型  波阻抗 （Ω）  近场（ ） 远场（ ）  电偶极子  120π 120π  磁偶极子  120π 120π  能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，以便确定具体的屏蔽分类。能量密度的表达式由下列公式给出: 电场分量能量密度 磁场分量能量密度 场源总能量密度 表3 两类源的能量密度 场源类型  能量密度比较  近场（ ）  远场（ ）  电偶极子  磁偶极子   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，可忽略电场分量；两类源在远场时，电场、磁场分量均必须同时考虑。  屏蔽类型依据上述分析可以进行以下分类：  表4 屏蔽分类 场源类型  近场（ ） 远场（ ）  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    电屏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。电屏蔽的原理是在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，接地良好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。  磁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、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 屏蔽类型  磁屏蔽  电屏蔽  频率范围  10kHz~500kHz 1MHz~500MHz 500MHz~40GHz   泄漏耦合结构  屏蔽体壳体  屏蔽体壳体及接地  孔缝及接地  控制要素  合理选择壳体材料  合理选择壳体材料，良好接地  抑制孔缝泄漏，良好接地    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 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，确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。 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，成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。 图4 典型机柜结构示意图 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。  图4所示为一典型机柜示意图，上面的孔缝主要分为四类：  ●     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。 电磁屏蔽 电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改。 1 选择屏蔽材料 　　屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强E1与有屏蔽时该位置的场强E2的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。用于电磁兼容目的的屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分之一至百万分之一，因此通常用分贝来表述屏蔽效能，这时屏蔽效能的定义公式为： 　　SE = 20 lg ( E1/ E2 ) 　　(dB) 　　用这个定义式只能测试屏蔽材料的屏蔽效能，而无法确定应该使用什么材料做屏蔽体。要确定使用什么材料制造屏蔽体，需要知道材料的屏蔽效能与材料的什么特性参数有关。工程中实用的表征材料屏蔽效能的公式为： 　　SE = A + R 　　　　　　(dB) 　　式中的A称为屏蔽材料的吸收损耗，是电磁波在屏蔽材料中传播时发生的，计算公式为： 　　A=3.34t（fμrσr） 　　 (dB) 　　t = 材料的厚度，μr = 材料的磁导率，σr = 材料的电导率，对于特定的材料，这些都是已知的。f = 被屏蔽电磁波的频率。 　　式中的R称为屏蔽材料的反射损耗，是当电磁波入射到不同媒质的分界面时发生的，计算公式为： 　　R=20lg（ZW/ZS） 　　　(dB) 　　式中，Zw=电磁波的波阻抗，Zs=屏蔽材料的特性阻抗。 　　电磁波的波阻抗定义为电场分量与磁场分量的比值：Zw = E / H。在距离辐射源较近（<λ/2π，称为近场区）时，波阻抗的值取决于辐射源的性质、观测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。若辐射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），则波阻抗大于377，称为高阻抗波或电场波。关于近场区内波阻抗的具体计算公式本文不予论述，以免冲淡主题，感兴趣的读者可以参考有关电磁场方面的参考书。当距离辐射源较远（>λ/2π，称为远场区）时，波波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377Ω。 　　屏蔽材料的阻抗计算方法为： 　　｜ZS｜=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω) 　　f=入射电磁波的频率(Hz），μr=相对磁导率，σr=相对电导率 　　从上面几个公式，就可以计算出各种屏蔽材料的屏蔽效能了，为了方便设计，下面给出一些定性的结论。 　　● 在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场波和磁场波的情况； 　　● 屏蔽电场波时，使用导电性好的材料，屏蔽磁场波时，使用导磁性好的材料； 　　● 同一种屏蔽材料，对于不同的电磁波，屏蔽效能使不同的，对电场波的屏蔽效能最高，对磁场波的屏蔽效能最低，也就是说，电场波最容易屏蔽，磁场波最难屏蔽； 　　● 一般情况下，材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高； 　　● 屏蔽电场波时，屏蔽体尽量靠近辐射源，屏蔽磁场源时，屏蔽体尽量远离磁场源； 　　有一种情况需要特别注意，这就是1kHz以下的磁场波。这种磁场波一般由大电流辐射源产生，例如，传输大电流的电力线，大功率的变压器等。对于这种频率很低的磁场，只能采用高导磁率的材料进行屏蔽，常用的材料是含镍80%左右的坡莫合金。 2 孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策 　　一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际中，常见的情况是金属做成的屏蔽体，并没有这么高的屏蔽效能，甚至几乎没有屏蔽效能。这是因为许多设计人员没有了解电磁屏蔽的关键。 　　首先，需要了解的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。这与静电场的屏蔽不同，在静电中，只要将屏蔽体接地，就能够有效地屏蔽静电场。而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是必须明确的。 　　电磁屏蔽的关键点有两个，一个是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。另一点是不能有穿过机箱的导体。对于一个实际的机箱，这两点实现起来都非常困难。 　　首先，一个实用的机箱上会有很多孔洞和孔缝：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机箱的其他性能（美观、可维性、可靠性）。 　　其次，机箱上总是会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆。这些电缆会极大地危害屏蔽体，使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝。妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大）。 　　当电磁波入射到一个孔洞时，其作用相当于一个偶极天线（图1），当孔洞的长度达到λ/2时，其辐射效率最高（与孔洞的宽度无关），也就是说，它可以将激励孔洞的全部能量辐射出去。 　　对于一个厚度为0材料上的孔洞，在远场区中，最坏情况下（造成最大泄漏的极化方向）的屏蔽效能（实际情况下屏蔽效能可能会更大一些）计算公式为： 　　SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] 　　(dB) 　　若 L ≥λ/2，SE = 0 　　　　　　　　　　　　　 (dB) 　　式中各量：L = 缝隙的长度（mm），H = 缝隙的宽度（mm），f = 入射电磁波的频率（MHz）。 　　在近场区，孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关。当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能高），而当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏比远场时要大（屏蔽效能低）。近场区，孔洞的电磁屏蔽计算公式为： 　　若ZC >（7.9/D·f）： 　　SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ] 　　若Zc<（7.9/D·f）： 　　SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ] 　　式中：Zc=辐射源电路的阻抗（Ω）， 　　D = 孔洞到辐射源的距离（m）， 　　L、H = 孔洞长、宽（mm）， 　　f = 电磁波的频率（MHz） 　　说明： 　　● 在第二个公式中，屏蔽效能与电磁波的频率没有关系。 　　● 大多数情况下，电路满足第一个公式的条件，这时的屏蔽效能大于第二中条件下的屏蔽效能。 　　● 第二个条件中，假设辐射源是纯磁场源，因此可以认为是一种在最坏条件下，对屏蔽效能的保守计算。 　　● 对于磁场源，屏蔽效能与孔洞到辐射源的距离有关，距离越近，则泄漏越大。这点在设计时一定要注意，磁场辐射源一定要尽量远离孔洞。 　　多个孔洞的情况 　　当N个尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距离小于λ/2）时，造成的屏蔽效能下降为20lgN1/2。在不同面上的孔洞不会增加泄漏，因为其辐射方向不同，这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强。 　　除了使孔洞的尺寸远小于电磁波的波长，用辐射源尽量远离孔洞等方法减小孔洞泄漏以外，增加孔洞的深度也可以减小孔洞的泄漏，这就是截止波导的原理。 　　一般情况下，屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。减小缝隙泄漏的方法有： 　　● 增加导电接触点、减小缝隙的宽度，例如使用机械加工的手段（如用铣床加工接触表面）来增加接触面的平整度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度； 　　● 加大两块金属板之间的重叠面积； 　　● 使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫，那么，对于电磁波而言，就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样，不会发生电磁波的泄漏。 3 穿过屏蔽体的导体的处理 　　造成屏蔽体失效的另一个主要原因是穿过屏蔽体的导体。在实际中，很多结构上很严密的屏蔽机箱（机柜）就是由于有导体直接穿过屏蔽箱而导致电磁兼容试验失败，这是缺乏电磁兼容经验的设计师感到困惑的典型问题之一。 　　判断这种问题的方法是将设备上在试验中没有必要连接的电缆拔下，如果电磁兼容问题消失，说明电缆是导致问题的因素。解决这个问题有两个方法： 　　● 对于传输频率较低的信号的电缆，在电缆的端口处使用低通滤波器，滤除电缆上不必要的高频频率成分，减小电缆产生的电磁辐射（因为高频电流最容易辐射）。这同样也能防止电缆上感应到的环境噪声传进设备内的电路。 　　● 对于传输频率较高的信号的电缆，低通滤波器可能会导致信号失真，这时只能采用屏蔽的方法。但要注意屏蔽电缆的屏蔽层要360°搭接，这往往是很难的。 　　在电缆端口安装低通滤波器有两个方法 　　● 安装在线路板上，这种方法的优点是经济，缺点是高频滤波效果欠佳。显然，这个缺点对于这种用途的滤波器是十分致命的，因为，我们使用滤波器的目的就是滤除容易导致辐射的高频信号，或者空间的高频电磁波在电缆上感应的电流。 　　● 安装在面板上，这种滤波器直接安装在屏蔽机箱的金属面板上，如馈通滤波器、滤波阵列板、滤波连接器等。由于直接安装在金属面板上，滤波器的输入、输出之间完全隔离，接地良好，导线上的干扰在机箱端口上被滤除，因此滤波效果十分理想。缺点是安装需要一定的结构配合，这必须在设计初期进行考虑。 　　由于现代电子设备的工作频率越来越高，对付的电磁干扰频率也越来越高，因此在面板上安装干扰滤波器成为一种趋势。一种使用十分方便、性能十分优越的器件就是滤波连接器。滤波连接器的外形与普通连接器的外形完全相同，可以直接替换。它的每根插针或孔上有一个低通滤波器。低通滤波器可以是简单的单电容电路，也可以是较复杂的电路。 　　解决电缆上干扰的一个十分简单的方法是在电缆上套一个铁氧体磁环，这个方法虽然往往有效，但是有一些条件。许多人对铁氧体寄予了过高期望，只要一遇到电缆辐射的问题，就在电缆上套铁氧体，往往会失望。铁氧体磁环的效果预测公式为： 　　共模辐射改善 =20lg（加磁环后的共模环路阻抗/加磁环前的共模环路阻抗） 　　例如，如果没加铁氧体时的共模环路阻抗为100Ω，加了铁氧体以后为1000Ω，则共模辐射改善为20dB。 　　说明：有时套上铁氧体后，电磁辐射并没有明显的改善，这并不一定是铁氧体没有起作用，而可能是除了这根电缆以外，还有其他辐射源。 　　在电缆上使用铁氧体磁环时，要注意下列一些问题： 　　● 磁环的内径尽量小 　　● 磁环的壁尽量厚 　　● 磁环尽量长 　　● 磁环尽量安装在电缆的端头处 金属屏蔽效率     可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为 SEdB=A+R+B 其中 A：吸收损耗(dB) R：反射损耗(dB) B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。 吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算式为 AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t 其中 f：频率(MHz) μ：铜的导磁率 σ：铜的导电率 t：屏蔽罩厚度     反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻则无变化(恒为377)。   相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻越低。波阻随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻不再变化，恒定在377处。     反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。 近场反射损耗可按下式计算 R(电)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)] 其中 r：波源与屏蔽之间的距离。 SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为B=20lg[-exp(-2t/σ)]     此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降情况。 EMI抑制策略     只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。综上所述，选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂，通常要向EMI屏蔽材料供应商以及有关咨询机构寻求解决。 在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。     设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。   任一频率电磁波的波长为: 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)     当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时，RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。     一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB，则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。     可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。 定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。