屏蔽与接地

屏蔽技术

1屏蔽的定义

屏蔽可通过各种屏蔽体来吸收或反射电磁场骚扰的侵入, 达到阻断骚扰传播的目的; 或者屏蔽体可将骚扰源的电磁辐射能量限制在其内部, 以防止其干扰其它设备。（对两个空间区域之间进行金属的隔离, 以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。）

1. 一种是主动屏蔽, 防止电磁场外泄;

2. 一种是被动屏蔽, 防止某一区域受骚扰的影响。

屏蔽就是具体讲, 就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来, 防止干扰电磁场向外扩散; 用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来, 防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗) 、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射) 和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波) 的作用, 所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。

2.屏蔽的分类

屏蔽可分为电场屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三类。电场屏蔽又包括静电场屏蔽和交变

电场屏蔽; 磁场屏蔽又包括静磁屏蔽和交变磁场屏蔽。

1. 静电屏蔽常用于防止静电耦合和骚扰, 即电容性骚扰;

2. 电磁屏蔽主要用于防止高频电磁场的骚扰和影响;

3. 磁屏蔽主要用于防止低频磁感应, 即电感性骚扰。

2.1静电场屏蔽和交变电场屏蔽

用来防止静电耦合产生的感应。屏蔽壳体采用高导电率材料并良好接地,以隔断两个电路之间的分布电容偶合，达到屏蔽作用。静电屏蔽的屏蔽壳体必须接地。

以屏蔽导线为例,说明静电屏蔽的原理。静电感应是通过静电电容构成的,因此,静电屏蔽是以隔断两个电路之间的分布电容。静电感应,既两条线路位于地线之上时,若相对于地线对导体1 加有V1的电压,则导体2 也将产生与V1成比例的电V2。由于导体之间必然存在静电电容,若

设电容为C10、C12 和C20,则电压V1 就被C12 和C20 分为两部分,该被分开的电压就为V2,可用下式加以计算；

导体1 和2 之间加入接地板便可构成静电屏蔽。这样,在接地板与导体1、导体2之间就产生了静电电容C`10 和C`20。等效电路,增加了对地静电电容，消除了导体1、2 之间直接偶合的静电电容。按示2.1，由于C12=0,故与V 1 无关,V2=0。这就是静电屏蔽的原理。

我们若用金属壳体将干扰源屏蔽起来, C1 为干扰源与屏蔽壳体之间的电容, C2 为电子设备与屏蔽壳体之间的电容, Zm 为屏蔽壳体对地阻抗。可求得屏蔽后电子设备上的耦合干扰电压:V sm = ω2 C1 C2 Zm ZsV N / { (ω2 C1 C2 Zm Zs - 1)- jω[ ( C1 + C2) Zm + C2 Zs ]} (2)

如果将屏蔽壳体理想接地,即Zm = 0 ,则V sm= 0 ,耦合干扰可完全消除, 也就是说, 要想完全消

除上述干扰的必要条件是要求屏蔽壳体良好接地,在实际工作中, 一般要求接地电阻小于2m Ω就可以了。如果我们使用了屏蔽壳体,但不接地时,此时Zm = ∞,且C1 < C , C2 < C ,则可断定V sm > V s ,可知屏蔽后的耦合干扰, 不但不能抑制, 反而更加严重。

同样, 如果干扰源不屏蔽, 而将电子设备屏蔽,结果与上述屏蔽效果类似。在实际工作中,是屏蔽干扰源还是屏蔽受感器,建议进行综合全盘考虑,应根据简便、经济、操作方便、场地等具体情况而定。对于平行导线, 由于分布电容较大, 耦合干扰尤其严重, 需采用同轴电缆导线。有关同轴电缆导线的抗干扰问题,后面将另行分析讨论。耦合干扰的大小与频率有关,频率升高,干扰增加。故此,频率越高,采用屏蔽越有必要,屏蔽后的效果越明显。

2.2电磁屏蔽

电磁屏蔽的机理就是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场,产生屏蔽效果。因此，电磁屏蔽较适用于高频。低频时感应电流小，屏蔽效果差；应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续，使感应电流能在壳体中流畅，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。

所谓电磁感应，即回路与回路之间的电磁偶合。当电流i1、i2 通过导线1 和2 时,若分别构成回路,则相互之间就产生电磁偶合。所谓偶合,即在导体2 流过i1 的成分，在导体1又流过i2成分。对导体1来说,i2为不需要的电流,因此,它只能是对i1 的噪声成分。

回路1与回路2之间的磁通便不相连接，这样即可完成屏蔽。但是，实际上，在防骚扰措施上很少采用装入磁性材料的方法来进行屏蔽。这是因为适当的带状高性能磁带比较昂贵的缘故。真正有效而实用的办法是尽可能避免组成回路。以上谈到的屏蔽问题，重要的是要分清骚扰究竟是源于电压还是起源于电流。必须按照不同的情况来决定采用静电屏蔽还是采用电磁屏蔽。

在交变场中, 电场和磁场总是同时存在的, 这时屏蔽要考虑对电磁场的屏蔽, 也就是电磁屏蔽。电磁屏蔽不是电场屏蔽和磁场屏蔽的简单叠加。在前面所述的4种情况中, 把高频和低频电场或磁场分开讨论本身也是一种简化, 因为低频和高频中间的过渡是非常复杂的。

一般情况, 在频率较低的范围内, 电磁干扰一般出现在近场区(感应场) 。而近场根据干扰源的性质不同, 电场和磁场的大小有很大差别。如高电压小电流的干扰源以电场干扰为主, 磁场干扰可忽略不计,只考虑电场屏蔽即可; 而低电压高电流干扰源则以磁场干扰为主, 电场干扰可以忽略不计, 这时只考虑磁场屏蔽即可。

当频率较高时, 干扰源的电磁辐射能力增加, 会产生辐射电磁场即远场区(辐射场) 。远场干扰中的电场干扰和磁场干扰都不可忽略, 需要同时实行电场和磁场屏蔽, 一般的做法是采用电阻率和磁导率都低的导体做成屏蔽盒并良好接地。

2.3 磁场屏蔽

当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰。抑制这类干扰，有效办法是施行磁场屏蔽。磁场屏蔽首先应注意到干扰源的频率高低，因为随干扰频率的不同，屏蔽原理也不同，它将涉及到屏蔽材料的选用以及屏蔽壳体设计、制作等诸方面的问题，若不加分析就不可能达到抑制干扰的效果。

2.3.1 低频磁场屏蔽

这里所指低频一般在100kHz 以下。设相近的两平行导线1 和导线2。导线1 对导线2 的磁场耦合干扰为：U2=jωMI1

式中：M为两导线间的分布互感，M=Φ/I1；I1 为导线1 流过的电流；Φ为电流；I1 产生的对导线2 交连的磁通。为抑制磁场耦合干扰，应尽量减少分布互感M，也就是减少干扰源与被干扰电路之间的交连磁通Φ。

屏蔽对策

屏蔽此类干扰，建议选用具有高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体，将干扰源屏蔽起来，这样能使干扰源产生的磁通被引导至铁磁材料中，从而不与被干扰的电路交连。同理，也可将被干扰的电路屏蔽起来。

有关屏蔽壳体的制作，应注意下列事项：

1. 所选用材料磁路的磁阻Rm 越小越好Rm=L/μS（L 为磁路长度；S 为磁路横切面积；μ为导磁率）。选用μ值高的铁、硅钢片、坡莫合金等；

2. 在屏蔽壳体设计时，应使壳体有足够的厚度以增大S，达到增加屏蔽效果的目的；在垂直于磁通方向不能开口，以免增大磁阻；