電磁兼容及其應用

1、電磁兼容及其應用 電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作，因此不需要對電路做任何修改。 所謂電磁屏蔽就是以某種材料（導電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw（實體的或非實體的）將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，使其內(nèi)部產(chǎn)生的電磁場不能越出這一區(qū)域而干擾區(qū)域外部設備，而外部電磁場不能進入這一區(qū)域（或者進出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。屏蔽技術屏蔽技術 電磁屏蔽的作用原理是屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用，而這些作用與屏蔽結(jié)構(gòu)表面和屏蔽體內(nèi)所感應的電荷、電流及極化現(xiàn)象密切相關

2、。屏蔽效能屏蔽效能 屏蔽效能定義為在電磁場中同一地點無屏蔽存在時電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比，用SE表示HHEESSSESE00或式中， 、 分別為無屏蔽使某點的電場強度和磁場強度； 、 分別表示屏蔽后同一點的電場強度和磁場強度。 由屏蔽效能的定義可知，屏蔽效能的數(shù)值越大，說明屏蔽效果越好。 E0H0EsHs電磁屏蔽屏蔽前的場強E1屏蔽后的場強E2對電磁波產(chǎn)生衰減的作用就是電磁屏蔽,電磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE = 20 lg ( E1/ E2) dB 由于屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一，因此通常用分貝來表述。下表是衰減量與屏蔽效能的對應關系：

3、無屏蔽場強 ：有屏蔽場強 屏蔽效能SE （dB） 10 ： 1 20 100 ： 1 40 1000 ： 1 60 10000 ： 1 80 100000 ： 1 100 1000000 ： 1 120 一般民用產(chǎn)品機箱的屏蔽效能在40dB以下，軍用設備機箱的屏蔽效能一般要達到60B，TEMPEST設備的屏蔽機箱的屏蔽效要達到80dB以上。屏蔽室或屏蔽艙等往往要達到100dB。100dB以上的屏蔽體是很難制造的，成本也很高。 根據(jù)屏蔽的工作原理，可將屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三大類。2.1電場屏蔽電場屏蔽 電場屏蔽簡稱電屏蔽，它利用與大地相連接的導體導電性良好的金屬容器，使導體內(nèi)部

4、的電力線不外傳，外部的電力線不內(nèi)傳，其目的是減少設備（或電路、組件、元件等）間的電場感應，包括靜電屏蔽靜電屏蔽和交變電場交變電場屏蔽屏蔽。2.1.1靜電屏蔽靜電屏蔽 靜電屏蔽包括主動屏蔽和被動屏蔽，主動屏蔽表示給孤立的帶電體以導體容器包圍，然后把導體容器接地，起到屏蔽作用。被動屏蔽，當屏蔽體外部有電場干擾時，屏蔽體內(nèi)部的導體為等電位體，內(nèi)部空間不會出現(xiàn)電力線，從而實現(xiàn)了對外界電場的屏蔽作用。2.1.2 交變電場屏蔽交變電場屏蔽 對交變電場的屏蔽原理，可以用電路理論加以解釋，此時干擾源與被干擾源對象之間感應可以用分布電容描述。如圖2-3所示，設有一電壓為Us的交變干擾源S，在其附近有一被干擾對象

5、（干擾接收器C），則C上感應的干擾為CCUCUCSCSCSC（2-1） 從上式可以看出，S與C之間的分布電容越大，則C受到的干擾電壓越大。為了減少干擾，可使S與C盡量遠離；當無法滿足要求時，則要采用屏蔽技術。 圖2-3 交變電場耦合電路 （未加屏蔽體）圖2-4 交變電場耦合 （為接地的屏蔽體） CCUCUCCCCUCUCCJJCCCJJSJSSJJCJ/ 為了減少干擾，在兩者之間加入作為屏蔽的大導電板J，如圖2-4所示，由于泄露的電力線很少，因此S與C之間的分布電容很少，可以忽略，可得（2-2） 從上式可以看出，C接收的干擾電壓取決于J的電位Uj，以及C與J之間的分布電容。在J離地較遠，且離S

6、很近的情況下，有及，則上式可得（2-3）CCUCUCCJSCCJ 由于金屬板的尺寸遠比干擾源尺寸大，C與J之間的 遠大于 。因此，在加了不接地的J后，可能非但沒有起到屏蔽作用，反而增大了干擾。當J接地后，如圖2-5所示J對地的電壓為SjwjwJUZCCZUZUJSJSJJSJ.1（2-4）CSJCsc 此時電壓取決于J的接地電阻，如J良好接地，則 。 在這種情況下，C感應的電壓主要源于S與C之間的分布電容，C感應的干擾電壓為 0, 0UZJJCCCUCUCJCSCSCSC（2-5）圖2-5交變電場耦合 （加接地屏蔽體） 當J很大時，C感應的干擾電壓很小。 根據(jù)上述，屏蔽體必須可靠的接地，且屏蔽

7、體必須選用導電性能好的材料，只有這樣才能有效地減少干擾。 2.2磁場屏蔽磁場屏蔽 磁場屏蔽簡稱磁屏蔽，是用于抑制耦合實現(xiàn)磁隔離的技術措施。它包括低頻磁屏蔽低頻磁屏蔽和高頻磁屏蔽。高頻磁屏蔽。2.2.1低頻磁場屏蔽低頻磁場屏蔽 低頻（100kHz）以下磁場屏蔽常用的材料是高磁導率的鐵磁材料（如鐵、硅鋼片、坡莫合金等）。低頻磁場屏蔽的原理是利用高磁導率的材料對于干擾磁場進行分路。要想提高磁導率的屏蔽性能，應采用高磁導率的屏蔽材料，且增大屏蔽體的壁厚。 根據(jù)磁路理論，磁路上a，b兩點間的磁位差為為通過磁路的磁通量。之間的磁阻；為式中，mmabmmbadlHRRU,.m（2-6）的磁感應強度。因此為穿

8、過為磁路的截面積；式中，SBSdlBsm.（2-7）（2-8）上式可化簡為與磁路的截面垂直，則均勻分布的，磁場方向是均勻的，且磁場也是若磁路截面SdlBdlHSbamR. 鐵磁材料只適用于低頻，不能用于高頻磁場屏蔽，因為高頻時鐵磁材料中的磁性損耗很大（包括磁滯損耗和渦流損耗）。磁通流過屏蔽體。大部分時，其磁阻很小，所以的鐵磁材料做磁屏蔽體導率成反比，因而選用高磁與）可見，由式（越大。越小，則一定時，）可見當由式（為磁導率。式中，RRURmmmmmSlBSHl9262（2-9）2.2.2高頻磁場屏蔽高頻磁場屏蔽 高頻磁場屏蔽采用的是低電阻率的良好導體材料，如銅、鋁等。原理是利用電磁感應現(xiàn)象殼體表

9、面所產(chǎn)生的渦流產(chǎn)生的反向磁場來達到屏蔽的目的，也就是說，利用了渦流反磁場對于元干擾磁場的排斥作用，來抵消進入屏蔽體的磁場。 圖2-6為一高頻磁場屏蔽。由高頻磁場屏蔽的原理可知，屏蔽盒上所產(chǎn)生的渦流的大小將直接影響屏蔽效果。下面通過等效電路來說明影響渦流大小的因素。把屏蔽殼體看成是一匝線圈如圖2-7所示。在高頻下，可以認為于是這說明在低頻情況下，產(chǎn)生的渦流小，而且渦流與頻率成正比?？梢娺@種方法適用于高頻情況。LrIISsjwjwMs.則有LrsswIrIsjwMs.2.3 電磁屏蔽電磁屏蔽2.3.1 電磁屏蔽原理電磁屏蔽原理 在交變電磁場中，電場分量和磁場分量總是同時存在的，只是在低頻接地范圍內(nèi)

10、，干擾一般發(fā)生在近場，此時高壓小電流干擾源以電場為主，而低壓大電流干擾源則以磁場為主。隨著頻率增大，電磁輻射能力增強，將產(chǎn)生輻射電磁場，并趨向于遠場干擾。遠場中的電場和磁場都不能忽略，因而就要對電場和磁場同時屏蔽，即進行電磁屏蔽。 電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻電磁波在空間傳播的技術措施，屏蔽體起著切斷或削弱電磁波傳輸?shù)淖饔谩?交變屏蔽的機理： 1）感應渦流理論，高頻干擾電磁場在中屏蔽體 內(nèi)會產(chǎn)生 渦流，渦流產(chǎn)生的磁場對高頻干擾電磁場有抵 消/削弱的作用。 2）電磁場理論，分析電磁屏蔽原理和效能的經(jīng)典理論。 3）傳輸線理論，它是根據(jù)這樣一個事實：電磁波在金屬 屏蔽體中傳播的過程與行波在傳輸線中傳播

11、的過程很相似。因此，可用傳輸線方程來對電磁屏蔽機理做等效分析計算。 2.3.4 傳輸理論和屏蔽效能分析傳輸理論和屏蔽效能分析實心材料屏蔽能效的計算一般有解釋法、圖解法、查表法，本章以解釋法為主。圖2-8 實心材料屏蔽能效的計算 1.電磁波在穿過屏蔽體時發(fā)生衰減是因為能量有了損耗，這種損耗可以分為兩部分：反射損耗反射損耗和吸收損耗吸收損耗。 反射損耗反射損耗：當電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時，就會發(fā)生反射，使穿過界面的電磁能量減弱。由于反射現(xiàn)象而造成的電磁能量損失稱為反射損耗。當電磁波穿過一層屏蔽體時要經(jīng)過兩個界面，因此要發(fā)生兩次反射。因此，電磁波穿過屏蔽體時的反射損耗等于兩個界面上的反射損耗的

12、總和。 對于電場波而言：第一個界面的反射損耗較大，第二個界面的反射損耗較小。對于磁場波而言，情況正好相反，第一個界面的反射損耗較小，第二個界面的反射損耗較大。 吸收損耗吸收損耗：電磁波在屏蔽材料中傳播時，會有一部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，導致電磁能量損失，損失的這部分能量稱為屏蔽材料的吸收損耗。 多次反射修正因子多次反射修正因子：電磁波在屏蔽體的第二個界面（穿出屏蔽體的界面）發(fā)生反射后，會再次傳輸?shù)降谝粋€界面，在第一個界面發(fā)射再次反射，而再次到達第二個界面，在這個截面會有一部分能量穿透界面，泄漏到空間。這部分是額外泄漏的，應該考慮進屏蔽效能的計算。這就是多次反射修正因子。2.源的位置對屏蔽效能計算的影

13、響源的位置對屏蔽效能計算的影響 如果輻射源在屏蔽機箱的外部（例如，屏蔽是為了機箱內(nèi)的電路免受外界干擾的影響），則反射損耗和吸收損耗都對屏蔽效能有貢獻。如果輻射源在屏蔽機箱內(nèi)部（例如，屏蔽是為了抑制機箱內(nèi)的電路輻射），則主要是吸收損耗對屏蔽效能有貢獻，因為反射的能量總是在機箱內(nèi)。377波阻抗E/HrrEH23/ 1/ 1，磁場為主rrHE23/1/1，電場為主rHrE/1/1，平面波到觀測點距離r0圖2-9 波阻抗3.波阻抗的概念波阻抗的概念2/ 在電磁兼容分析中，經(jīng)常用到波阻抗這個物理量。電磁波中的電場分量與磁場分量的比值稱為波阻抗，定義如下： ZW = E / H近場近場和和遠場遠場：根據(jù)觀

14、測點到輻射源的距離不同，劃分出近場區(qū)和遠場區(qū)兩個區(qū)域，當距離小于/時，稱為近場區(qū)，大于/時稱為遠場區(qū)。波阻抗的值波阻抗的值 近場區(qū)中，波阻抗的值取決于輻射源的性質(zhì)、觀測點到源的距離、介質(zhì)特性等。若輻射源為大電流、低電壓（輻射源電路的阻抗較低），則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377，稱為低阻抗波，或磁場波。若輻射源為高電壓，小電流（輻射源電路的阻抗較高），則波阻抗大于377，稱為高阻抗波，或電場波。在遠場區(qū)，波阻抗僅與電場波傳播介質(zhì)有關，其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗，空氣為377。波阻抗的變化波阻抗的變化 在近場區(qū)內(nèi)，特定電場波的波阻抗隨距離而變化。如果是電場波，隨著距離的增加，波阻抗降低，如果是磁場波

15、，隨著距離的增加，波阻抗升高。在遠場區(qū)，波阻抗保持不變。注意：注意：近場區(qū)和遠場區(qū)的分界面隨頻率的不同而不同，不是一個定數(shù)，這在分析問題時要注意。例如，在考慮機箱的屏蔽時，機箱相對與線路板上的高速時鐘信號而言，可能處于遠場區(qū)，而對于開關電源較低的工作頻率而言，可能出于近場區(qū)。后面會看到，在近場區(qū)設計屏蔽時，要分別考慮電場屏蔽和磁場屏蔽。2.吸收損耗的計算吸收損耗的計算當電磁波在介質(zhì)中傳播時，無論電場還是磁場，它們的幅度都是按照指數(shù)規(guī)律衰減： E1 = E0e-t/ H1 = H0e-t/電磁波衰減為原始強度的1/e或37%時所傳播的距離稱為趨膚深度。趨膚深度的計算公式為： = 0.066 /

16、( f r r )1/2mm ， f 的單位為MHz，常用金屬的趨膚深度如下（單位為毫米）： 頻率 銅 鋁 鋼 金屬 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從吸收損耗的公式可以得出以下結(jié)論： 屏蔽材料越厚，吸收損耗越大， 厚度每增加一個 趨膚深度，吸收損耗增加約9dB； 屏蔽材料的磁導率越高，吸收損耗越大； 屏蔽材料的電導率越高，吸收損耗越大； 被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。3.反射損耗反射損耗反

17、射損耗與電磁波的波阻抗Zw和屏蔽材料的特征阻抗Zs有關。一般表達式為： R = lg ( Zw / 4 Zs ) dB從式中可以看出，對于特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的電磁波的波阻抗越高，則反射損耗越大；對于確定的電磁波（Zw 一定），屏蔽材料的阻抗越低，則反射損耗越大。屏蔽材料的阻抗計算方法為： Zs = 3.68 10-7 ( f r /r )1/2 f = 入射電磁波的頻率（Hz）， r = 相對磁導率，r =相對電導率。在遠場在遠場：電磁波的波阻抗為377。在近場在近場：電場波和磁場波的波阻抗是不同的，因此做近場屏蔽時，要分別考慮電場波和磁場波的情況。由于電場波的波阻抗較高，因此

18、反射損耗較大。磁場波的波阻抗較低，往往反射損耗較小。電場波電場波：屏蔽體距離輻射源越近，反射損耗越大。磁場波磁場波：屏蔽體距離輻射源越遠，反射損耗越大。不同電磁波的反射損耗不同電磁波的反射損耗4.屏蔽能效 以0.5mm的鋁板為例?？偟钠帘涡艿扔谖論p耗與反射損耗之和。低頻：低頻：由于趨膚深度很大，吸收損耗很小，屏蔽效能主要決于反射損耗。而反射損耗與電磁波的波阻抗關系很大，因此，低頻時不同的電磁波的屏蔽效能相差很大。電場波的屏蔽效能遠高于磁場波。高頻：高頻：隨著頻率升高，電場波的反射損耗降低，磁場波的反射損耗增加（見前頁圖），另一方面由于趨膚深度減小，吸收損耗增加，當頻率高到一定程度時，吸收損

19、耗已經(jīng)很大，屏蔽效能主要由吸收損耗決定。由于屏蔽的吸收損耗與電磁波的種類（波阻抗）無關，在高頻時，不同種類的電磁波的屏蔽效能幾乎相同。電場波種類與屏蔽效能電場波種類與屏蔽效能 從圖中可以看出，屏蔽的難度按電場波、平面波、磁場波的順序依次增加。電場波是最容易屏蔽的，而磁場波是最難屏蔽的。特別是頻率較低的磁場波，很難屏蔽。了解這一點很重要，因為在選購屏蔽材料時，要參考廠家提供的屏蔽數(shù)據(jù)，一定要搞清楚數(shù)據(jù)是在什么條件下獲得的。導電薄膜、導電涂覆層等對磁場往往屏蔽效能很低，廠家給出的屏蔽數(shù)據(jù)一般是電場波或平面波的。根據(jù)屏蔽效能的定義：根據(jù)屏蔽效能的定義： 屏蔽效能 = H0 / H1 =（RS + R

20、0）/ RS = 1 + R0 / RS 磁阻的計算：磁阻的計算： R = S /（ A ） 式中： S = 屏蔽體中磁路的長度， A = 屏蔽體中穿過磁力線的截面面積， = 0 r 。結(jié)論：結(jié)論： 屏蔽體的磁阻越小，屏蔽效能越高。為了減小屏蔽體的磁阻，應該： 使屏蔽體盡量小，這樣可以使磁路盡量短，從而達到減小磁阻的目的； 增加磁路的截面積； 使用導磁率盡量高的材料 5.良好屏蔽體的關鍵因素良好屏蔽體的關鍵因素 一般除了低頻磁場外，大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實際中，常見的情況是金屬做成的屏蔽體并沒有這么高的屏蔽效能，甚至幾乎沒有屏蔽效能。這是什么原因呢？ （1）接地并

21、不解決問題接地并不解決問題 大部分設計人員不了解電磁屏蔽的基本原理，往往將靜電屏蔽的原理應用到電磁屏蔽上。在靜電中，只要將屏蔽體接地，就能夠有效地屏蔽靜電場。而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關，這是設計人員必須明確的。（2）保持屏蔽體的導電連續(xù)性才是關鍵）保持屏蔽體的導電連續(xù)性才是關鍵 電磁屏蔽的關鍵是保證屏蔽體的導電連續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導電體。這一點在實現(xiàn)起來十分困難。因為一個完全封閉的屏蔽體是沒有任何實用價值的。一個實用的機箱上會有很多孔縫造成屏蔽：通風口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分結(jié)合的縫隙等。屏蔽設計的主要內(nèi)容就是如何妥善處理這些孔縫，同時不會影響機箱

22、的其它性能（美觀、可維性、可靠性）。（3）穿過屏蔽體的導體危害最大）穿過屏蔽體的導體危害最大 實際機箱屏蔽效能低的另一個主要原因是穿過屏蔽機箱的導體。機箱上總是會有電纜穿出（入），至少會有一條電源電纜。這些電纜會極大的危害屏蔽體，使屏蔽體的屏蔽效能降低數(shù)十dB。妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內(nèi)容之一。（穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大）。6.實際屏蔽體的問題實際屏蔽體的問題 一個實際的電磁屏蔽體上有許多導致導電不連續(xù)的因素，如通風口、顯示窗口、操作器件、不同部分的結(jié)合處、穿出屏蔽體的各種電纜等。正是這些因素的存在，使實際的屏蔽體的屏蔽效能很難達到預期的程度。也正是這些因素使屏蔽體

23、的設計成為一個較難的問題。 在進行電磁屏蔽設計時，要妥善解決這些開口/和貫通導體造成的屏蔽性能下降問題。2.3.5 孔縫泄露與抑制措施孔縫泄露與抑制措施 一般情況下，屏蔽機箱上不同部分的結(jié)合處不可能完全接觸，只能在某些點接觸上，這構(gòu)成了一個孔洞陣列。縫隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一。在實際工程中，常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能?？p隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高。1.縫隙處的阻抗：縫隙處的阻抗： 縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效。低頻時，電阻分量起主要作用；高頻時，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率的升高降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機箱的屏蔽效

24、能經(jīng)常隨著頻率的升高而增加。影響電阻成分的因素：影響電阻成分的因素：影響縫隙上電阻成分的因素主要有：接觸面積（接觸點數(shù)）、接觸面的材料（一般較軟的材料接觸電阻較?。?、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力（壓力要足以使接觸點穿透金屬表層氧化層）、氧化腐蝕等。影響電容成分的因素：影響電容成分的因素： 根據(jù)電容器的原理，很容易知道：兩個表面之間的距離越近，相對的面積越大，則電容越大。2.縫隙的處理縫隙的處理減小縫隙電磁泄漏的基本思路：減小縫隙電磁泄漏的基本思路： 減小縫隙的阻抗（增加導電接觸點、加大兩塊金屬板之間的重疊面積、減小縫隙的寬度） 方法一：方法一：使用機械加工的手段（如用銑床加工接觸表面）來增

25、加接觸面的平整度。缺點：缺點：加工成本高。 方法二：方法二：增加緊固件（螺釘、鉚釘）的密度，缺點：缺點：僅適合永久性結(jié)合的場合?；顒用姘澹ㄈ缇S修面板、屏蔽門等）處使用過多螺釘會減低設備可維修性，在屏蔽門上使用過多的緊固機構(gòu)會增加門的復雜程度和成本。另外，在一些干擾頻率較高或?qū)ζ帘蔚囊蠛車栏竦膱龊?，方法一、二中在縫隙上遺留的微小孔洞仍會影響機箱的屏蔽效能。 方法三：方法三：使用電磁密封襯墊，原理：原理：電磁密封襯墊是一種彈性的導電材料。如果在縫隙處安裝上連續(xù)的電磁密封襯墊，那么，對于電磁波而言，就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發(fā)生液體泄漏一樣，不會發(fā)生電磁波的泄漏。缺點：缺點：

26、增加額外的成本，但購買電磁密封襯墊的費用往往可以從產(chǎn)品的加工費用（使用密封墊后，對加工的精度要求往往降低），性能（可維性、外觀等）等方面得到補償。電磁密封襯墊的靈活應用：電磁密封襯墊的靈活應用： 除非對屏蔽的要求非常高的場合，否則并不需要在縫隙處連續(xù)使用電磁密封襯墊。在實踐中，可以根據(jù)對屏蔽效能的要求間隔地安裝襯墊，每段襯墊之間形成的小孔洞泄漏可以用前面的介紹的公式計算。在樣機上精心地調(diào)整襯墊間隔，使既能滿足屏蔽的要求，又使成本最低。對于民用產(chǎn)品，襯墊之間的間隔可以為/20 /100 之間。軍用產(chǎn)品則一般要連續(xù)安裝。3. 通風冷卻孔泄露的抑制通風冷卻孔泄露的抑制（1）覆蓋金屬絲 將金屬絲網(wǎng)覆蓋在大面積的通風孔上，能顯著地防止電磁泄露。