电磁屏蔽

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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
5.高频磁场的屏蔽
高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料，例如铜、铝等。 其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场 来达到屏蔽的目的，也就是说，利用了涡流反磁场对于原骚扰磁场的排 斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。
反磁场
涡流
金属板 高频磁场
顺磁性物质（如铝等金属）； 抗磁性物质（如铜等金属）。 相对磁导率μr＝1，B与H是线性关系， μr在任 意频率的环境中，始终保持常数。
强磁性材料：
铁磁性物质（如铁、镍等金属）。
B与H是非线性关系， 频率升高，磁导率μr 降低。
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第五章 屏蔽
三、屏蔽材料的特性
2.导电材料
根据屏蔽理论，电屏蔽和电磁屏蔽是利用导电材料制成的屏蔽体并结合 接地，来切断干扰源与接收器之间的耦合通道，以达到屏蔽的目的。因此， 电导率成为选择屏蔽材料的主要依据。
工程电磁兼容 ElectroMagnetic Compatibility
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理


抑制以场的形式造成干扰的有效方法是电磁屏蔽。 所谓电磁屏蔽就是以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体（实体 的或非实体的）将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电 磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域（或者进 出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。 电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。
干扰源 g Ug C1 C3 C2
s
接收器
Zs
Zg Z1 U1
Us
(b)有屏蔽时交变电场的耦合
U1
5
jC1Z1 Ug 1 jC1 ( Z1 Z g )
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
3.交变电场的屏蔽
从而接收器上的感应电压为：
干扰源 g Ug C1 C3 C2
s
接收器
jC2 Z s Us U1 1 jC2 ( Z1 Z s )
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
5.高频磁场的屏蔽
良导体 材料 开口或 缝隙正 确 良导体 材料
开口或 缝隙正 确 开口或 缝隙不 正确
开口或 缝隙不 正确
（a）
L I Us
M
Ls
Is rs
（b）
屏蔽线圈等效电路
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
5.高频磁场的屏蔽
L
M
Ls
Is rs
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I为线圈的电流，M为线圈与屏蔽盒间
g Zg Ug C3 Zs
G2 S
g Zg Ug
Us
（a）耦合路径
（b）等效电路
根据等效电路可得接收器上的感应电压Us，考虑到│ZC2│>>│Zj1│ │ZC3│>>│Zj2│ ，则有：
Us jC1Z j1 jC2 Z j 2 jC3 Z j 3 1 jC1 (Z j1 Z g ) 1 jC2 Z j 2 1 jC3 Z j 3 Ug
由上式看出，要使Us减小，则必须使Z1减小， 而Z1为屏蔽体阻抗和接地线阻抗之和。
Zs
Zg Z1 U1
Us
(b)有屏蔽时交变电场的耦合
屏蔽体必须选用导电性能好的材料，而且必须良好地接地。
一般情况下，要求接地的接触阻抗小于2mΩ，比较严格的场合要求小 于0.5mΩ。 若屏蔽体不接地或接地不良，则由于C1>Cj。这将导致加屏蔽体后，干扰 变得更大，这点应注意。 6
3.薄膜材料与薄膜屏蔽
为了具备电磁屏蔽的功能，通常在机箱上采用喷导电漆、电弧喷涂、电 离镀、化学镀、真空沉积、贴导电箔（铝箔或铜箔）及热喷涂工艺，在机 箱上产生一层导电薄膜，称为薄膜材料。 假定导电薄膜的厚度为L，电磁波在导电薄膜中的传播波长为λ1。若L< λ1/4则称这种屏蔽层的导电薄膜为薄膜材料，这种屏蔽为薄膜屏蔽。
的互感，rs、Ls为屏蔽盒的电阻及电感，Is 为屏蔽盒上产生的涡流。 由上图可以得出：
I Us
jMI Is rs jLs
屏蔽线圈等效电路
由上式可看出：
（1）在高频时，rs<<ωLs。这时rs可以忽略不计，则有：
Is
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M I Ls
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
5.高频磁场的屏蔽
（1）在高频时，rs<<ωLs。这时rs可以忽略不计，则有：
导磁胶粘剂是由树脂、固化剂和导磁铁粉等组成。 导磁胶粘剂主要用于各种变压器铁芯和磁芯的胶接。 19
第五章 屏蔽
四、屏蔽体的结构
1.电屏蔽的结构 （1）单层门盖结构
右图为单层屏蔽盒存在时， 电场干扰耦合至屏蔽体的途径， 图中C1为干扰源与屏蔽盒盖之 间的电容，C2为接收器与屏蔽 盒之间的电容，Zj为盒盖与盒 体间的接触阻抗及盒体的接地 电阻。Zg、Ug分别为干扰源的 等效阻抗与电压。
3.电磁屏蔽的结构
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。因而电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状、柱状的屏蔽体。
对于电磁屏蔽体，其形状选择的标准应以减少接缝和避免腔体谐振为 准。 22
第五章 屏蔽
五、孔缝泄漏的抑制措施
1.装配面处接缝泄漏的抑制
（1）增加金属之间的搭接面 不同部分的结合处构成的缝隙是一条细长的开口。在平整的结 合处也不可能完全接触，只能在某些点上是真正的接触，这构成 了一个空洞的阵列。当缝隙很窄时，缝隙之间的电容较大，其阻 抗可以等效为电阻和电容的并联。 由于容抗随着频率升高而降低，因此在频率较高时，屏蔽效能 较高。增加金属之间的搭接面积可以减小阻抗，从而减小泄漏。
SE H 20 lg
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第五章 屏蔽
三、屏蔽材料的特性
1.导磁材料
根据磁屏蔽理论，磁屏蔽是利用由高导磁材料制成的磁屏蔽体，提供低 磁阻的磁通路是的大部分磁通在磁屏蔽体上分流，来达到屏蔽的目的。因 此，磁导率成为选择磁屏蔽材料的主要依据。 通常磁性材料分为弱磁性材料和强磁性材料两种。 弱磁性材料：
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第五章 屏蔽
四、屏蔽体的结构
2.磁屏蔽的结构
磁屏蔽是利用屏蔽体对磁通进行分流，因而磁屏蔽不能采用板状结构， 而应采用盒状、筒状、柱状的结构。 由于磁阻与磁路的横截面积s和磁导率成反比，因而磁屏蔽体的体积 和重量都比较大。若要求较高的屏蔽时，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。
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
4.低频磁场的屏蔽
低频（100kHz以下）磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料（例如铁、硅钢
l Rm S
a S ι b
片、坡莫合金等），其原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。
φ
由上式可知，磁阻Rm与μ成反比，导磁率μ越大，则磁阻Rm越小， 此时磁通主要沿着磁阻小的途径形成回路。 由于铁磁材料的磁导率μ 比空气的磁导率μ0大的多，所以铁磁材 料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大 为减小，从而起到磁场屏蔽的作用。 7
-Q B
+Q +Q A
-Q A +Q
(a)孤立带 电导体A
(b)导体B 包围带电 导体A的 情况
A +Q
B
(c)静电屏 蔽
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
3.交变电场的屏蔽
Cj
设干扰源g上有一交变电压Ug，在其附近产生
交变电场，臵于交变电场中的接收器s通过阻抗Zs 接地，干扰源对接收器的电场感应耦合可以等效 位分布电容Cj的耦合，于是形成了Ug、Zg、Cj和Zs 构成的耦合回路，如右图所示。 接收器上产生的骚扰电压Us为：
干扰源 g Ug
s
接收器
Zs Zg
Us
(a)交变电场的耦合
Us
jC j Z s 1 jC j (Z g Z s )
Ug
干扰电压Us的大小与耦合电熔Cj的大小有关。
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
3.交变电场的屏蔽 为了减少干扰源与接收器之间的交变
电场耦合，可在两者之间插入屏蔽体， 如图所示。插入屏蔽体后，原来的耦合 电容Cj的作用现在变为耦合电容C1、C2和 C3的作用。由于干扰源与接收器之间插 入屏蔽体后，它们之间的直接耦合作用 非常小，所以耦合电容C3可以忽略。 设金属屏蔽体对地阻抗为Z1，则屏蔽体上的感应电压为：
M Is I Ls
屏蔽盒上产生的感应涡流与频率无关，可以产生排斥原磁场的反磁场。 感应涡流产生的反磁场任何时候都不可能比感应出这个涡流的原磁场还大。
（2）在低频时，rs>>ωLs。这是ωLs可以忽略不计，则有：
Is
jM I rs
低频时产生的涡流小，因此涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。
1.电磁屏蔽的类型
电场屏蔽 静电屏蔽 2 交变电场屏蔽
电磁屏蔽
磁场屏蔽 低频磁场屏蔽 高频磁场屏蔽 电磁屏蔽
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
2.静电屏蔽
电磁场理论表明，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，具有下列性质： 导体内部任何一点的电场为零； 导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体平面垂直； 整个导体是一个等位体； 导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。
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第五章 屏蔽
四、屏蔽体的结构
1.电屏蔽的结构 （2）双层门盖结构
C2 C1 G1 C1 G C2 G C3 1 2 Zj1 Zj2 Zs S
为了进一步提高屏蔽，机箱 可采用双层门，屏蔽盒可采用 双层盖，与单层盖的耦合等效 电路相比，多了一次衰减，因 而可提高屏效，但每层依然要 采取改善接触的措施。
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
5.高频磁场的屏蔽
（3）屏蔽体电阻rs越小，则产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身损耗也 越小。所以，高频磁屏蔽材料需用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。 （4）由于高频电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，而屏 蔽盒内层被表面涡流所屏蔽，所以高频屏蔽盒无须做得很厚。 （5）屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。因为垂直于涡流 的方向上有缝隙或开口，将切断涡流。这就意味着涡流电阻增大，涡流减 小，屏蔽效果变差。如果需要有缝隙或开口时，则缝隙或开口应沿着涡流 方向。 （6）磁场屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。
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第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
6.电磁屏蔽
通常所说的屏蔽，一般指的是电磁屏蔽，即是指对电场盒磁场同时加以 屏蔽。电磁屏蔽一般也是指用来防止高频电磁场的影响的。
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第五章 屏蔽
二、屏蔽效能
屏蔽体的好坏用屏蔽效能来描述。屏蔽效能表现了屏蔽体对电磁波的衰 减程度。
为了定量的说明屏蔽性能的好坏，通常引入一个新的物理量—屏蔽效能 （SE，Shielding Effectiveness)(简称屏效），它定义为屏蔽前某点的场 强与屏蔽后该点场强之比。用公式表示为：
Us U0
传输系统（或称透射系数）TE是指存在屏蔽体时某处的电场强度Es与 不存在屏蔽体时同一处的电场强度E0之比；或者TH是指存在屏蔽体时某处 的磁场强度Hs与不存在屏蔽体时同一处的磁场强度H0之比，即：
E TE s E0
1 SEE 20 lg TE
TH
Hs H0
1 TH
传输系统与屏蔽效能互为倒数关系，即：
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第五章 屏蔽
三、屏蔽材料的特性
4.导电胶与导磁胶 （1）导电胶粘剂
导电胶粘剂是由树脂、固化剂和导电填料配置而成的。
• 常用的树脂是环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、丙稀树脂等。
• 导电填料主要有银粉、铜粉、镀银粒子、乙炔碳黑、石磨、碳纤维等， 导电填料用的最多的是电阻率低、抗氧化好的银粉。
（2）导磁胶粘剂
第五章 屏蔽
一、电磁屏蔽原理
4.低频磁场的屏蔽
使用铁磁材料作屏蔽体时应注意以下问题： 所用铁磁材料的磁导率μ越高，屏蔽罩越厚，则磁阻Rm越小，磁屏蔽效 果越好。 用铁磁材料做的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若 缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。 铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场的屏蔽。因为高频时铁磁材料中的磁 性损耗很大，导磁率明显下降。
E SEE 0 Es
H0 SE H Hs
在工程计算中，常采用dB计算，其表示式为：
SE E 20 lg
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E0 Es
SEH 20 lg
H0 Hs
第五章 屏蔽
二、屏蔽效能
对于电路来说，还可以用屏蔽系数η表示屏蔽效果，它是指被干扰电路 加屏蔽体后所感应的电压Us与未加屏蔽体时所感应的电压U0之比，即：
jC1Z j
g Zg Ug C2 S Zs C1 G g Zg Ug Zj Zs Us C1 G C2
S
（a）耦合路径
（b）等效电路
根据等效电路可得接收器上的感应电压Us，考虑到│ZC2│>>│Zj│，则有：
Us jC2 Z s Ug 1 jC1 (Z j Z g ) 1 jC2 Z s