抑制电磁干扰屏蔽技术的研究

设备箱体的屏蔽效能计算示意图如图 1 所示。 1）设备箱体的屏蔽材料吸收部分电磁波，形 成吸收损耗； 2）电磁波在设备箱体内发生反射，减小了电磁 波的强度。反射后衰减的电磁波称为反射损耗。 根据 SE ＝ R ＋ A ＋ B 其中，SE 为屏蔽效能，A 为吸收损耗，R 为 反射损耗，B 为多次反射损耗。 上式中
综合上述两种原因，本设备箱体选择蜂窝结 构的通风窗设计，达到良好的屏蔽效果。
2.3 箱体结构优化设计 针为避免设备箱体内的电子学系统的元器件
工作时温度高，必须在箱体采用蜂窝结构设计的 通 风 窗， 为 元 器 件 进 行 通 风 散 热。 根 据 电 子 学 系统的干扰电磁波波长，在箱壁处开圆孔直径为 5mm，那么对波长小于 20mm 的电磁波起到完全 屏蔽。为了进一步加强屏蔽效果，在箱体内壁加 一层孔径为 0.5mm 的金属网，同时又能达到散热 的目的。把边界设置为辐射边界时，加固箱体距 辐射边界的距离为求解频率波长的 1/4。如图 5 所 示。 仿 真 求 解 频 段 为 0.1 GHz ～ 1GHz； 求 解 步 长为 0.02GHz；求解迭代步数为 50 次；求解精度 为 0.02。采用离散扫描。首先提取通风板正前方 8mm 处的泄漏电场的场强值 E1 ；去掉屏蔽壳体 后再提取相应点的电场场强值 E2 ；对比两次场强 结果，得到箱体的屏蔽效能
2.2 箱体通风窗的蜂窝结构设计 设备箱体的实壁开孔结构设计，对于电磁屏
蔽存在两个问题： 1）实壁开孔结构设计要满足形成衰减器的条
件，要求 t 大于 d，即要求箱体的壁厚大于开孔的 孔径。要求孔径小于 l /4 ；
2）如果在设备箱体上直接开通风孔，那么灰 尘 会 通 过 通 风 孔 进 入 箱 体 内， 污 染 电 子 学 系 统， 甚至可能导致短路现象的发生。蜂窝结构设计的 通风窗可以避免此类现象的发生。
（4） 若孔为矩形，其短边为 a，长边为 b，曲积 为 S'，设与矩形孔泄漏等效的圆孔面积为 S，则：
S ＝ kS'，k ＝
当 b/a ＝ 1 时，即正方形孔 当 b/a ≫ 1 时，即狭长矩形孔
（5） 结合上述几个公式可得泄漏磁场强度。
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在实际情况下，金属屏蔽板后侧电磁波总的 透射系数 应为金属屏蔽板本身的透射系数 TS 与孔 洞电磁波的透射系数之和，即
2௝
‫ۉ‬ᇸ
图7 EMI测试框图
3.2 测试过程描述 试样件放在屏蔽室内的测试圆台上（圆台上覆
有接地铜皮），在距试样 1m 处，分别架设有源棒 状天线（10kHz ～ 30MHz）、双锥天线（30MHz ～ 200MHz）、 对 数 周 期 天 线（200MHz ～ 1GHz）
和 双 脊 喇 叭 天 线（1GHz ～ 18GHz）， 在 30MHz ～ 18GHz 测试频段，进行天线的水平极化 和垂直极化方式测试。用 ESI40 接收机监测试样及 有关电缆的电场辐射发射 [3]。 3.3 测试曲线
0 引言
箱体屏蔽是抑制电磁干扰（EMI）的重要手段， 主要针对辐射的电磁干扰进行抑制。对于装在箱体 内的电子学系统来说，该系统运行过程中需要通风 散热，要显示电压电流值、显示运行状态，那么通 风孔、安装表计及外部连接器需要在钢板上开孔， 箱体上留下缝隙，就会破坏完整的密封屏蔽，由此 引起的屏蔽性能的下降。通过设备箱体的屏蔽设 计，提高设备的屏蔽性能，要求设备箱体抑制 EMI 能力达到 GJB151A-97 RE102 标准限值。
出于分析的角度，利用式（1）来计算位吸收 损耗：
（dB）
（1）
式 中 f 为 频 率（Hz），m r 为 屏 蔽 体 材 料 相 对
于铜的相对磁导率、s r 为屏蔽体材料相对于铜的 相 对 电 导 率，m 0 ＝ 4p ×10 － 7 H/m 为 常 数，s 0 ＝ 5.82×10 － 7 / W·m 为常数，l 为壁厚（cm）。
其中
T 总＝ TS ＋ Tnh
（6）
因此总的屏蔽效能为
（dB）
（7） （8）
2 屏蔽体通风孔的结构设计
合理的结构设计，可以使屏蔽体在开了若干 通风孔以后，不但能保证良好的通风散热，而且 能保证屏蔽效能不下降，其基本出发点在于，将 每个通风孔设计成对欲屏蔽的电磁波构成衰减波 导管的形状 [2]，如图 3 所示。
能会在在屏蔽结构上开有圆形或矩形的孔洞，电 磁波会通过这些孔洞产生泄漏。
设屏蔽板上有若干个孔洞，包括圆孔和方孔， 孔的面积为 S，屏蔽板面积为 A，当 A 远大于 S 的时候，亦即圆孔的直径或方孔的边长比波长小 很多时，通过孔洞泄漏的磁场强度 Hp 为
（3） 若屏蔽板上有 n 个孔，则总的泄漏磁场强度为
计。最后，对设备进行EMI辐射测量，实测数据未超过GJB151A-97 RE102限值，验证设备
箱体的EMI屏蔽设计达到了设计要求。
关键词： 电磁干扰；屏蔽技术；仿真；测量
中图分类号：TN492
文献标识码：B
文章编号：1009-0134(2011)5(下)-0071-04
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).21
第33卷 第5期 2011-5(下) 【71】
෇พհ
‫ݒ‬พհ S2 ‫ݒ‬พհ S3
ೡԸ༹ TF >S,B,C ‫ݒْܠ‬พ໦ࡼ C
场强度为 Hp，当趋肤深度 d ＞ 0.3g 时，可以得到 Hp ＝ H0-ptg。由上式分析可以知道，当缝隙较窄较 深时 ( 亦即 t 较大，g 较小 )，磁场泄漏就小，反 之就大。磁场通过这个缝隙的衰减为
ೕ୲DŽNI{Dž 图6 加固箱体屏蔽效能仿真结果曲线
表1 加固箱体屏蔽效能仿真结果数据
频率/ （f/MHz）
5
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
屏蔽效能/ （SE/dB）
29.23
29.87
31.19
32.89
34.78
37.06
30.45
40.26
48.79
1.3 不完整屏蔽对屏蔽效果的影响
1.3.1 缝隙影响 如图 2 所示，设在金属屏蔽体中有一无限长
的缝隙，其间隙距离为 g，屏蔽板的厚度为 t，入 射电磁波的磁场强度为 H0，泄漏到屏蔽体中的磁
【72】 第33卷 第5期 2011-5(下)
Hp t
g HO
图2 无限长缝隙示意图
1.3.2 通孔影响 由于通风及其安装固定各种附件的需要，可
（dB） （2）
S2 ‫ׇ‬ഽ
ဌ๭໦ࡼ B S3
P
ਐ૗
图1 屏蔽效能计算示意图
公式（2）只是对实际情况的简化和抽象，缝 隙所带来的泄漏比较复杂，它与缝隙的宽度、板 材的厚度，缝隙的数目以及波长等都有密切关系。 干扰的频率越高，缝隙的泄漏越严重，特别是当 缝 隙 的 直 线 尺 寸 接 近 波 长 时， 会 产 生 天 线 效 应， 严重地破坏屏蔽体的屏蔽效果。
46.23
22.98
频率/ （f/MHz）
550
600
650
700
750
800
850
900
950 1000
屏蔽效能/ （SE/dB）
32.35
30.54
11.79
14.48
19.36
20.20
10.42
13.91
19.55
13.71
3 EMI测量结果
3.1 测试框图 测量来自设备及其有关电线、电缆的电场辐
本实验是在中国科学院光电研究院 EMC 实验 室进行，图 8 是天线垂直极化状态下的电场辐射 发射曲线（10kHz ～ 1GHz），图 9 是天线水平极 化状态下的电场辐射发射曲线（10kHz ～ 1GHz）， 图 10 是天线水平极化状态下的电场辐射发射曲 线（1GHz ～ 18GHz）。
Level [dBμV/m] 100
射发射，EMI 测试框图如图 7 所示。
֪ଉথ๭ऐ ESI40 RF2 in
CPI/X2 CPI/X3 CPI/X4
‫ۉ‬ᇸ ߇ཀ၍HFH2-Z6 ມጔཀ၍HK116 ‫ܔ‬ຕዜ೺ཀ၍HL223
‫ۉ‬ᇸ๼෇ LISN
CPI/X6
ມभચӔཀ၍HF906
ᇨ‫ݣ‬ഗJS4-00101800-28-5A
EUT
使得大部分磁通在磁屏蔽体上来分流，达到屏蔽的 目的。磁导率成为选择磁屏蔽材料的主要依据。
通常磁性材料分为： 1）弱磁性材料，包括顺磁性物质和抗磁性物 质，其特点是相对磁导率产 mr ＝ 1，B 与 H 是线 性关系，mr 在任意频率的环境中，始终保持常数； 2）强磁性材料：铁磁性物质，其特点是 B 与 H 为非线性关系，频率增高，磁导率 mr 降低。 屏蔽效能除了与屏蔽材料直接相关外，与屏 蔽体结构也相关。 电屏蔽结构，影响电屏蔽的一个重要的因素 就是分布电容 C，减小 C 就能提高屏蔽效能。因 此一般情况下，电屏蔽体的形状最好设计成盒形， 盒形结构通常包括单层盖结构盒双层盖结构，根 据要求屏蔽的程度不同来选择。 磁屏蔽结构，磁屏蔽是利用屏蔽体对磁通进 行分流，因而大多采用盒状、筒状或柱状的结构。 由于磁阻与磁路的横截面积 和磁导率成反比，因 而磁屏蔽体的体积和重量都比较大。若要求较高 的屏效时，一般采用双层屏蔽，此时在体积重量 增加不多的情况下，能显著提高屏蔽效能。 电磁屏蔽结构，电磁屏蔽是利用屏蔽体对干 扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量作用 的。 因 此， 电 磁 屏 蔽 可 采 用 板 状、 盒 状、 筒 状、 柱状的屏蔽体。
1 屏蔽技术分析
屏蔽是以某种导电材料或导磁材料制成的屏 蔽体将敏感器件或区域封闭起来，形成电磁隔离， 达到阻断或减少电磁能传播的一种技术，是抑制 电磁干扰的措施之一。屏蔽抑制的是以场的形式 沿 空 间 传 播 的 干 扰， 它 是 一 种 双 向 抑 制 的 技 术， 既可以限制内部辐射的电磁能量泄漏，又可以防 止外部辐射干扰进入。
电磁屏蔽按其屏蔽原理可分为： 1）电场屏蔽，包含静电屏蔽和交变电场屏蔽； 2）磁场屏蔽，磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和 高频磁场屏蔽； 3）电磁场屏蔽，既是前两种的总和。
1.1 电磁干扰的屏蔽效能 屏 蔽 效 能 是 用 来 描 述 屏 蔽 体 的 好 坏 的 指 标。
它表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度。由于屏蔽 体通常能将电磁波的强度衰减到原来的 1/100 至 1/10000，因此通常用分贝来表述 [1]。
SE ＝ 20lg (E2/E1)
（10）
（9）
d t
c
l 图4 实壁开孔通风示意图
‫ޖ‬พՉহ 图5 加固箱体的边界设置示意图
图 6 为仿真得到的屏蔽效能曲线。表 1 为屏
第33卷 第5期 2011-5(下) 【73】
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蔽效能具体实验数据。
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
2. 中国科学院 研究生院，北京 130039；3. 长春理工大学 电信学院，长春 130022）
摘 要： 本文详细分析设备中存在的电磁干扰，首先采用盒状设计方法，要求箱体表面缝隙的直线尺
寸要小于干扰电磁波波长的1/4，箱体的通风孔设计成波导管的形状，对欲屏蔽的电磁波构
成衰减。然后，通过软件仿真得到箱体屏蔽效能曲线和数据，根据仿真结果优化箱体结构设
抑制电磁干扰屏蔽技术的研究
Research on the shielding technology for EMI suppression 王 威1,2，徐抒岩1，杨 絮3
WANG Wei1,2, XU Shu-yan1, YANG Xu3
（1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；
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m )b*ᇶႚ
c )c* ਈႚ੥
图3 波导管形式的通风孔截面图
2.1 箱体通风窗的实壁结构设计 通 用 通 风 窗 结 构 是 直 接 在 屏 蔽 体 壁 上 开 孔，
如图 4 所示。每个通风孔直径为 d，相邻通风孔间 矩为 d，相邻通风孔间矩为 c，通风孔形成的通风 窗口 ( 孔陈列 ) 的边长为 l，屏蔽壁厚为 t，则该窗 口对磁场的总屏蔽效能为
80
60
1.2 箱体屏蔽材料的特性及其结构选择 由磁屏蔽理论可知，磁屏蔽是利用由高导磁材
料制成的磁屏蔽体来构成的，提供低磁阻的磁通路
收稿日期：2010-11-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60507003） 作者简介：王威（1978－），男，河南驻马店人，副研究员，研究生，主要从事电源和EMC设计工作。