屏蔽效能

※ 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 分能量称为屏蔽材料的吸收损耗。 ※ 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，在这个截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。
0 s
由屏蔽效能的定义可知，屏蔽效能的数值越大， 说明屏蔽效果越好。
电磁屏蔽
屏蔽前的场强E1 屏蔽后的场强E2
对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽, 电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB
由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的百分 之一至百万分之一，因此通常用分贝来表述。下表是 衰减量与屏蔽效能的对应关系： 无屏蔽场强 ：有屏蔽场强 屏蔽效能SE （dB） 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120
Rm
Hl l BS S
（2-9）
式中，为磁导率。 由式（2 6）可见当 U m 一定时， Rm 越小，则 越大。
m
由式（2 9）可见， 导率 Rm 与成反比，因而选用高磁 的铁磁材料做磁屏蔽体 时，其磁阻很小，所以 大部分 磁通流过屏蔽体。
铁磁材料只适用于低频，不能用于高频磁场 屏蔽，因为高频时铁磁材料中的磁性损耗很大 （包括磁滞损耗和涡流损耗）。
2.3.1 电磁屏蔽原理 在交变电磁场中，电场分量和磁场分量总是同时 存在的，只是在低频接地范围内，干扰一般发生在近 场，此时高压小电流干扰源以电场为主，而低压大电 流干扰源则以磁场为主。 随着频率增大，电磁辐射能力增强，将产生辐射电磁 场，并趋向于远场干扰。远场中的电场和磁场都不能 忽略，因而就要对电场和磁场同时屏蔽，即进行电磁 屏蔽。 电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁波在空间传 播的技术措施，屏蔽体起着切断或削弱电磁波传输的 作用。
U
m
式中， 为通过磁路的磁通量。 Rm 为a, b之间的磁阻；
m
Rm
m b

a
H .dl
（2-6）

m
B.dl
s
b
（2-7）
式中，S为磁路的截面积； B为穿过S的磁感应强度。因此
H .dl R B.dl
a m S
（2-8）
若磁路截面S是均匀的，且磁场也是 均匀分布的，磁场方向 与磁路的截面垂直，则 上式可化简为
2.3.4 传输理论和屏蔽效能分析 实心材料屏蔽能效的计算一般有解释法、图解法、查 表法，本章以解释法为主。
图2-8 实心材料屏蔽能效的计算
1.电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损 耗，这种损耗可以分为两部分：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。当电磁波穿 过一层屏蔽体时要经过两个界面，因此要发生两次反射。 因此，电磁波穿过屏蔽体时的反射损耗等于两个界面上 的反射损耗的总和。 对于电场波而言：第一个界面的反射损耗较大，第 二个界面的反射损耗较小。对于磁场波而言，情况正好 相反，第一个界面的反射损耗较小，第二个界面的反射 损耗较大。
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60B，TEMPEST设备 的屏蔽机箱的屏蔽效要达到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。 根据屏蔽的工作原理，可将屏蔽分为电场屏蔽、 磁场屏蔽和电磁场屏蔽三大类。
C
当J很大时，C感应的干扰 电压很小。
根据上述，屏蔽体必 须可靠的接地，且屏蔽体 必须选用导电性能好的材 料，只有这样才能有效地 减少干扰。
AC
Cc Uj
Us
Uc
图2-5交变电场耦合 （加接地屏蔽体）
2.2磁场屏蔽
磁场屏蔽简称磁屏蔽，是用于抑制耦合实现磁隔 离的技术措施。它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽。
交变屏蔽的机理： 1）感应涡流理论，高频干扰电磁场在中屏蔽体 内会产生 涡流，涡流产生的磁场对高频干扰电磁场有抵 消/削弱的作用。 2）电磁场理论，分析电磁屏蔽原理和效能的经典理论。 3）传输线理论，它是根据这样一个事实：电磁波在金 属 屏蔽体中传播的过程与行波在传输线中传播的过程 很相似。因此，可用传输线方程来对电磁屏蔽机理做等 效分析计算。
U C CJ U C C
C CJ
S C
（2-3）
由于金属板的尺寸远比干扰源尺寸大，C与J之 间的 CSJ 远大于Csc 。因此，在加了不接地的J后，可 能非但没有起到屏蔽作用，反而增大了干扰。 当J接地后，如图2-5所示J对地的电压为
U
J

Z JU Z
J
S

1 jw C SJ
jw C SJ Z J U
+Q -Q +Q +Q A 屏蔽体B
-Q +Q A B
图2-1 主动静电情况 a）孤立体 A b）屏蔽体B包围的情况 c）静电屏蔽
屏蔽体B +Q
-Q
图2-2 被动静电屏蔽
2.1.2 交变电场屏蔽
对交变电场的屏蔽原理，可以用电路理论加以解释， 此时干扰源与被干扰源对象之间感应可以用分布电容描 述。如图2-3所示，设有一电压为Us的交变干扰源S，在 其附近有一被干扰对象（干扰接收器C），则C上感应的 干扰为
图2-4 交变电场耦合 （为接地的屏蔽体）
为了减少干扰，在两者之间加入作为屏蔽的大导电板 J，如图2-4所示，由于泄露的电力线很少，因此S与C之 间的分布电容很少，可以忽略，可得
C U C C C C CJ U U C C U
J

SJ
S CJ
SJ
J
// C C
（2-2）
J
C
CJ
C
从上式可以看出，C接收的干扰电压取决于J的电位Uj， 以及C与J之间的分布电容。在J离地较远，且离S很近的情 况下，有及，则上式可得
.
S
（2-4）
此时电压取决于J的接地电阻，如J良好接地， 则 Z J 0,U J 0 。 在这种情况下，C感应的电压主要源 于S与C之间的分布电容，C感应的干扰电压为
U C SC U C C C
S C ' SC C
'
（2-5）
CJ
C
S
' SC
C
屏 蔽 体 J Uj (Zj)
SJ
C
CJ
2.2.1低频磁场屏蔽 低频（100kHz）以下磁场屏蔽常用的材料是高磁导 率的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡莫合金等）。低频磁 场屏蔽的原理是利用高磁导率的材料对于干扰磁场进行 分路。要想提高磁导率的屏蔽性能，应采用高磁导率的 屏蔽材料，且增大屏蔽体的壁厚。
根据磁路理论，磁路上a，b两点间的磁位差为
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波阻抗的值
近场区中，波阻抗的值取决于辐射源的性质、观 测点到源的距离、介质特性等。若辐射源为大电流、 低电压（辐射源电路的阻抗较低），则产生的电磁波 的波阻抗小于377，称为低阻抗波，或磁场波。若辐 射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高）， 则波阻抗大于377，称为高阻抗波，或电场波。在远 场区，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377。
2.1电场屏蔽
电场屏蔽简称电屏蔽，它利用与大地相连接的导体 导电性良好的金属容器，使导体内部的电力线不外传， 外部的电力线不内传，其目的是减少设备（或电路、组 件、元件等）间的电场感应，包括静电屏蔽和交变电场 屏蔽。 2.1.1静电屏蔽 静电屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽，主动屏蔽表示 给孤立的带电体以导体容器包围，然后把导体容器接地， 起到屏蔽作用。被动屏蔽，当屏蔽体外部有电场干扰时， 屏蔽体内部的导体为等电位体，内部空间不会出现电力 线，从而实现了对外界电场的屏蔽作用。
U C SC U C C
C SC
S C
（2-1）
从上式可以看出，S与C之间的分布电容越大，则C 受到的干扰电压越大。为了减少干扰，可使S与C尽量 远离；当无法满足要求时，则要采用屏蔽技术。
C
S
SC
C
S
C
屏 蔽 体 J Uj (Zj)
SJ
C
CJ
C
AC
Cc
Us
Uc Us
AC
Cc Uj
Uc
图2-3 交变电场耦合电路 （未加屏蔽体）
2.2.2高频磁场屏蔽 高频磁场屏蔽采用的是低电阻率的良好导体材料， 如铜、铝等。原理是利用电磁感应现象壳体表面所产生 的涡流产生的反向磁场来达到屏蔽的目的，也就是说， 利用了涡流反磁场对于元干扰磁场的排斥作用，来抵消 进入屏蔽体的磁场。 图2-6为一高频磁场屏蔽。 正确 良好 由高频磁场屏蔽的原理可知， 导体 屏蔽盒上所产生的涡流的大小将 直接影响屏蔽效果。下面通过等 效电路来说明影响涡流大小的因 素。把屏蔽壳体看成是一匝线圈 不正确 如图2-7所示。
波阻抗的变化 在近场区内，特定电场波的波阻抗随距离而变 化。如果是电场波，随着距离的增加，波阻抗降低， 如果是磁场波，随着距离的增加，波阻抗升高。在 远场区，波阻抗保持不变。
注意：近场区和远场区的分界面随频率的不同而不 同，不是一个定数，这在分析问题时要注意。例如， 在考虑机箱的屏蔽时，机箱相对与线路板上的高速 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，可能出于近场区。后面会看 到，在近场区设计屏蔽时，要分别考虑电场屏蔽和 磁场屏蔽。

电场为主 E 1 / r ，H 1 / r
3 2
平面波E 1 / r，H 1 / r
377
磁场为主 H 1 / r ，E 1 / r
3 2
0
/ 2
图2-9 波阻抗
到观测点距离r
在电磁兼容分析中，经常用到波阻抗这个物理量。 电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗，定 义如下： ZW = E / H 近场和远场：根据观测点到辐射源的距离不同，划分出 近场区和远场区两个区域，当距离小于/时，称为近 场区，大于/时称为远场区。
2.源的位置对屏蔽效能计算的影响
如果辐射源在屏蔽机箱的外部（例如，屏蔽是为 了机箱内的电路免受外界干扰的影响），则反射损耗 和吸收损耗都对屏蔽效能有贡献。如果辐射源在屏蔽 机箱内部（例如，屏蔽是为了抑制机箱内的电路辐 射），则主要是吸收损耗对屏蔽效能有贡献，因为反 射的能量总是在机箱内。
3.波阻抗的概念 波 阻 抗 E/H
2.吸收损耗的计算
当电磁波在介质中传播时，无论电场还是磁场，它们的 幅度都是按照指数规律衰减： E1 = E0e-t/ H1 = H0e-t/ 电磁波衰减为原始强度的1/e或37%时所传播的距离称为 趋肤深度。趋肤深度的计算公式为： = 0.066 / ( f r r )1/2mm ， f 的单位为 MHz，常用金属的趋肤深度如下（单位为毫米）： 频率 铜 铝 钢 金属 100Hz 6.6 8.38 0.66 0.48 1kHz 2.08 2.67 0.20 0.08 10kHz 0.66 0.89 0.76 1MHz 0.08 0.08 0.008 10MHz 0.02 0.025 0.0025
电磁屏蔽的作用原理是屏蔽体对电磁能量的反射、 吸收和引导作用，而这些作用与屏蔽结构表面和屏蔽体 内所感应的电荷、电流及极化现象密切相关。 屏蔽效能 屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点无屏蔽存在 时电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比，用 SE表示
SE
E E
0 S
或SE
H H
0 S
式中， E0 、 H 分别为无屏蔽使某点的电场强度和磁场 强度； Es 、 H 分别表示屏蔽后同一点的电场强度和磁 场强度。
中南大学
电磁兼容及其应用
第2章 屏蔽技术
电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一。 大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。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。 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，使其内部产生的电磁 场不能越出这一区域而干扰区域外部设备，而外部电 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）。
图2-6 高频磁场屏蔽
则有
jwM I I s jw r s LS
. .
L
I
M
L
Is
在高频下，可以认为 r s w Ls 于是
Is
.
jwM
r
I
.
AC
U
Rs
s
这说明在低频情况下，产生 的涡流小，而且涡流与频率 成正比。可见这种方法适用 于高频情况。
图2-7 屏蔽线圈等效电路
2.3 电磁屏蔽