第七章 电磁屏蔽室

第七章电磁屏蔽室(第10次课)电磁屏蔽室是抑制电磁辐射，防止电磁污染的一种极为有效的技术手段。

电磁屏蔽室与全屏蔽属于同一概念，电磁屏蔽室是一种可以将电磁场的影响抑制在一定范围之内或一定范围之外的装置。

一座高效能的屏蔽室，一般认为能够抑制一定数量的电场、磁场或电磁场。

通常,屏蔽室所需要的屏蔽效能因用途的不同而有所差异，达到100dB数量级的屏蔽效能完全可以满足绝大多数情况下的屏蔽要求。

为研究近场防护和防止电磁辐射污染环境，重点讨论屏蔽结构等影响屏蔽效能的因素是极为必要的。

第一节电磁屏蔽室概论一、屏蔽室分类1、按用途分类：屏蔽室按用途可以分为以下四类第一类：阻断室内电磁辐射向外界扩散。

用来抑制无线电设备、射频设备对外界的干扰，以减少无线电设备、射频设备对附近的其他无线电设备、仪器仪表等的干扰危害；同时，保证自由空间干扰电平维持在允许水平电平以下，从而达到空间电波管理的目的。

第二类：隔离外界电磁干扰，保证室内电子、电气设备正常工作。

特别是在电子元件、电器设备的计量、测试工作中，利用电磁屏蔽室（或暗室）模拟理想电磁环境，防止无线电设备、仪器仪表等的工作受到外界电磁场的干扰，以保证低电平设备的正常调试、测量仪器的校准，提高检测结果的准确度。

有效的操作灵敏度高的无线电设备与电子设备，可靠的提供一个没有电磁干扰的地方。

第三类：防止电子通信设备信息泄漏，确保信息安全。

为了保守国家机密，防止无线电设备泄漏出来的信号被敌人“窃听”，必须用屏蔽室来达到防泄漏的目的。

电子通信信号会以电磁辐射的形式向外界传播，敌方利用监测设备即可进行截获还原。

电磁屏蔽室是确保信息安全的有效措施。

第四类：近几年来，由于射频大功率设备的大量投入使用，射频近场防护尤为突出。

屏蔽室作为抑制大强度的电磁辐射，防止射频设备对作业人员的危害与影响，防止环境污染，已经成为一种重要措施。

2、按结构组成分类屏蔽室按其结构组成可以分为两类简单说来，电磁屏蔽室就是一个钢板房子，冷轧钢板是其主体屏蔽材料。

包括六面壳体、门、窗等一般房屋要素，只是要求严密的电磁密封性能，并对所有进出管线作相应屏蔽处理，进而阻断电磁辐射出入。

（1）板型屏蔽室：钢板焊接式屏蔽室采用2～3㎜冷轧钢板与龙骨框架焊接而成，屏蔽效能高，适应各种规格尺寸，是电磁屏蔽室的主要形式。

板型屏蔽室是由若干金属板或金属薄片组成。

整个屏蔽室的各个金属板之间，门窗与金属板之间都必须进行良好的电气连接。

如果屏蔽室采用整块金属做成屏蔽间时，那么增大材料的电导率就会提高其屏蔽性能，特别是当材料为理想导体情况下，屏蔽的外部空间或内部空间不会有任何电磁场作用。

板型屏蔽室，是靠在屏蔽室的板壁上有射频感应电流的产生与流通，通过接地系统导流达到屏蔽的目的。

所以，采用整块金属板屏蔽，其感应电流的分布均在屏蔽体的整个表面，电流所遇到的感抗比集中在金属网网丝上的电流所遇到的感抗小。

因此，板型屏蔽室是一种高效能的屏蔽室，适用于近场防护和抗干扰、保密通信等方面。

（2）网型屏蔽室：由若干金属网或板拉网等嵌在骨架上组成的屏蔽体。

它又可分为两种：①装配式网状屏蔽室：将金属网或板拉网分别固定在木制骨架上，然后再将固定有金属网的框式骨架用螺栓紧固连接好，金属网骨架之间用铜带等导体良好连接。

这种结构型式的屏蔽室可以拆卸与组装，结构简单，造价低，一般称为装配式网状屏蔽室。

在防止工业干扰场合多有应用。

装配式网状屏蔽室屏蔽效能一般均比板型屏蔽室的效能低，见表8－2。

（P172书）②焊接固定式网状屏蔽室：将金属网或板拉网固定在骨架上，然后将所有金属网焊接好，组成一焊接整体，即为焊接固定式网状屏蔽室。

焊接固定式网状屏蔽室不能拆装，但电气性能优于装配式网状屏蔽室，可用于固定场合。

二、屏蔽室的设计原则屏蔽室的设计必须遵守如下原则：1.屏蔽室要有足够的屏蔽效能。

一般来讲，近场人员防护用屏蔽室的屏蔽效能估算为102～105；工业干扰防护用屏蔽室的屏蔽效能估算为105～108；2.屏蔽室的空间大小与设置部位应根据射频设备的功率、输出形式、作业条件和现场环境而定，一般情况下屏蔽与射频设备的间距不应小于2～3m，且屏蔽室与设备间的间距均等。

3.屏蔽室的结构要六面体，各屏蔽部件间的电气连接性能良好，严防漏场现象的发生。

4.屏蔽室的电源线设计要合理。

进入屏蔽室的电源线、通信信号线等导体都会夹带传导电磁干扰，必须有相应的滤波器加以滤除。

为了防止射频能量通过电源线传播与辐射，必须在线路上加低通滤波器。

5.屏蔽室应设有必要的出入口、通风与照明设施，这些部分要妥善处理，最大限度地减少电磁泄漏。

6.屏蔽室应有良好的耐腐蚀性和足够的机械强度，同时要安装方便、造价低。

第二节 屏蔽室屏蔽效能的分析屏蔽体的屏蔽效能由两部分构成，吸收衰减和反射反射。

当电磁波入射到不同介质的分界面时,会发生反射,于是减小了继续传播的电磁波的能量。

由于反射造成的电磁波的衰减,称为反射衰减。

当电磁波在屏蔽材料中传播时,会产生损耗，这种损耗称为吸收衰减。

一、吸收衰减由表达式d f dμσπδ7.87.8=可以看出，吸收衰减与频率的平方根成正比，与材料的磁导率和电导率的乘积的平方根成正比，还与材料的厚度成正比，但与电磁波形（不管是平面波还是非平面波）及屏蔽的外形基本上无关（只要屏蔽外壳地曲率半径大于透入度的10倍即可，而所有屏蔽室均能满足此条件）。

通常的板式电磁屏蔽室，其吸收效能被当成屏蔽效能的基本部分（因为它与波形无关）。

既然吸收衰减与材料的磁导率和电导率的乘积的平方根成正比，而一般金属的电导率的差别不太大（其大小是在同一数量级内变化），因此金属材料的磁导率μ值越大，则该金属材料的吸收衰减便越大。

通常铁是具备了这一条件的，由于铁的磁导率很高，而电导率也不低，且价格比铜或铝便宜，来源方便；但铁的能量损耗较大，因而在屏蔽某些特殊的无线电设备时，可能影响设备的性能和造成大的能量损失。

图8－3是0.5mm 厚度的铁板与铜板的吸收衰减与频率的关系曲线。

从曲线可以看出，随着频率的升高吸收衰减也随着增大，其中铁的吸收效率大于铜的吸收效率。

二、反射衰减屏蔽室的反射衰减，完全决定于电磁波射入屏蔽壳体时，波阻抗的失配情况，也就是说取决于空气波阻抗与屏蔽壳体波阻抗的差别。

不同类型的电磁波，即使在同一频率范围内所产生的反射衰减，其差别是极大的；屏蔽材料对反射衰减的影响也相当显著。

为了叙述方便，现分别对平面电磁波和非平面电磁波的情况进行讨论。

1、平面电磁波的反射衰减 当πλ23>r ，在计算反射衰减时可按平面电磁波处理，空气介质的波阻抗为常数Ω==3771200πZ 。

式中r ――干扰场源至屏蔽壳体的距离，λ――电磁波长。

既然平面电磁波在空气介质的波阻抗为常数Ω==3771200πZ ，因而平面电磁波的反射衰减完全取决于屏蔽壳体的波阻抗m Z ；而金属的波阻抗σμπf Z m 2=。

由平面波反射衰减的表达式可知，在相同的屏蔽材料的情况下，反射衰减是与频率的平方根成反比，频率越高，反射衰减值越小。

而在同一频率下，反射衰减与材料电导率的平方根成正比，而与材料磁导率的平方根成反比。

由于Fe Cu Fe Cu σσμμ><<;。

所以铜的反射衰减在任何情况下均大于铁。

图8－6表示了在平面波场条件下铜与铁的反射衰减与频率的关系。

（P175书）2、非平面波反射衰减 当πλ2≤r 时，电磁波已不能作为平面波处理了。

对于非平面波，空气的波阻抗已变成频率rf 、距波源距离的函数。

而金属的波阻抗，在其材料相同与频率相同的条件下，是与波的类型无关的。

对于屏蔽室来说，非平面波一般都是在100MHz 以下的频段出现的，非平面波的反射衰减如下式从这个公式可以看出，对于同一种屏蔽材料，反射衰减是与频率的平方根成正比的，这一点恰好与平面波相反；与平面波一样，铜的反射衰减在非平面波中也总是大于铁的反射衰减。

在非平面电磁波中，反射衰减还取决于屏蔽空间的大小，即和屏蔽室的等效半径有关，屏蔽室的等效半径越大，则反射衰减越大；另外，非平面波的反射衰减还取M Z Z S 4lg 200=反⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=--r f r Z f S M μπσ21032.1lg 201032.1lg 2066反决于μσ。

由于铁的磁导率很大，电导率较低，所以当使用铁来做仪器的屏蔽箱时，在低频（小于103Hz ）的情况下，其反射衰减是十分小的，小到可以忽略的地步，此时屏蔽的效能完全是靠吸收衰减。

三、电磁辐射衰减规律1、在相同的频率和厚度下，铁的吸收衰减大于铜。

2、在相同的频率和等效屏蔽半径下，铁的反射衰减小于铜。

3、平面波场的反射衰减随频率的升高而下降；非平面波场的反射衰减随频率的升高而升高。

4、非平面波场的反射衰减随屏蔽等效半径的增加而增加，但这有一极限，当等效半径增加到一定程度时，非平面波进入平面波的范围，反射衰减到达一最大值，此后随着频率的增加，反射衰减反而减少。

（因当非平面波进入到平面波的范围后，反射衰减将遵守平面波的衰减规律）。

5、在相同的频率下，平面波的反射衰减大于非平面波，而吸收衰减等于平面波。

而吸收衰减与频率无关，即平面波的吸收衰减等于非平面波的吸收衰减6、吸收衰减随着屏蔽厚度的增加而急剧上升（铜的增加速度比铁慢），因而可充分利用铁的这一优点。

在低频情况下，用增加厚度的办法来弥补反射衰减的不足以达到增加屏蔽效能的目的（低频情况下，非磁性材料的铜，其屏蔽效能主要依靠其反射衰减，而吸收衰减甚微，增加铜的厚度效果极小，而铜的反射衰减在低频下也是低的）。

但在极低频率如工业频率（102Hz 以下），对某些仪表的小型屏蔽箱，由于屏蔽的等效半径特别小，频率又极低，所以铁的反射衰减很小（甚至是负值）。

为了提高屏蔽效能，此时可考虑采用高磁导率的软铁材料（软铁材料的初始磁导率可达1000以上），以增加其吸收衰减，此外在该种情况下可考虑多层屏蔽。

第三节 屏蔽室屏蔽效能估算及屏蔽效能影响因素一、屏蔽室屏蔽效能的估算合理设计屏蔽室，首先必须知道屏蔽室所必须达到的屏蔽效能的概略数值，也就是说要求屏蔽室能将电磁辐射场强衰减到多少倍。

因此，必须在设备附近设置屏蔽室的地方预先测出电磁辐射的场强值是多少。

若以这个地方的场强值为E 1，则屏蔽室的屏蔽效能可用下式进行估算:式中：S ――屏蔽室的屏蔽效能，dB ；E 1――屏蔽前的场强允许值；E 2――屏蔽后的场强允许值。

一般而言，屏蔽室的屏蔽效能可以根据用途和辐射场强的大小确定，屏蔽效能约在102～105倍的范围内，即40～100dB 之间（由于用屏蔽前后场强的绝对值表示很不方便，通常用对数来表示）。

如果用0.3mm 的铜皮制成全封闭的屏蔽室，再设置一个电源滤波器用来消除由于工频电源所引起的电磁泄漏，则可以获得100dB 以上数量级的屏蔽效能；若用1～1.5mm 厚的整体钢板制成屏蔽室，可以达到同样的屏蔽效果。