电磁屏蔽技术分析

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电磁屏蔽技术分析
讨论了电磁屏蔽技术，包括电磁屏蔽的技术原理、屏蔽材料的性能和应用场合、屏蔽技术的注意事项、屏蔽效能的检测以及特殊部位的屏蔽措施。
关键词：电磁屏蔽；屏蔽材料；屏蔽效能
0    引言
    近几年来，随着电磁兼容工作的开展，电磁屏蔽技术应用得越来越广泛。为了对电磁屏蔽技术有更深入的理解，应当对屏蔽材料的性能和应用场合、屏蔽技术的注意事项、屏蔽效能的检测以及特殊部位的屏蔽措施等进行更深入的探讨。
1    电磁屏蔽的技术原理
    电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。
1.1    静电屏蔽
    用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。
1.2    交变电场屏蔽
    为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素。
1.3    交变磁场屏蔽
    交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。
1.4    交变电磁场屏蔽
    一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。
2    屏蔽效能计算
    屏蔽效能（SE）的定义是：在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比。常用分贝数(dB)表示。
    SE=A＋R＋B（1）
式中：A为吸收损耗；
      R为反射损耗；
      B为多次反射损耗。
2.1    电磁波反射损耗
    由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同，使入射电磁波产生反射作用。而空气的电磁波阻抗在不同场源和场区中是不一样的，分别计算如下。
    磁场源近场中的反射损耗R(dB)为
    R=20log[sub]10[/sub]{[1.173(μ[sub]r[/sub]/fσ[sub]r[/sub])[sup]1/2[/sup]/D]＋0.0535D(fσ[sub]r[/sub]/μ[sub]r[/sub])[sup]1/2[/sup]＋0.354}（2）
式中：μ[sub]r[/sub]为相对磁导率；
            σ[sub]r[/sub]为相对电导率；
      f为电磁波频率（Hz）；
      D为辐射源到屏蔽体的距离（cm）。
    电场源近场中的反射损耗R(dB)为
    R=362－20log[sub]10[/sub][(μ[sub]r[/sub]f[sup]3[/sup]/σ[sub]r[/sub])[sup]1/2[/sup]D]（3）
    电磁场源远场中的反射损耗R(dB)为
    R=168－10log[sub]10[/sub](μ[sub]r[/sub]f/σ[sub]r[/sub])（4）
2.2    电磁波吸收损耗
    当进入金属屏蔽内的电磁波在屏蔽金属内传播时，由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗A(dB)为
    A=0.1314d(μr[sub]fσ[/sub][sub]r[/sub])[sup]1/2[/sup]（5）
式中：d为屏蔽材料厚度（mm）。
2.3    多次反射损耗
    电磁波在屏蔽层间的多次反射损耗B(dB)为
    B=20log[sub]10[/sub]{1－〔(Z[sub]m[/sub]－Z[sub]w[/sub])/(Z[sub]m[/sub]＋Z[sub]w[/sub])〕[sup]2[/sup]10[sup]－0.1A[/sup](cos0.23A－jsin0.23A)}（6）
式中：Z[sub]m[/sub]为屏蔽金属的电磁波阻抗；
      Z[sub]w[/sub]为空气的电磁波阻抗。
    当A>10dB时，一般可以不计多次反射损耗。
2.4    屏蔽效能计算实例
    场源距离不同材料的屏蔽体（厚度0.254mm）30cm远的屏蔽效能（dB）计算结果见表1。表1中近场和远场的分界点为λ/2π，λ为电磁场的波长。
表1    场源距离不同材料的屏蔽体（厚度0.254mm）30cm远的屏蔽效能dB

频率/Hz	铜			铁			铝
	磁场近场	电场近场	远场	磁场近场	电场近场	远场	磁场近场	电场近场	远场
60	3.46			3.22
1k	24.89			14.66
10k	44.92	212.73	128.73	51.50	217.50	134.00
150k	69.40	190.20	130.40	188.0	308.0	248.00
1M	97.60	185.40	141.60	391.0	479.0	435.00	88.00	176.0	—
15M	205.0	245.0	225.0	1102.0	1143.0	1123.0	174.0	215.0	—
100M	418.0	426.0	422.0	1425.0	1434.0	1430.0	342.0	350.0	—

3    屏蔽的注意事项
3.1    屏蔽的完整性
    如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏。特别是电磁场屏蔽，它利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰。如果屏蔽体不完整，涡流的效果降低，即屏蔽的效果大打折扣。
3.2    屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合
    电磁屏蔽技术的进展，促使屏蔽材料的形式不断发展，而不再局限于单层金属平板模式，屏蔽效能也不断提高。应用时要特别注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应用场合。
3.2.1    金属平板
    电子设备采用金属平板做机箱，既坚固耐用，又具有电磁屏蔽作用。其电磁屏蔽效能与金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场源与金属平板的距离、屏蔽体接地状况等参数有关。各种金属屏蔽材料的性能见表2。
表2    各种金属屏蔽材料的性能

金属屏蔽材料	相对于铜的电导率（σ[sub]Cu[/sub]=5.8×10[sup]7[/sup]Ω/m）	f=150kHz时的相对磁导率	f=150kHz时的吸收损耗/(dB/m)
银	1.05	1	52
铜	1.00	1	51
金	0.70	1	42
铝	0.61	1	40
锌	0.29	1	28
黄铜	0.26	1	26
镉	0.23	1	24
镍	0.20	1	23
磷青铜	0.18	1	22
铁	0.17	1000	650
钢＃45	0.10	1000	500
坡莫合金	0.03	80000	2500
不锈钢	0.02	1000	220

3.2.2    屏蔽薄膜
    当今许多电子设备采用工程塑料做机箱，由于工程塑料的加工工艺性能好，使机箱既造型美观，又成本低、质量轻。但工程塑料无电磁防护性能。屏蔽薄膜是采用喷涂、真空沉积、电镀和粘贴等工艺技术，在工程塑料和有机介质的表面覆盖一层导电膜，从而起到平板屏蔽的作用。一般导电膜的厚度小于电磁波在其内部传播波长的1/4。
    几种喷涂工艺达到的屏蔽效能见表3。
表3    几种喷涂工艺达到的屏蔽效能

喷涂工艺	厚度/μm	电阻/(Ω/mm[sup]2[/sup])	屏蔽效能/dB
锌热喷涂	25	4.0	50～60
镍基涂层	50	0.5～0.2	30～75
银基涂层	25	0.05～0.1	60～70
铜基涂层	25	0.5	60～70
石墨基涂层	25	7.5～20	20～40
电镀	0.75	0.1	85
化学镀	1.25	0.03	60～70
真空沉积	1.25	5～10	50～70
电离镀	1.0	0.01	50

    不同厚度的铜薄膜的屏蔽效能见表4。
表4    铜薄膜的屏蔽效能

厚度/μm	频率/Hz	A	R	B	屏蔽效能/dB
0.105	1M	0.14	109	－47	62
0.105	1G	0.44	79	－17	62
1.25	1M	0.16	109	－26	83
1.25	1G	5.20	79	－0.6	84
2.196	1M	0.29	109	0.6	110
2.196	1G	9.20	79	0.6	90
21.96	1M	2.90	109	－3.5	108
21.96	1G	92	79	0	171

    表头或显示器的屏蔽，可在表头或显示器的正面设置透光导电材料来实现。透光导电材料是在有机介质或玻璃的表面覆盖一层导电膜，使其既透光，又具有一定的屏蔽效能。不同透光率导电玻璃的屏蔽效能见表5。
表5    不同透光率导电玻璃的屏蔽效能

透光率	1MHz	10MHz	100MHz	1000MHz
60％	94	72	46	21
65％	90	68	42	16
71％	84	62	36	11
75％	78	56	30	6
80％	74	52	28	4

3.2.3    金属丝网
    当有通风、透光、加水、测量等需要时，要在设备外壳上开孔，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用金属丝网的孔眼屏蔽。或用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。孔眼的屏蔽效能SE（dB）与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关。
    为提高孔眼的屏蔽效能可采取以下措施：
    1）在大口径孔眼上覆盖金属丝网，要使丝网与屏蔽体接触良好；
    2）将大孔改为小孔；
    3）采用波导衰减器式通风口；
    4）在透光和测量孔上覆盖有金属丝网的屏蔽玻璃；
    5）在需要水、气密封的孔上垫含有橡胶等材料的金属丝网。
    下面介绍几种常用的金属丝网屏蔽材料。
3.2.3.1    全金属丝网衬垫
    全金属丝网衬垫是一种弹性的、导电的编织型金属衬垫丝网条，用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。应用时，铸造或机加工的壳体选用矩形截面的全金属丝网衬垫，板金壳体选用圆形截面的全金属丝网衬垫，压缩量为原高度的25％左右。全金属丝网衬垫的屏蔽效能见表6。
表6    全金属丝网衬垫的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	（100kHz）	（10MHz）	1GHz	10GHz
镀银黄铜	80	135	105	95
镀锡包铜钢	80	130	105	95
镀锡磷青铜	80	130	110	100
铝	60	130	90	80
镍铜合金	60	130	90	80

　
3.2.3.2    环境密封金属丝网衬垫
    环境密封金属丝网衬垫是由编织金属丝网和橡胶结合而成，环境密封金属丝网衬垫除能提供有效的电磁屏蔽外，还可以提供有效的环境密封。可用于电子设备壳体的固定接缝处或者活动接缝处，例如门缝等。一般压缩量为原高度的25％左右。其中带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能见表7。
表7    带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	（100kHz）	（10MHz）	1GHz	10GHz
镀锡包铜钢	80	130	105	95
镀锡磷青铜	80	130	110	95
镍铜合金	60	125	90	80

　
3.2.3.3    金属丝网屏蔽玻璃
    金属丝网屏蔽玻璃是将金属丝网压在两层玻璃之间，不仅能提供有效的电磁屏蔽，还可以提供有效的透光。可用于电子设备的观察窗口，例如表头、数字或图象显示器等。金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能见表8。
表8    金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	（100kHz）	（10MHz）	1GHz	10GHz
黑化铜丝网，开孔60％	55	120	60	40
黑化铜丝网，开孔45％	55	120	80	50

　
3.2.3.4    铝制蜂窝通风板
    铝制蜂窝通风板是由铝框中的铝制蜂窝构成。波导型的蜂窝不仅具有电磁屏蔽效能，而且具有高的空气流通性。可用于电子设备的通风窗口。铝制蜂窝通风板的屏蔽效能见表9。
表9    铝制蜂窝通风板的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	(100kHz)	(10MHz)	1GHz	10GHz
单层镀铬酸盐	40	80	60	40
单层镀镉	75	125	105	85
单层镀锡	70	125	105	85
单层镀镍	80	135	115	95
多层镀铬酸盐	65	110	95	85

　
3.2.4    导电纤维
    导电纤维分为以下5种。
    1）在化纤织物上镀铜或镍后制成导电布，可对高频和微波具有灵活的屏蔽性能。
    2）将导电布和树脂复合制成吸收导电布，由于选用能吸收电磁波的树脂，因此屏蔽性能更好。
    （3）用导电良好的金属或碳黑纤维和化纤混合制成导电布。
    以上3种导电织物可以做防静电和防电磁辐射的工作服，做屏蔽窗帘、帐篷、保护罩，其屏蔽效能一般在50～60dB。
    4）用导电纤维和木浆混合制成导电纸，可以做敏感集成电路的屏蔽包装，其屏蔽效能一般在30～40dB。
    5）由许多独立的金属丝合成到硅橡胶中制成的定向金属丝填充硅橡胶，能提供有效的电磁屏蔽和环境密封，常用于非固定缝隙，例如法兰的连接，其屏蔽效能见表10。
表10    定向金属丝填充硅实芯橡胶的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	（100kHz）	（10MHz）	1GHz	10GHz
镀锡磷青铜	75	130	110	100
镍铜合金	80	130	115	100

3.2.5    导电颗粒
    导电颗粒屏蔽材料是将镀银的玻璃粒子、纯银粒子、碳黑粒子、铜镀银粒子、镍镀银粒子、铝镀银粒子、石墨镀镍粒子分别掺在硅或氟硅橡胶，可以挤出各种形状，用于电磁和水汽密封。它们的屏蔽效能见表11。
表11    导电颗粒屏蔽材料的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	（100kHz）	（10MHz）	1GHz	10GHz
玻璃镀银导电橡胶811	65	130	100	90
纯银导电橡胶856，857	70	130	100	90
碳黑导电橡胶860	93	77	68	88
铜镀银导电橡胶871	75	120	115	110
镍镀银导电橡胶891	75	120	110	100
铝镀银导电橡胶895	75	120	110	100
石墨镀镍导电橡胶750	100	100	100	85

　
3.2.6    导电胶
    导电胶是在硅、环氧树脂胶中掺入纯金属粒子，例如银、镍、铜镀银、铝镀银等，应用在各种屏蔽材料之间，起到粘结、屏蔽和密封的作用。
3.2.7    导电涂料
    导电涂料是在聚丙烯和聚氨脂中掺入纯银粒子，可应用于塑料机壳屏蔽和需要柔性屏蔽的设备上。
3.2.8    导电箔带
    导电箔带是由单面背敷导电聚丙烯胶的铜带或铝带组成，可用于电子设备接缝的屏蔽密封、缠绕电缆屏蔽等。其屏蔽效能一般在55～60dB。
3.2.9    铍铜簧片
    铍铜簧片是具有弹性的屏蔽材料，可用于电子设备活动接缝的屏蔽，例如门、窗等。其屏蔽效能见表12。
表12    铍铜簧片的屏蔽效能dB

材料	磁场	电场	平面波
	100kHz	10MHz	1GHz
标准簧片	110	100	90
软簧片	95	85	75

　
3.2.10    屏蔽复合板
    屏蔽复合板是由金属箔、绝缘基片和压敏胶组成，可用于印刷电路、电子设备的屏蔽。其屏蔽效能一般在40～45dB。
3.2.11    纯棉涤电磁材料
    纯棉涤电磁材料是将铜原子均匀地分布于棉涤材料中，形成既透明又具有电磁屏蔽功能的材料，可应用于视屏射线辐射保护、手机微波辐射防护等。其屏蔽效能>50dB。
3.3    屏蔽体良好接地
    金属屏蔽体良好接地，对静电屏蔽而言，将使屏蔽体外侧的感应电荷流入大地，而不会有感应电场存在。对交变电场屏蔽而言，由于交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积，只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。因此，金属屏蔽体的接地不好，将会降低屏蔽效果。
3.4    特殊部位的特殊屏蔽措施
3.4.1    接缝处理
    在屏蔽体的接缝处，由于结合表面不平、不干净、焊接质量不好、紧固螺钉之间存在空隙等原因，在接缝处造成缝隙，致使屏蔽体的屏蔽效果降低。对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前，应将要焊接表面的非导电物质清除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用并压紧导电衬垫，以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织物、含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝，如门框上，采用弹性指簧以提高接缝的电磁屏蔽效果。
    导电衬垫的固定方式有沟槽定位、粘贴固定和肋片紧固等方式。
    为提高缝隙的屏蔽效能可采取以下措施：
    1）增加金属板厚度，可通过增加旁边长度来实现；
    2）减少结合面缝隙宽度，可通过提高结合面加工精度、焊接或整体铸造来实现；
    3）加装导电衬垫，常用的导电衬垫有编织金属网、软金属、梳状簧片、导电橡胶等；
    4）在接缝处涂导电涂料，常用的导电涂料有导电胶、导电脂等；
    5）调整紧固钉间距，使其小于λ/20（λ为电磁场的波长）；
3.4.2    孔眼屏蔽
    当有通风、照明、加水、测量等需要时，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关。
3.4.3    编织屏蔽
    因电缆需要活动和弯曲，其屏蔽采用编织带的形式。编织带的屏蔽效果随编织密度的增大而增加，随电磁波的频率的增大而降低。一般电缆的屏蔽层是用不导磁的金属丝编织的，可以实现电场屏蔽。如需实现磁场屏蔽，电缆的屏蔽层应采用导磁的金属丝编织。
3.4.4    蜂房板屏蔽
    当设备的通风和屏蔽要求较高时，采用蜂房板屏蔽有较好的效果。蜂房板屏蔽是利用许多并列的六角形金属管焊在一起构成?。其中每一个金属管都起波导衰减器的作用，而通风的风压降不大。蜂房板的电磁屏蔽效果取决于波导管的衰减特性，即与波导管的几何尺寸有关。
3.4.5    面板孔屏蔽
    当设备需要安装表头、数据或图形显示器时，应对面板孔加以屏蔽，以保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩。屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接，通过屏蔽罩的进出线设置穿心电容。
3.4.6    电连接器屏蔽
    选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针，供电缆内各个屏蔽层在电连接器头端接。为保证屏蔽的完整性，要沿着电缆一周，将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接，最好是焊接；电连接器座通过导电衬垫与设备的金属外壳保持良好的电气连接；电连接器头也应与电连接器座保持良好的电气连接。
3.4.7    多层屏蔽
    当单层屏蔽的效果达不到要求时，可以采用多层屏蔽。特别是对频带较宽的屏蔽，分别采用电导率和磁导率高的几种材料组成多层屏蔽，可以达到对高频电场和低频磁场均有较好效果的屏蔽。
3.4.8    印刷电路板的屏蔽
    1）在电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路之间设置导线屏蔽，并接到电路板的基准电位上。
    2）将导电线条之间的涂覆层尽量多地保留，并接到电路板的基准电位上。
    3）在印刷电路板的三个周边（电连接器边除外）设置地线。
    4）对电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路分别设置屏蔽罩，并接到电路板的基准电位上。
    5）在印刷电路板之间设置屏蔽板，并接到电路板的基准电位上。
4    屏蔽效能检测
    屏蔽体做好之后需要进行屏蔽效能的检测。
4.1    屏蔽效能的检测设备
    屏蔽效能的检测设备有变频信号源、射频放大器、发射天线、电磁场接收天线、衰减器、测量接收机、数据记录仪。
4.2    屏蔽效能的检测方法
    1）定位测量点；
    2）校准检测设备；
    3）测量无发射时的环境电平H；
    4）测量无屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度W；
    5）测量有屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度Y。
4.3    屏蔽效能SE的检测分析
    屏蔽效能SE计算式为
    SE=20log[sub]10[/sub][（W－H）/（Y－H）]（7）
    计算后，将屏蔽效能SE与设计要求相比较，看是否达到设计要求，安全余量是否满足要求，是否有过设计。如果达不到要求，就要具体分析原因并加以改进，直到满足要求为止。如果有过设计，也要具体分析原因并在以后的设计中加以改进。

xia20802