电磁屏蔽技术探讨

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 　　 　　式中：μr为相对磁导率； 　　σr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 　　 　　电磁场源远场中的反射损耗R(dB)为 　　R=168－10log10(μrf/σr) （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 　　 　　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 　　 　　式中：Zm为屏蔽金属的电磁波阻抗； 　　Zw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 空 空 3.22 空 空 空 空 空 1k 24.89 空 空 14.66 空 空 空 空 空 10k 44.92 212.73 128.73 51.50 217.50 134.00 空 空 空 150k 69.40 190.20 130.40 188.0 308.0 248.00 空 空 空 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（σCu=5.8×107Ω/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 1 122 铁 0.17 1000 650 钢＃45 0.10 1000 500 坡莫合金 　　0.03 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/mm2) 　　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 　　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（100kHz） 　　电场（10MHz） 　　平面波 　　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 　　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（100kHz） 　　电场（10MHz） 　　平面波 　　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(100kHz) 电场(10MHz) 平面波 　　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