电磁屏蔽技术

电磁屏蔽技术

1. 电磁屏蔽的目的

2. 区分不同的电磁波

3. 度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能

4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算

5. 影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素

6. 实用屏蔽体设计的关键

7. 孔洞电磁泄漏的估算

8. 缝隙电磁泄漏的措施

9. 电磁密封衬垫的原理

10. 电磁密封衬垫的选用

11. 常用电磁密封衬垫的比较

12. 电磁密封衬垫使用的注意事项

13. 电磁密封衬垫的电化学腐蚀问题

14. 与衬垫性能相关的其它环境问题

15. 截止波导管的概念与应用

16. 截止波导管的注意事项与设计步骤

17. 面板上的显示器件的处理

18. 面板上的操作器件的处理

19. 通风口的处理

20. 线路板的局部屏蔽

21. 屏蔽胶带的作用和使用方法

1.电磁屏蔽的目的

电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰。在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改。

2. 区分不同的电磁波

同一个屏蔽体对于不同性质的电磁波，其屏蔽性能不同。因此，在考虑电磁屏蔽性能时，要对电磁波的种类有基本认识。电磁波有很多分类的方法，但是在设计屏蔽时，将电磁波按照其波阻抗分为电场波、磁场波、和平面波。

电磁波的波阻抗Z

W 定义为：电磁波中的电场分量E与磁场分量H的比值: Z

W

= E / H

电磁波的波阻抗电磁波的辐射源性质、观测点到辐射源的距离以及电磁波所处的传播介质有关。

距离辐射源较近时，波阻抗取决于辐射源特性。若辐射源为大电流、低电压（辐射源的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377，称为磁场波。若辐射源为高电压、小电流（辐射源的阻抗较高），则产生的电磁波的波阻抗大于377，称为电场波。

距离辐射源较远时，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗，空气为377Ω。

电场波的波阻抗随着传播距离的增加降低，磁场波的波阻抗随着传播距离的增加升高。

注意:近场区和远场区的分界面随频率不同而不同，不是一个定数，这在分析问题时要注意。例如，在考虑机箱屏蔽时，机箱相对于线路板上的高速时钟信号而言，可能处于远场区，而对于开关电源较低的工作频率而言，可能处于近场区。在近场区设计屏蔽时，要分别电场屏蔽和磁场屏蔽。

3. 度量屏蔽性能的物理量——屏蔽效能

屏蔽体的有效性用屏蔽效能（SE）来度量。屏蔽效能的定义如下：

SE=20lg(E

1/E

2

) (dB)

式中：E

1=没有屏蔽时的场强E

2

=有屏蔽时的场强

如果屏蔽效能计算中使用的是磁场强度，则称为磁场屏蔽效能，如果屏蔽效能计算中使用的是电场强度，则称为电场屏蔽效能。屏蔽效能的单位是分贝(dB)，下表是衰减量与分贝的对应关系：

一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60dB，TEMPEST设备的屏蔽机箱屏蔽效能要达到80dB以上。屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。

4. 屏蔽材料的屏蔽效能估算

电磁波在穿过屏蔽体是发生衰减是因为能量有了损耗，这种损耗可以分成两个部分：反射损耗和吸收损耗。

反射损耗：当电磁波入射到不同媒质的分界面时，就会发生反射，使穿过界面的电磁能量减弱。由于反射现象而造成的电磁能量损失称为反射损耗，用字母R表示。当电磁波穿过一层屏蔽体时要经过两个界面，要发生两次反射。因此，电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上的反射损耗总和。反射损耗的计算公式如下：

R=20lg(Z

W /Z

S

) (dB) 式中: Z

W

= 入射电磁波的波阻抗，Z

S

=屏蔽材料的特性阻抗

|Z

S

|=3.68×10-7（fμrσr）1/2式中: f= 入射电磁波的频率，μr=相对磁导率，σr=相对电导率

吸收损耗：电磁波在屏蔽材料中传播时，会有一部分能量转换成热量，导致电磁能量损失，损失的这部分能量成为屏蔽材料的吸收损耗，用字母A表示，计算公式如下：

A=3.34t（fμrσr）1/2 (dB)

多次反射修正因子:电磁波在屏蔽体的第二个界面（穿出屏蔽体的界面）发生反射后，会再次传输到第一个界面，在第一个界面发射再次反射，而再次到达第二个界面，在这个界面会有一部分能量穿透界面，泄漏到空间。这部分是额外泄漏的。应该考虑进屏蔽效能的计算。这就是多次反射修正因子，用字母B表示，大部分场合，B都可以忽略。

SE = R + A + B

5. 影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素

从上面给出的屏蔽效能计算公式可以得出一些对工程有实际指导意义的结论，根据这些结论，我们可以决定使用什么屏蔽材料，注意什么问题。下面给出的结论，出步一看，会感到杂乱无章，无从应用，但是结合上面第3和第4条仔细分析后，会发现这些结论都有着内在联系。深入理解下面的结论对于结构设计是十分重要的。

1）材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两个方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差；铁的导磁性很好，但是导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性；

2）频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗；

3）反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用磁导率较高的材料做屏蔽材料。

4）反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小；正确判断辐射源的性质，决定它应该靠近屏蔽体，还是原理屏蔽体，是结构设计的一个重要内容。

5）频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。

6）电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的。尤其是（1KHz以下）低频磁场，很难屏蔽。对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料。

6. 实用屏蔽体设计的关键

一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际工作中，要达到80dB 以上的屏蔽效能也是十分困难的。这是因为，屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于屏蔽体的结构。屏蔽体要满足电磁屏蔽的基本原则。电磁屏蔽的基本原则有两个：

1）屏蔽体的导电连续性：这指的是整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点在实现起来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何使用价值的。一个实用的机箱上会有很多孔缝造成屏蔽：通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分的结合缝隙等。由于这些导致导电不连续的因素存在，如果设计人员在设计时没有考虑如何处理，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有屏蔽效能。

2）不能有直接穿过屏蔽体的导体：一个屏蔽效能再高的屏蔽机箱，一旦有导线直接穿过屏蔽机箱，其屏蔽效能会损失99.9%（60dB）以上。但是，实际机箱上总会有电缆穿出（入），至少会有一条电源电缆存在，如果没有对这些电缆进行妥善的处理（屏蔽或滤波），这些电缆会极大的损坏屏蔽体。妥善处理这些电缆是屏蔽设计的重要内容之一。（穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大）

电磁屏蔽体与接地无关：对于静电场屏蔽，屏蔽体是必须接地的。但是对于电磁屏蔽，屏蔽体的屏蔽效能却与屏蔽体接地与否无关，这是设计人员必须明确的。在很多场合，将屏蔽体接地确实改变了电磁状态，但这是由于其它一些原因，而不是由于接地导致屏蔽体的屏蔽效能发生改变。

7.孔洞电磁泄漏的估算

如前所述，屏蔽体上的孔洞是造成屏蔽体泄漏的主要因素之一。孔洞产生的电磁泄漏并不是一个固定的数，而是与电磁波的频率、种类、辐射源与孔洞的距离等因素有关。孔洞对电磁波的衰减可以用下面公式进行计算。这里假设孔洞深度为0。

在远场区：S E=100-20lg L-20l gf+20l g(1+2.3lg(L/H))

若L≥λ/2，则SE=0 dB ，这时，孔洞是完全泄漏的。

式中：L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm），f=入射电磁波的频率（MHz）