屏蔽、搭接、系统接地与隔离知识讲解

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迄今为止,性能较好的导电漆都是基于聚丙烯、 聚氨脂、乙烯树脂或环氧树脂等衬底的。
(1)银漆 银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上,甚至可用 于木质表面上,它有良好的抗磨损特性和可焊接性。
(2)镍漆 镍通常与聚丙烯组成镍漆,理想情况下以ABS、聚 苯乙烯、聚碳酸酯为衬底。
(3)铜漆 在近20年的时间内,专家们为开发出有效的铜填充 导电涂层进行了各种试验。由于铜填充物的易腐蚀 性,铜漆没能得到广泛使用。要克服这个问题,只 能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层,但 使用的结果是,在一种工作条件下铜漆的性能比较 稳定,而在另一种工作条件下,铜漆将更容易失效。
编织丝网衬垫
编织丝网衬垫为在接缝处恢复屏蔽体完整 性以及其他壳体的连续性,提供了简便的 方法。机壳、机柜或机箱材料,无论是塑 料喷涂导电漆的,还是用全金属的,都有 密封要求。在接头和缝隙处,导电衬垫是 补救屏蔽裙带性被破坏的方法之一。
硅橡胶衬垫
在硅橡胶中掺入均匀分布的金属颗粒,形成导电的 弹性化合物,既可屏蔽RFI,又可气密。硅橡胶衬垫 之所以具备上述性能,是由于材料中金属颗粒和弹 性体的联合作用的结果。硅橡胶系统通常用于模压 成形、薄片冲压成形、印制板屏蔽衬垫和模制零件 等,硅橡胶衬垫现已得到广泛应用。
• 单层结构:表现为复合材料的单涂层和单 层吸收体。
• 多层结构:由透波层、阻抗匹配层、吸收 层以及反射背衬等组成。设计中经常要用 到入射波与反射波相互抵消技术,此时虽 然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到 影响。
➢ 从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的 基本要求有两点:
(1)无反射(即完全吸收);
第6章 屏蔽、搭接、系统接地 与隔离
6.1 电磁屏蔽原理
为了保证电设备的正常工作,需要对电磁波 辐射进行控制,在通常采取的技术中,比较 有效的技术均是基于以下3项技术的: • 一是优化电路设计技术; • 二是配线分离技术(该技术包括线路板设计
的相关技术); • 三是屏蔽技术。
电磁屏蔽就是以金属隔离的原理Hale Waihona Puke Baidu控制电磁 干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传 播的方法。 电磁屏蔽一般分为两种类型:
导电粘合剂与填料相比,填料仅需具有合适的性, 能密封空隙即可,而粘合剂除了导电性外,还要 有足够的机械接合强度,它们用于连接、密封或 焊接两个导电表面。导电粘合剂的溶剂有环氧树 脂和硅树脂两种,其导电成分主要是银。
导电润滑脂的功能之一就是能在涂有润滑剂的配件
之间提供很小的接触电阻,如开关。
导电漆
胶箔和胶带
在机壳的实际应用时,有时需要改变机壳的等效形 状,此时可采用背胶金属箔来实现屏蔽。背胶金属 箔主要用于塑料的表面。然而,此项技术存在两个 固有的问题: (1)生产时,必须手工在基体易损的表面上安放箔 片; (2)由于两基体连接时,两基体的材质和过度区的形 状很少能够完全吻合,特别是在覆盖复杂的圆角 时,这一问题尤其突出。
(1)感应涡流效应。 (2) 电磁场理论。 (3)传输线理论。
当要屏蔽的磁场很强时,如果使用高磁导率材料, 会在强磁场中饱和,丧失屏蔽效能,而使用低磁导 率材料,由于吸收损耗不够,不能满足要求。遇到 这种情况,可采用双层屏蔽,如下图所示。
第一层屏蔽具有低磁导率,但不易饱和,第二层屏 蔽具有高磁导率,但易饱和。第一层屏蔽先将磁场 衰减到适当的强度,不会使第二层屏蔽饱和,第二 层高磁导率材料能够充分发挥屏蔽效能。
通风孔
通风孔的处理一般采用两种方法,一种是采用屏蔽
盖板;另一种是采用蜂窝状盖板。
缝隙
屏蔽体上的接缝处由于结合表面不平、清洗不干净、 有油污或焊接质量不好、紧固螺钉之间、铆钉之间 存在空隙等原因会在接缝处造成缝隙。 当金属屏蔽体缝隙的缝长大约等于三倍金属板的集 肤深度时,缝隙的吸收损耗和金属板的吸收损耗相 等,缝隙基本上不降低屏蔽效能。若缝长大于三倍 金属板的集肤深度时,则缝隙屏蔽效能就会减小, 因此我们可以采用以下几种方法来提高屏蔽效能。 (1)增加缝隙深度 (2) 提高接合面加工精度
6.1.1 屏蔽效能
电场强度与磁场强度之比称为波阻抗。对 于任何已知电磁波,波阻抗是一个十分关 键的参数,因为它π决定了耦合效率,也决 定了导体的屏蔽效能。
下图是最常见的3种屏蔽体在厚度为1毫米时的吸收 损耗随频率变化的曲线。由曲线可以看出,金属屏 蔽体的吸收损耗与材料本身的特性密切相关。
金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特 性(电导率、磁导率)有关,而且与金属屏蔽体 所在的位置有关,还与场源特性有关。
编织类屏蔽材料是目前应用最广泛的屏蔽材料,特 别是在电缆的屏蔽方面,编织类屏蔽材料表现出比 其他屏蔽材料更优越的性能。
EMI屏蔽网
构成织物的基材可以是各种可镀或可涂覆的非导电 材料,甚至是导电材料。纺织的方法也有多种形式。 两种主要的纺织方式:一种是单线纺织,另一种是 多线纺织。
导电壁纸
导电纤维编织的壁纸,可以提供某种程度的电磁干 扰屏蔽,其效果接近昂贵和笨重的金属屏蔽技术。
• 多晶铁磁性金属纤维。
• 希克夫盐基视黄脂。
• 电介质陶瓷吸波材料。
• 导电高分子材料
• 手性吸波材料
实际应用中一般较少采用单一的材料做吸 收体,并很少直接使用,而是采用电磁波 吸收体的形式。
➢ 电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收 效果而结构化的电磁波吸收材料,它可以 以商品的形式出现。目前已获得实用化的 吸收体结构有:
屏蔽涂料
屏蔽涂料又称为导电涂料,根据其组成和导电机理 又可分为两大类:结构型导电涂料和掺杂型导电涂 料。 掺杂型导电涂料可大致分为三类:金属系和碳素系 及二者的结合系即复合系,
• 金属系导电涂料主要是以银、铜、镍等为填料的 涂料。
• 碳素系主要指以高导电性和高结构性碳黑做填料 的导电涂料,
• 复合系主要是以贵金属对金属粉末、非金属及金 属氧化物等粉末进行包裹后做填料的涂料。
6.3 屏蔽完整性
在屏蔽的设计中需要考虑以下的一些因素:盖板、 通风孔、测量仪表的指示窗、显示窗、电位器轴、 指示灯、保险丝、开关、门、各种线、电源线和信 号线连接器。
盖板
为了仪器的维护、测试或校准,需要一次一次地打 开仪器带孔的盖板。对于金属盖板来说,最常采用 的方法是使用导电填料或硅树脂填料。
吸波涂料
➢ 吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁 波能量、并通过材料的损耗转变成热能的 一类材料。电磁波吸收材料的研究最早开 始于军事信息安全技术。
➢ 目前国内外正在研制和已经实用化的吸波 材料和吸波体主要有以下几种:
• 铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁 氧体、钡铁氧体等)。
• 微粉吸波材料。
正电荷,电力线继续到达导体B,而且使感应 电场更为复杂;如若将金属屏蔽体接地,使 屏蔽体的外侧电场消失,导体B就不会受到感 应干扰。这就是静电屏蔽的原理。
➢ 静电屏蔽应具有两个基本要点,即完善的 屏蔽体和良好的接地。
磁屏蔽
常规屏蔽对低频磁场是无效的,因为低频场 的屏蔽取决于反射而不是吸收。 电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频辐射电磁波在 空间传播的技术措施。屏蔽体起着切断或削 弱电磁波传输的作用。 对于远场情况的交变电磁场,电场分量和磁 场分量同时存在,交变电磁屏蔽的机理有3种 理论:
电缆屏蔽
电缆屏蔽必须对整条电缆在360°范围内覆盖。 对于同轴电缆,它的屏蔽层既传输信号的回流,又
传输外部干扰电流。
可以用两种办法来度量屏蔽电缆的屏蔽效能,一种
是屏蔽效能(SE),另一种是转移阻抗(ZT)。
6.2 电磁屏蔽材料
6.2.1 覆膜类电磁屏蔽材料与工艺 在机箱内外壁上覆盖一种或多种具有导电导磁的电 磁波屏蔽膜,是对设备进行屏蔽的一个非常重要的 方法。其主要手段有:涂覆导电导磁涂料、金属溅 射、真空镀铝、电镀、化学镀以及粘贴金属箔或复 合箔等。 电磁辐射防护涂料包括:屏蔽涂料、吸波涂料和屏 蔽吸收型涂料。
6.1.2 屏蔽技术
静电屏蔽
静电干扰分为静电场感应产生的干扰和静磁
场耦合产生的干扰。它们都可以用屏蔽方法
来抑制。
➢ 设在带正电荷的导体A附近有导体B,则导 体B靠近导体A时,A的一侧将会由于静电感 应而带负电。如果用金属屏蔽体将导体A包 围起来,此时在屏蔽体的内侧就感应出与 导体A等量的负电荷,在外侧出现等量的
6.2.3 截止波导与蜂窝板
波导是简单的管状金属结构,它在电气上呈现高通 滤波器的特性。波导允许截止频率以上的信号通 过,而低于截止频率的信号则被阻止或衰减,这与 高通滤波器的频率特性相似。 在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。 蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起,构 成截止波导阵列,这样可以形成很大的开口面积,
填料、粘合剂和导电润滑脂
影响选择填充物材料的3个因素是:①成本;②要求 导电填充物所占百分数:高百分数填充物不仅增加 设备的磨损,还影响模压件的表面光洁度和物理性 能;③纤维将按照处理时的熔液流动方向排列,而 使角形和截面变化区域的屏蔽不均匀性增加,同时 还会不定期地引起机械强度的损失。不同材料被用 作塑料中的导电填充物,包括铝粉和纤维、石墨、 不锈钢、镍粉和涂银玻璃珠。
对于近处频率很低的磁场骚扰源(AC或DC电源线、 电源变压器、马达、继电器等),为了保护对磁场敏 感设备的正常工作,磁旁路是另一种很有效的屏蔽 方法。如下图所示,在这里,为磁场提供一条磁阻 很小的通路,将磁力线约束在这条低磁阻通路中, 使敏感器件免受磁场的骚扰。
综上所述,可以得出如下结论:
(1)低频时,高磁导率材料的磁屏蔽效能高 于高导电性材料,但当频率较高时,高导 电性材料的磁屏蔽效能可能高于高磁导率 材料。
• 一类是静电屏蔽,主要用于防止静电场和 恒定磁场的影响,
• 另一类是电磁屏蔽,主要用于防止交变电 场、交变磁场以及交变电磁场的影响。
电磁屏蔽的机理是电磁感应现象。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对屏蔽体内电 路的影响,产生了屏蔽效果。
同时能够防止电磁波泄漏。由于这里的截止波导截 面是六角形的,形成阵列后很像蜂巢,因此称为蜂 窝板,见下图所示。
使用蜂窝板材料时需要注意的问题同样是蜂窝板周 边与屏蔽基体的搭接问题。
6.2.4 磁屏蔽材料
对许多人而言,低频磁场干扰是一种最难对付的干 扰,这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。 低频磁场往往随距离的增大衰减很快,因此在很多 场合,将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干 扰的十分有效的措施。但当由于空间限制无法采取 这个措施时,屏蔽是一个十分有效的措施。
(2)吸收频带尽可能的宽。
化学镀
化学镀的程序不应与常规的电镀混淆,电 镀需要用直流电流使金属镀覆。化学镀或 自动催化镀是化学镀覆均匀的固态金属涂 层,它将减小零件表面的微电池反应。
火焰喷涂
➢ 金属电弧喷涂,通常用来镀锌,它比导电 漆和箔屏蔽更有效。
➢ 金属电弧喷涂工艺为:在两条金属导线之 间产生电弧,将金属汽化,利用空气吹在 塑料基体上。当熔融金属的粒子撞击塑料 表面时,这些粒子因温度较高而将塑料表 面的塑料融化,金属离子流也被塑料表面 展平并被嵌入,冷却后,形成连续的金属 薄膜。
(4) 底漆 导电漆的性质一般都与基底材料不相容,特别是在 胶质物质中更是如此,所以要用专门的底漆。
导电玻璃
导电薄膜技术还广泛应用于在光学玻璃、有机玻璃 基片上喷涂导电屏蔽层,这种既透光又能导电的玻 璃称为导电玻璃,常用它来制作各种观察窗口的屏
蔽材料,在航空航天领域应用较广。
6.2.2 编织类电磁屏蔽材料
(2)低频磁场屏蔽可使用高磁导率合金构成 磁路,以短路磁力线;
(3)磁屏蔽效能与材料的厚度、磁导率成正 比、与屏蔽体其他尺寸成反比;
(4)磁场很强时,要使用多层屏蔽,以防止磁饱和; (5)机械加工会降低高磁导率材料的屏蔽效能,但 热处理后可以恢复;
(6)高磁导率材料的磁导率与频率有关,一般只用 于1kHz以下。
当需要屏蔽的磁场很强时,仅用单层屏蔽材料,不 是达不到屏蔽要求,就是会发生饱和。这时,一种 方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组 合屏蔽,将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内,它们 之间留有气隙。气隙内可以填充任何非磁导率材料 做支撑,如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体 高得多,因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程 度。
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