电磁波屏蔽原理和屏蔽材料

电磁波屏蔽原理和屏蔽材料作者：陈亚庆指导老师：魏相飞摘要：电磁波对人类文明与社会发展具有重要的意义。

电磁波作为信息的载体应用于通信、广播、电视，作为探求未知物质世界的手段用于雷达、导航、遥感遥测等。

随着科学技术的发展，越来越多的电磁波的应用被发现。

但电磁波在造福人类的同时也给环境带来污染。

本课题要求通过广泛的调研，了解电磁波的传播原理，屏蔽原理以及相关的屏蔽材料。

关键字：电磁波；电磁波屏蔽；电磁波屏蔽材料。

The Electromagnetic Shielding Principle And Shielding Material Abstract：The electromagnetic wave to the human civilization and social development has the vital significance. Electromagnetic wave as the carrier of application information in communication, broadcast, television, by exploring the unknown material world means used in radar, navigation, remote sensing etc. With the development of science and technology, more and more application of electromagnetic waves was found. But the electromagnetic wave in the benefit of mankind but also pollute the environment. This topic through extensive investigation and research, understand the electromagnetic shielding and material, shielding principle and material Keyword：Electromagnetic waves,; electromagnetic screen; Electromagnetic shielding materials.引言：老一辈物理学家麦克斯韦，赫兹等发现并创立了电磁理论，为后人开拓电磁波在各个领域内的应用奠定了坚实的基础；如今，电磁波已经成为我们生产生活不可或缺的工具，随着科技的发展和人类认识水平的提高，电磁波应用的途径越来越多、范围越来越广。

电磁波给人们带来生活便利与社会进步的同时，也给我们环境带来了污染，危害着我们的健康。

近些年来，由于伴有电磁辐射的设施大量增加，电磁辐射对环境及人体健康的影响已成为人们关心的话题，电磁污染源包括：广播、电视电脑系统、通讯发射系统、高压输电线路、工业等等，为了更加了解我们身边无形的杀手，许多电磁方面学者做了大量研究，并获得了大量成果，研究出电磁辐射原理，总结了如屏蔽、射频接地、线路设计与元件结构等等防护方法。

各研究学者从原理出发，发现了电磁辐射对人体的危害途径并加以分类，如：慢性危害，急性危害，远期危害等以及电磁波危害人体的基本机理，如电磁波主要通过对人体几大系统的作用，如内分泌系统、心脑血管系统、中枢神经系统等。

从改变系统的均衡状态，产生各种疾病症状。

本文通过广泛的调研，介绍了电磁波的传播原理，再分析总结出电磁波的屏蔽原理。

通过对电磁波屏蔽原理的分析，了解电磁波的屏蔽材料，如何有效的预防电磁波的污染。

1 电磁波的原理电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量，电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、x射线和伽马射线等等。

人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780 nm之间，称为可见光[5]。

只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。

因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。

但是只有处于可见光频率之内的电磁波，才可以被人们看到的。

2 电磁波性质电磁波的磁场、电场及传播方向三者互相垂直。

电磁波为横波。

振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，强度与距离的平方成反比，电磁波本身带动能量，任何位置的能量功率与振幅的平方成正比。

电磁波传播速度等于光速c（3×108 m/s）。

在空间传播的电磁波，与距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。

三者之间的关系c=λf。

电磁波频率低时，主要借导电体才能传递。

在低频的电振荡中，磁与电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递，在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射，举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样[5]。

通过不同介质时，电磁波也会发生折射、反射、散射、绕射及吸收等。

电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的传播速度不同。

不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。

且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。

电磁波的波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波动性。

3 电磁波对人的影响电磁波带给人们方便的同时，也给人们的身体健康带来危害。

从大的方面说，电磁辐射的生物效应分为电离辐射效应和非电离辐射效应两种。

当电磁波的能量>124 eV时，就可以产生电离辐射效应。

我们所熟知的x射线和γ射线所具有的能量均超过了这个值，会对人体产生电离辐射效应，而能量稍弱的可见光、红外线、微波、无线电波、红外线、微波，会对人体产生非电离辐射效应。

4 电磁屏蔽原理电磁屏蔽原理电磁屏蔽的作用是减弱由某些辐射源所产生的某个区(不包含这些源)内的电磁场效应，有效地控制电磁波从某一区域向另一区域辐射而产生的危害，其作用原理是采用低电阻的导体材料，由于导体材料对电磁能流具有反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果，通常用屏蔽效能(SE)来表示[4]。

EMI屏蔽是指电磁波的能量被材料吸收或反射造成的衰减，通常以屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)表示，屏蔽效能是指未加屏蔽时某一观测点的电磁波功率密度与经屏蔽后同一观测点的电磁波功率密度之比，即屏蔽材料对电磁信号的衰减值:SE=20log(P i/P0) （1）式中Pi，和P0;分别表示入射和透射电磁波的功率密度，屏蔽效能的单位为分贝(dB)；衰减值越大，表明屏蔽效能越好；EMI屏蔽有近场和远场两种，当辐射源和屏蔽材料之间的距离(D)大于λ/2π时，属于远场屏蔽，其中λ是辐射源的波长。

当D＜λ/2π时，属于近场屏蔽。

电磁波人射到材料表面时，会发生吸收、反射、内部反射和透射(如图1)[8]。

图1 电磁波入射示意图：1-屏蔽材料；2-塑料；3-透射波；4-吸收；5-入射波；6-外反射；7-内反射）屏蔽效能为电磁波被屏蔽层反射、吸收及内部反射之和，表示公式为: SE=R+A+B，式中R为反射损耗，A为吸收损耗，B为内部反射损耗。

A与电磁波的类型(电场或磁场)无关，只要电磁波通过屏蔽材料就会有吸收，屏蔽效能与材料的电导率及磁导率成正比，并与材料厚度呈线性增加。

多层材料的叠加可减小磁畴壁，从而增加磁导率，故而材料越厚，吸收损耗越大。

R与辐射源的类型及屏蔽材料到辐射源的距离有关，且与材料的表面阻抗有关。

对于高频，A的值很大，B可以忽略不计。

而对于低频，A的值很小，B就必须考虑。

ICP （intrinsic conductive polymer ）材料，如PANI(聚苯胺)、PPY （聚吡咯）、PTH （聚噻吩），具有较高的电导率和介电常数，加上质轻、环境稳定性好等优点，是应用前景十分广阔的EMI 屏蔽。

尤为重要的是，ICP 不仅能通过反射损耗，更能通过吸收损耗达到EMI 屏蔽目的，因而比金属屏蔽材料更具优势。

下表为典型金属材料和ICP 材料物理性能的比较。

电导率（s/cm ）密度 （g/cm -3） 机械硬度 塑性 加工性 吸收损耗金属≥105高（Cu ）≌8.9 好 差 差 反射损耗 ICP(1～102) 低（PPY ～1.2） 差 好 好 吸收损耗 表1（典型金属材料和ICP 材料物理性能的比较）按工作原理，电磁屏蔽可分我以下三类：电场屏蔽：静电屏蔽、低频交变磁场屏蔽（利用良好的接地的金属导体制作）；磁场屏蔽：静磁屏蔽、低频交变磁场屏蔽（利用高导频率材料构成低磁阻通路）；电磁屏蔽：用于高频电磁场的屏蔽（利用反射和衰减来隔离电磁场的耦合）。

我们用屏蔽效能来定量评价屏蔽体的性质，屏蔽效能的定义为：（2） （3） E0、H0-未加屏蔽时空间中某点的电（磁）场，E 0、H 0-未加屏蔽时空间中某点的电（磁）场。

4.1 电场屏蔽电场屏蔽是防止两个设备（原件、部件）间的电容性耦合干扰。

电场屏蔽可以分为静电屏蔽和低频交变电场屏蔽两种。

静电屏蔽的原理是经典平衡，要求屏蔽材料的完整性和良好的接地（如图二）。

低频交变电场屏蔽主要是抑制低频电容性耦合干扰，主要的设计要点是低频交变电场屏蔽屏蔽体的材料以良导体为好，对厚度无要求；屏蔽体的形状对对屏蔽效能有明显影响；屏蔽体好靠近受保护的设备；屏蔽体要有良好的接地。

图2 静电屏蔽原理示意图4.2 磁场屏蔽1E SE E =01H SE H =01(dB)20log E SE E =01(dB)20log H SE H =或 或磁场屏蔽也可以分为低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两种。

低频磁场屏蔽是利用高导磁率的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡莫合金），对干扰的磁场进行分路：高频磁场屏蔽是利用低电阻的良导体中形成的涡电流产生反向磁通抑制入射磁场。

磁场屏蔽原理的设计要点是屏蔽体要选用高导磁率的材料，但应防止次饱和；尽量缩短磁路长度，增加屏蔽体的截面积（厚度）；被屏蔽物体不要紧贴在屏蔽物体上；注意屏蔽体的结构设计，缝隙或长条通风孔循着磁场方向分布；对于强磁场的屏蔽可采用多层屏蔽，防止发生磁饱和；对于多层屏蔽，应注意磁路上的彼此绝缘；4.3 电磁屏蔽电场屏蔽的原理是在入射表面的反射衰减；未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减；在屏蔽体内部的多次反射衰减(只在吸收衰减<15 dB情况下才有意义)；电磁屏蔽的设计要点是屏蔽材料越厚，吸收损耗越大，厚度增一个趋肤深度，吸收损耗增加得9 dB；磁导率越高，吸收损耗越大；电导率越高，吸收损耗越大；频率越高，吸收损耗越大。