屏蔽的原理

80
1
0.00001
0.99999
100
1
0.000001
0.999999
120
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; μr-屏蔽材料的相对导磁率；
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。
手机电磁兼容的要求
YD 1169.1-2001 800MHzCDMA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/T 17626.2–1998 验
电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试
GB/T 17626.3–1998 扰度试验
电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗
• 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0.01λ。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。
GB/T 17626.4–1998 抗扰度试验
电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群
GB/T 17626.5–1998 度试验
电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰
GB/T 17626.6–1998 骚扰抗扰度试验
电磁兼容 试验和测量技术 射频场感应的传导
GB/T 17626.11–1998
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
dB
衰减的百分比
10
90
20
99
30
99.9
40
99.99
50
99.999
60
99.9999
70
99.99999
• 表1.11屏蔽衰减极限值
dB 0～10 10～30
评价 屏蔽很少
有意义的屏蔽的 下限
30～60 60～90 90～120 120以上
平均屏蔽量 屏蔽较好 屏蔽很好 现有技术的极限
用于屏蔽的金属电导率σr/相对磁导率μr 特性
金属
相对电导率σr
银
1.05
铜
1.0 特黄属铜 金 的 蔽 屏 0于.26 用
镍
0.20
铁
0.17
铜
0.10
化学镀镍
0.02
1 . 1 2
相对磁导率μr
1 1 1 1
1表
1 1000 1000
（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。 ①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。 ②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。 ③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。
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
收 吸 被相因分差此部越，大一一，块另屏高蔽导，体电反率射射的反的薄能铜面量片表越对多低前。阻 的 体 蔽 屏 在 分 部 一 的 波 射 入 。
• 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λ/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。
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Ｉ／Ｏ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 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
1
（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。
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３m、１０m或３０m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，Ｉ／ Ｏ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。
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１－６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。
屏蔽效能与场强衰减的关系
屏蔽效能越高，每增加２０ｄＢ的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要 ４０ｄＢ左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要６０ｄＢ以上的
屏蔽效能。
屏蔽前场强 屏蔽后的场强
衰减量
屏蔽效能(dB)
1
0.1
0.9
20
1
0.01
0.99
40
1
0.001
0.999
60
1
0.0001
0.9999
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λ除以2π的距离为分界点。λ/2π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 。
• 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。
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１－４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１－５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。
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。
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。
σr-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=168 101g(μrf/σr)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。;
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。
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（ＳＥ）
来表示，屏蔽效能的定义为： ＳＥ＝２０lg(E1/E2) dB
式中，Ｅ１是没有屏蔽体时测得的场强， Ｅ２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：