电磁兼容(第六章)屏蔽

2Z 2 E1 E0 Z1 Z 2
阻抗Z1
阻抗Z2
2Z 1 H1 = H0 Z1 + Z 2
同样，当电磁波从屏蔽体射出时，将会再次产生反射。反 射损耗也同样取决于两种介质的特性阻抗之差。
介质1 E0 Er1
介质2
2Z 2 E1 = E0 Z1 + Z2
介质1 Et
2Z 2 Et = E1 Z1 + Z2
S A R B
dB
如果吸收损耗大于9dB，那么多次反射因数B可以忽略 不计。从实际工程实践结果来看，对于电场和平面波，校 正因数B也可以忽略不计。
第四节 吸收损耗和反射损耗
一、吸收损耗
电磁波穿过介质传播时，呈指数下降。产生这种衰减的原因 是入射电磁波在介质中产生的感应电流导致欧姆损耗。穿过介 质的电磁波场强可以表示为：
H 1 H 0e t /
式中：E1(H1)是介质内距离t处的电磁波场强；ζ为集肤深度。 我们将电磁波场强衰减到入射电磁波初值的1/e或37%时所经过 的距离称为集肤深度。
E 1 E 0e t /

2

入射场强 E0
到入射边界的距离 t
残余场强 E1 磁导率µ 电导率ζ
介质
剩余场强E1 E0
0
δ 电磁波穿过吸收介质时的衰减
t
为了得到理想的各种介质材料的典型集肤深度值，我们可 以用相对电导率和磁导率来化减集肤厚度公式。以英寸为单位 可有：

2


2.6 frr
in
我们将屏蔽体的吸收损耗，用分贝表示为形式，可得：
t A 20 lg( e)
f
ZS 3.68 107
f
ZS 4.71 107
ZS 3.68 10
5
f
f
第三节
Hale Waihona Puke Baidu屏蔽效能
一般采用两种方法来确定屏蔽效能：一种是应用电路理论； 另一种是应用场的理论。根据电路理论，噪声场会在屏蔽体上产 生感应电流，反过来这个电流会产生另外一个与原来场方向相反 的场与原来的场相互抵消。
反射损耗(dB)
0.1kHz
1MHz 100MHz
五、电场的反射损耗
点电场源的波阻抗在r</λ2π的条件下，可以表示为：
1 ZW e = 2πrfε
式中：r为屏蔽体到源的距离，单位：m；ε为介电常数。 将它带入前面的反射损耗公式，可得：
1 Re = 20 lg 8 πrfε ZS
自由空间中：
dB
dB
4Z 2 Et E0 Z1
4Z 2 Ht H0 Z1
假若用波阻抗ZW代替Z1，屏蔽阻抗ZS代替Z2，并忽略多次反 射损耗，那么无论是电场还是磁场，其反射损耗都可以表示为：
R 20 lg
ZW 4 Z2
dB
式中：ZW为进入屏蔽体前的波阻抗；ZS为屏蔽体的阻抗。 以上我们得出的反射损耗公式，只适用于在法线方向上到达 屏蔽体界面的电磁波。如果电磁波不是在法线方向到达屏蔽面， 那么反射损耗将会随着入射角度的增加而增大。由于任何电磁 波都可以分解为若干个平面波来表示，所以这个结果同样也适 合于平面波以外的其它类型的电磁波，而且这个结果也适用于 曲线型界面，但是需要满足界面的曲率半径远大于集肤厚度的 条件。
dB
4.5 ×10 Re = 20lg fr ZS
9
将导体的波阻抗公式带入，可得：
σr Re = 322 + 10 lg μrf 3 r 2
对于实际的电场源，除了产生电场之外，还会产生一小部 分磁场分量，所以屏蔽体对这种场源的反射损耗就介于电场 损耗曲线和平面波损耗曲线之间。
六、磁场的反射损耗
过渡区 磁场(H∝1/r3,E∝/1r2） 近场 远场 0.5 1.0 从源到λ/2π
5.0
在近场区域，由于电场和磁强的强度比不是一个常数，所以电场和磁场 应当分别进行考虑；如果源具有大电流、低电压特性，近场主要是磁场； 如果源具有高电压、小电流特性，近场主要是电场。在远场区域，电场和 磁场合成平面波，波阻抗大小为377Ω。
第二节
波 阻 抗
确定波阻抗需要使用的介质物理常数： 自由空间磁导率 µ 4π×10-7 H/m ： 自由空间介电常数ε ： 8.85×10-12 H/m 介质电导率（铜）ζ： 8.85×10-12 H/m E 波阻抗定义： ZW
j j 如果是远场平面波，介质的特征阻抗Z0等于波阻抗ZW。 对于绝缘体(ζ<<jωε)，特征阻抗和频率无关。
三、平面波的反射损耗
如果电磁波是远场平面波，那么波阻抗ZW等于自由空间的特 性阻抗Z0=377Ω，所以电磁波的反射损耗可以表示为：
94.25 R 20lg Z2
dB
可以看出：屏蔽体阻抗越小，平面电磁波的反射损耗越大。 我们将前面得出的导体特性阻抗的公式带入，可以得到金属屏 蔽体的反射损耗表达式：
第一节 近场和远场
场的特性取决于源、源周围的介质和源到观察点的距离等因素。距离源 比较近的点，场的特性由源的特性决定；在距离源比较远的点，场的特性由 场传输过程中经过的介质决定。
近场 感应场
远场 辐射场
源
λ/2π
到源的距离
辐射场空间可以划分为2个区域：到源距离小于λ/2π的区域称为近场或 感应场；到源距离大于λ/2π的区域称为远场或辐射场。 在λ/2π的区域范 围内则存在一个过渡区域。
实际中有些源，本身就是辐射型的（电台、雷达等）。这 时需要对被干扰对象进行单独屏蔽。
屏蔽体
噪声 源
无内部场
无论一个屏蔽体的设计有多好，如果有电磁能量通过潜在的路 径穿透或离开屏蔽体，屏蔽体就没有任何实用价值。
电缆能够在屏蔽体的一侧拾取噪声，将噪声传入屏蔽体内，并 产生二次辐射。为了保证屏蔽体的完整性，所有进入屏蔽体的电 缆都必须进行滤波处理。此外，穿过屏蔽体的电缆的屏蔽层必须 360°连接到屏蔽体上，以避免端接效应耦合噪声。
铜材的反射损耗与频率、到“源”的距离和电磁波类型的关 系 在源与屏蔽体距离一定 电场的反射损耗随着频 r=源到屏蔽体的距离(m) 的条件下，电场、磁场和 率的增加而减小，直到与 250 平面波的3种损耗曲线必然 源的距离接近λ/2π，超过 电场r=1 在某一点重合，这个点的 这个点之后，它的反射损 200 频率等于λ/2π。如果源于 耗和平面波的反射损耗曲 屏蔽体的距离为30m则电 线一致；而磁场的反射损 150 电场r=30 场与磁场的损耗曲线在频 耗随着频率的增加而增大， 平面波 100 率为1.6MHz的点重合。 直到与源的距离接近λ/2π， 磁场r=30 随后它的反射损耗以和平 300×106 50 面波反射损耗相同的速率 2πr 磁场r=1 衰减。
电场E和磁场H的比值我们称为波阻抗。在近场条件下，E/H的大小由 源的特性和场到源中的观察点决定；远场条件下，波阻抗E/H的大小等于 介质的特性阻抗（空气中波阻抗等于377Ω）
10K 1K 500 300 100 20 0.05 0.1
电场(E∝1/r3,H∝1/r2） 渐进线 377Ω 平面波 E,H∝1/r
t A 8.69
dB
A = 3.34 t
fμrσr
dB

2.6 frr
in
吸收损耗(dB)
175 150 100 50 0
钢 钢 3.2mm 0.5mm
铜 3.2mm
铜 0.5mm
2 3 4 5 6 7
10 10 10 10 10 10 10 吸收损耗与屏蔽体厚度的关系
第六章
屏
蔽
第一节 近 场 与 远 场 第二节 第三节 波 屏 阻 蔽 抗 效 能
第四节 吸收损耗和反射损耗
第五节
屏
蔽 工 艺
前
屏蔽体
言
在空间中的两个区域之间插入一块金属隔板，这方法通常用于 控制电场和磁场从一个区域向另一个区域的传播。
无外部场
噪声 源
将噪声源包围起来，可以将电磁场限制在屏蔽体形成的腔体内 部。这种方法可以为所有的屏蔽体外的敏感型设备提供电磁保护。 从系统总体角度来看，屏蔽噪声源的效果要好于屏蔽被干扰源 的效果。
Hz
二、反射损耗
电磁波从一种介质进入另一种介质会产生反射，反射损耗 的大小与这两种介质的特性阻抗之差相关。
介质1 E0 Er=E0-E1
Z1 - Z 2 Er = E0 Z1 + Z2
介质2 E1
2Z 2 E1 = E0 Z1 + Z2
电磁波从一特性阻抗为Z1的 介质传播到另一个特性阻抗为 Z2的介质时，透射电磁波的强 度可以表示为：
穿过屏蔽体的电磁波可 以表示为：
E1 Er2
H1 = 2Z 1 H0 Z1 + Z2
H0 Hr1 阻抗Z1
H1 Hr2 阻抗Z2
Ht
Ht = 2Z 2 H1 Z1 + Z2
阻抗Z1
2Z 1 Et = E1 Z1 + Z 2 2Z 2 Ht H1 Z1 Z2
如果屏蔽体的厚度大于集肤厚度，综合以上两种情况我们可以得到总 透射电磁波的强度。这里我们暂时忽略电磁波的吸收损耗。
dB
t A 8.69
dB
由此我们可以看出：厚度等于一个集肤厚度的屏蔽体的吸 收损耗约为：9dB，如果屏蔽体的厚度增加一倍，那么吸收损 耗也会增加一倍。
100
吸收损耗(dB)
80 60 40 20 0 2 4 6 8 t/δ 10
图中的结果适用于平面波、电场和磁场。
我们将前面的集肤厚度公式，带入吸收损耗的dB表达式中 可以获得吸收损耗和屏蔽体厚度的关系式。
电磁波入射到金属表面是会产生两种类型的损耗：金属 表面能够反射部分电磁波，这种损耗称为反射损耗；进入 金属的电磁波在穿过介质时会被衰减，这种损耗通常称为 吸收损耗。无论是近场、远场还是电场或磁场，都会产生 吸收损耗。而反射损耗则取决于波阻抗的类型。 任何一种导体材料的总屏蔽效能等于：吸收损耗(A)加 上反射损耗(R)以及薄屏蔽体中多次反射的校正因数(B)。
向 反方 入 射 场 导体
场 电 感应 流
中
实际中更多采用场理论的方法，来分析屏蔽效能。我们可以使用屏蔽 体使电场强度或磁场强度削弱的程度来表示屏蔽效能。 采用电场定义的屏蔽效能为：
采用磁场定义的屏蔽效能为：
E0 S 20lg dB E1 H0 S 20lg dB H1
式中：E0(H0)为入射电磁波场强；E1(H1)是穿过屏蔽体的场强。 在进行屏蔽设计时，有两个问题需要重点考虑：1、屏蔽材料本身的屏蔽 效能；2、屏蔽体上有开孔或其他不连续性时的屏蔽效能。 一个完整的，没有缝隙或开孔的屏蔽体的屏蔽效能是唯一确定的，而 实际上往往是开孔的屏蔽效能决定了一个屏蔽的总体屏蔽效能，而不是 屏蔽材料的本征屏蔽效能。屏蔽效能的大小随着频率、屏蔽体的几何结 构、被测场在屏蔽体中的位置、被衰减场的类型、电磁波的入射方向和 电磁波的极化方向等因素的变化而变化。
r R 168 10 lg( ) rf
反射损耗(dB)
钢材、铜材和铝材对平面波的反射损耗 150 铜 125 铝 100 钢 75
50 25 0 0.01 0.1 1.0 10 100 1000 kHz 10,000
屏蔽体的导电性越好对平面波的反射损耗越大。
四、近场反射损耗
在近场的条件下，电场与磁场比值的大小不再取决于介质的 特性。电场与磁场的比值更多的地依赖于“源”的特性。如果 “源”的特性是高电压、低电流的，那么波阻抗就大于377Ω， 近场为高阻抗场（电场）；如果“源”是低电压、大电流的， 那么波阻抗就小于377Ω，近场为低阻抗场（磁场）。 由于反射损耗是波阻抗与屏蔽阻抗的比值的函数，所以反射 损耗的大小随着波阻抗的变化而变化。因此，高阻抗场（电场） 的反射损耗大于平面波；低阻抗场（磁场）的反射损耗小于平 面波。
介质的特征阻抗：Z 0
H
Z0
在自由空间中，Z0=377Ω 。对于导体(ζ>>jωε ),介质的特 征阻抗也成为屏蔽阻抗。
Z0
j
ZS
(1 j ) 2
所有导体的特征阻抗都可以表示为：
ZS 3.68 10
铜导体： 铝导体： 钢导体：
7
r r
4 Z 1Z 2 Et = 2 E0 ( Z1+ Z 2 ) 4 Z 1Z 2 Ht = 2 H0 ( Z1 + Z 2 )
如果屏蔽体是金属材料，并且周围充满绝缘介质，那么就有Z1>>Z2成 立。在这种条件下，电磁波进入屏蔽体时，电场产生最大的反射；同样， 当电磁波离开屏蔽体时，磁场产生最小的透射。由于在第一个界面上产 生最大的电场反射，所以即使是很薄的屏蔽材料也能够提供很大的反射 损耗。因此当Z1>>Z2时，穿过屏蔽体的电磁波可以表示为：