电磁兼容 屏蔽技术2

②的多次反射
空气层中的多次反射
2
2
N1
1
1
K1 K1
,
N2
1
1
K2 K2
,
K1
Zw Z m1
,
K2
Zw Zm2
,
N0
Zw Zw
Zm1 Zw Zm2 Zw
Z(d) Z(d)
1
2
x t1 d t2
3.4 电磁屏蔽
通常两层之间的空气中的多次反射起主要作用，则
B2
20 lg
1
N e j 20d 0
4K
4ZwZm
4 Zm
良导体：Zm 2 f / 3.69107 r f /r
波阻抗
媒质本 征阻抗
a. 远场： Zw 120π 377Ω
Rw 168.110 lg(r f / r )
b.近场：电场源
Z we
1
2 f 0r
c.近场：磁场源
Zwm 2 f 0r
频率升高，反射损耗减小
Re
321.7
基于场的计算方法
•网格法 •特征线法
•频域法
•案例分析
•有限元边界元法 •差分法
•模拟电荷法
3. 1 概述 3. 2 电屏蔽 3. 3 磁屏蔽 3. 4 电磁屏蔽
3. 5 孔缝对屏蔽效能的影响 3. 6 电磁密封处理 3. 7 屏蔽设计要点
3.4 电磁屏蔽
屏蔽机理
• 设金属平板左右两侧均为空气，因而在左右两个界面上出 现波阻抗突变，入射电磁波在界面上就产生反射和透射。
电磁兼容设计
电磁屏蔽2
物理电子学 路书祥
上节回顾
人为：核电磁脉冲； 电源质量；网络结构 参数变化；静电等
电磁骚扰源
自然：雷电；太 阳风暴；辐射等
电磁辐射
传播途径
传导耦合
接地
滤波 PCB中EMC 设计
电磁屏 蔽
电磁干扰防 护
保护设备
电磁兼容设计 电磁干扰分析
电磁干扰测 试
测试方法 测试系统
测试标准
基于路径的方法
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
3.截止波导
损 耗
截止区
截止频率
fc
频率
频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损 耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。
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3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
截止波导屏蔽效能
截止波导管 屏蔽效能
反射损耗：
= + 远场区计算公式, 近场区计算公式
吸收损耗：与 截止频率有关
i 1
i 1
故
SE 20 log( E0 ) 20 log( n 10SEi /20 )
E
i 1
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
例2 设某一频率下，机壳屏蔽材料本身有110dB的屏蔽效能， 各泄漏因素造成屏蔽效能为：（1）滤波与连接器面板： 101dB ；（2）通风孔92dB;（3）门泄漏：88dB;（4）接 缝泄漏：83dB。求机箱的总屏蔽效能。
Ep
g
g
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
例3 在例1中开一缝隙，若其宽度为0.5mm、0.25mm 、0.1mm ，
分别求其屏蔽效能。
解： 无缝隙时的屏蔽效能：SE = 54.83 dB
当 g 0.5mm ,
SEp 27.3
SE 20 lg(1054.83/ 20 1027.3/ 20 ) 27.2dB
频率 1MHz 1GHz 1MHz 1GHz 1MHz 1GHz
吸收损耗A 0.014 0.44 0.16 5.2 2.9 92
反射损耗 R 109 79 109 79 109 79
修正因子B -47 -17 -25 -0.6 -3.5 0 屏蔽效能
62 62 83 84 108 171 SE
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
10 lg( r r
r2
f
ห้องสมุดไป่ตู้
3)
频率升高，反射损耗增加
Rm
14.56
10 lg( r r
r2
f
)
3.4 电磁屏蔽
③ 多次反射修正 B（dB）
e2 t e21 jt e2t e j 2t
而 e2t 100.1A ( A 20 lg et et 10A/ 20 )
2t ln100.1A 0.23A
r —— 相对磁导率； t —— 厚度（mm）。
结论： • 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9dB； • 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。
3.4 电磁屏蔽
② 反射损耗 R (dB)
Zw Zm
R 20 lg (1 K )2 20 lg (Zw Zm )2 20 lg Zw
解： 屏蔽体处于哪个场区： c 1.5104 m —— 近场
f
大功率线圈—— 强磁场，主要为磁屏蔽.
r 1 , r 0.61 , 故
Rm
14.56 10 lg( r r
r2
f
) 14.56
34.84
49.4(dB)
A 0.131t f rr 7.24(dB)
3.4 电磁屏蔽
又 Zm 3.69107 r f /r 6.68105Ω Zwm 2π0 fr 0.08Ω Zm
A
R2
透射
R－ 反射损耗
A－吸收损耗
B－多次反射修正因子
B
吸收损耗A
R1
R2
泄漏
距离
实心材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被大大衰减，将电
场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。
6
3.4 电磁屏蔽
• 波阻抗：
a. 远场： Zw
0 120 377Ω 0
1
b. 近场（以电场为主）：Zwe 2 f 0r
只有剩余的一小部分电磁能量透过屏蔽的空间。电磁波衷减
的第三种机理，称为多次反射修正因子，用B表示。
4
3.4 电磁屏蔽
• 屏蔽效能的第一种机理－电磁能的反射是因为空气－金 属界面上阻抗不匹配而发生的。反射系数为
Zs ZW
Zs ZW
ZW ——辐射场的波阻抗 Z s ——金属板的波阻抗
吸收损耗
六角波导：SE 27.3 l dB W
设计要求： • l ≥3a、l≥3D、l≥3W • fc = （5～10）f
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
• 不能有金属材料穿过截止波导管 当有金属材料穿过截止波导管时，会导致严重的电磁泄漏。
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
屏蔽效能（l 的单位为：cm）
(2 / c) fc 1 ( f / fc )2
SE 20 lg el l20 lg e 8.69l
1.823109 lfc 1 ( f / fc )2 dB
当 f << fc 时：
矩形波导：SE 27.3 l dB a
圆形波导：SE 32.0 l dB D
当 g 0.25mm ,
SEp 54.6
SE 20 lg(1054.83/ 20 1054.6/ 20 ) 48.8dB
当 g 0.1mm ,
SEp 136.5
SE 20 lg(1054.83/ 20 10136.5/ 20 ) 54.8dB
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
缝隙的处理
衬垫的种类：金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的) 导电橡胶(不同导电填充物的) 指形簧片(不同表面涂覆层的) 螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的) 导电布
实际机箱上有许多泄漏源:信号线的出入口，电流线的出入 口，通风散热孔，接缝处的缝隙等。
1、 综合屏蔽效能的计算公式
设各泄漏因素的屏蔽效能为 SEi (i 1, 2,K , n) ，即
SEi
20 log( E0 ) Ei
Ei
E010SEi / 20
n
n
总泄漏场 E
Ei E0 10SEi / 20
e2 t 100.1A e j0.23A
故： B 20 lg 1 ( Zm Zw )2100.1A e j0.23A Zm Zw
当 Zw
Zm
时，
(
Zm Zm
Zw Zw
)2
1
则 B 20 lg 1 100.1A e j0.23A
1 K Zm Zw 1 K Zm Zw
10 lg[1 2 100.1A cos(0.23A) 100.2A ]
c. 近场（以磁场为主）： Zwm 2 f 0r
反射系数：12
Z2－Z1 Z2＋Z1
透射系数： 12 1＋12
1
2
3.4 电磁屏蔽
① 吸收损耗 A (dB)
A 20 lg ert 20 lg et 良导体
20t lg e 8.98t 0.131t f rr (dB) r ——相对于铜的电导率，铜： 5.82107S/m
• 电磁能（波）的反射，是屏蔽体对电磁波衰减的第一种机 理，称为反射损耗，用R表示。
透射入金属板内继续传播，其场量
振幅要按指数规律衰减。场量的衰
减反映了金属板对透射入的电磁能
量的吸收，电磁波衰减的第二种机 理．称为吸收损耗，用A表示
在金属板内尚未衰减掉的剩余能量达到金属右边界面上时，
又要发生反射，并在金属板的两个界面之间来回多次反射。
76.6(dB)
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
2、 缝隙的电磁泄漏
t
设金属屏蔽体上有一缝隙，其 间隙为g ，屏蔽板厚度为t ，入射波 g 电场为 E0，经缝隙泄漏到屏蔽体中 的场为Ep ，当g < 10δ/3 时，有
Ep E0eπt / g
故
SE p
20 log( E0 ) 20π t log e 27.3 t (dB)
孔洞计算屏蔽效能公式， 前述
波导壁面吸收损失 屏蔽效能明显
26
3.5 孔缝对屏蔽效能的影响
截止波导式通风孔 的屏蔽效能
l
l
l
a
D
W
原理： 电磁波频率远低
于波导的最低截止频 率，因而产生很大的 衰减。
截止频率：（a、D、W 的单位为：cm） 矩形波导：fc10 = 15×10 9/ a （Hz） 圆形波导：fc11 =17.6×10 9/ D（Hz） 六角波导：fc10 =15×10 9/ W （Hz）
0.131t1 f r1 r1 0.131t2 f r2 r2
R R1 R2
20 lg (1 k1)2 20 lg (1 k2 )2
4k1
4k2
3.4 电磁屏蔽
B2
20 lg 1
N e(1 j )0.23 A1 1
①的多次反射
20 lg 1 N2e(1 j)0.23A2 20 lg 1 N0e j20d
B 10lg 1 2100.1A cos(0.23A) 100.2A 1.81dB 故 SE Rm +A+B 49.4+7.24 1.81 54.83dB
3.4 电磁屏蔽 2. 双层屏蔽体的屏蔽效能 总吸收损耗
1
2
SE A+R+B2
x
总反射损耗
多次反射修正
式中：A A1 A2
t1 d t2
解： SE 20 lg(10110/ 20 10101/ 20 1092/ 20 1088/ 20 1083/ 20 ) 20 lg(0.32105 0.89105 2.51105 3.98105 7.08105) 20[5 lg(0.32 0.89 2.51 3.98 7.08)]
当两屏蔽层采用同一金属材料且相同厚度时，
A 2A1 0.262t f rr
(1 K )2 R 2R1 40 log 4K
B2
20lg 1
N e j20d 0
3.4 电磁屏蔽
（3）薄膜屏蔽：
工程塑料机箱具有造型美观、加工方便、质量轻等优点。
如何使机箱具有屏蔽作用？ 通过喷涂、真空沉积以及粘贴等技术在机箱上包裹一层导电 薄膜。
E E0e xe j x
2
第三种机理，称为多次反射修正因子：
et (1 ma )(1 am ) e3t ma2 (1 am )(1 ma ) L
三次反射(吸收过程)
五次反射(吸收过程)
5
3.4 电磁屏蔽
入射 R1
反射
场强
实心材料屏蔽效能
SE ＝ R1 ＋ R2 ＋ A＋B
＝ R＋ A＋B
当 A 10dB时，通常可忽略B。
3.4 电磁屏蔽 小结
屏蔽效能： SE R A B(dB)
吸收损耗： A 8.98t 0.131t f rr (dB)
反射损耗：远场平面波源 Rw 168.110 lg(r f / r )
电场源
Re 321.7 10 lg(rr2 f 3 / r )
磁场源 Rm 14.56 10 lg( r r 2 f / r )
多次反射修正：B 20 lg 1 ( Zm Zw )2100.1A e j0.23A Zm Zw
10 lg[1 2 100.1A cos(0.23A) 100.2 A ]
（ Zw Zm ）
3.4 电磁屏蔽
例1 有一个大功率线圈的工作频率为20kHz ，在离线圈0.5m处 置一铝板(r 0.61) 以屏蔽线圈对设备的影响。设铝板厚度 为0.5mm 。试计算其屏蔽效能。
设薄膜厚度为t，电磁波在薄膜中的波长为 t ，当 t t 4 ，
称这种屏蔽层为薄膜屏蔽。
由于薄膜屏蔽导电层很薄，吸收损耗可以忽略，屏蔽效能 主要由反射损耗和多次反射修正因子确定，可以按金属平 板屏蔽的相关公式进行计算。
3.4 电磁屏蔽
铜薄膜屏蔽层屏蔽效能
屏蔽层厚度 105nm
1250nm
21960nm