電磁兼容中有關(guān)電磁屏蔽的設(shè)計(jì)及工程計(jì)算方法的研究

1、Vol.30 No.1 2010.1 船電技術(shù)|應(yīng)用研究電磁兼容中有關(guān)電磁屏蔽的設(shè)計(jì)及工程計(jì)算方法的研究張立偉1 李雪花2（1. 南京全信傳輸科技股份有限公司，南京 211113；2. 南京埃斯頓數(shù)字技術(shù)有限公司，南京 211100） 摘 要：為了確定電磁屏蔽的屏蔽設(shè)計(jì)效能，本文采用電磁場傳播理論和原理，計(jì)算了吸收損耗、反射損耗、二次或多次反射損耗修正系數(shù)等以及銅金屬板和鐵磁金屬板的不同頻率下的屏蔽效果、多層屏蔽體的屏蔽效果。計(jì)算結(jié)果顯示：屏蔽效能值除了與屏蔽體的材料、結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)外，還與電磁場源的類型、場源到屏蔽體的距離、電磁場源的頻率等有關(guān)。 關(guān)鍵詞：電磁兼容 電磁屏蔽 屏蔽效能 場源

2、工程計(jì)算中圖分類號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-4862 (2010) 01-0035-06Design and Computational Method of EngineeringElectromagnetic shielding in EMCZhang Liwei1, Li xuehua2(1. Nanjing Quanxin Cable Technology Co.,Ltd，Nanjing 211113, China; 2. Nanjing Estun Digital Technology Co.,Ltd，Nanjing 211100, China)Abstract

3、: In order to confirm the efficiency of electromagnetic shielding, this paper uses the spreading theory of the electromagnetic field to calculate absorbing loss, reflecting loss, secondary or repetitious reflecting loss correctional quotiety and so on. It also calculates shielding effectiveness of t

4、he copper board and iron board in the different frequency and the screening capability of multilayer object. Calculating result shows that in addition to shielding material and the structure form.etc, shielding effectiveness also is related to the tape, distance and frequency of field source.Key wor

5、ds: electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic shielding; shielding effectiveness; field source; computational method of engineering1 引言接地、屏蔽、濾波是抑制電磁干擾的三大技術(shù)，這是電子設(shè)備和系統(tǒng)在進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)過程中通用的三種主要的電磁干擾抑制方法12。，能量泄漏出內(nèi)部區(qū)域，二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽作用是通過一個(gè)將上述區(qū)域封閉起來的殼體實(shí)現(xiàn)的3，4。這個(gè)殼體可以做成實(shí)心板式，網(wǎng)狀眼孔式以及金屬編織式，結(jié)構(gòu)形狀可以是平面

6、體狀，圓柱體，球殼形或幾種組合形狀。其所有材料可以是導(dǎo)電的，導(dǎo)磁的，介質(zhì)的，也可以是帶有非金屬吸收填料的。屏蔽是利用屏蔽體進(jìn)行阻擋或減小電磁能傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁收稿日期：2009-07-28作者簡介：張立偉（1976），男，高級(jí)工程師。研究方向：特種電纜，傳輸系統(tǒng)、艦船傳輸線，機(jī)車傳輸線等。2 屏蔽的分類根據(jù)屏蔽的對象不同，可以把屏蔽分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽的對象是干擾源，限制由干擾源產(chǎn)生的有害電磁能量向外擴(kuò)散。被動(dòng)35船電技術(shù)|應(yīng)用研究 Vol.30 No.1 2010.1屏蔽的對象是敏感體，以防止外部電磁干擾對它產(chǎn)生

7、有害影響。根據(jù)屏蔽的作用原理，可以分為靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽5，6jµ+j其中：角頻率（rad/s）；=2fZi=f頻率（Hz）；µ材料的相對導(dǎo)磁率；µ=。靜電屏蔽的屏蔽體用良導(dǎo)體制作，并有良好的接地。這樣就把電場終止于導(dǎo)體表面，并通過地線中和導(dǎo)體表面上感應(yīng)電荷，從而防止由靜電耦合產(chǎn)生的相互干擾。磁屏蔽主要用于低頻下，屏蔽體用于高導(dǎo)磁率材料構(gòu)成低磁阻通路，把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，從而阻擋內(nèi)部磁場向外擴(kuò)散或外界磁場干擾進(jìn)入，有效防止低頻磁場的干擾。電磁屏蔽主要用于高頻下，利用電磁波在導(dǎo)體表面上的反射和導(dǎo)體中傳播的急劇衰減來隔離時(shí)變電磁場的相互耦合，從而防止高頻電

8、磁場的干擾。（0=µrµ0µr材料的相對導(dǎo)磁率；µ0自由空間的導(dǎo)磁率；（µ0=4×10H/m）材料的電導(dǎo)率（s/m）； 材料的介電常數(shù)；r材料的相對介電常數(shù)；0自由空間的介電常數(shù)；71128.85×10F/m） 94×9×10對于絕緣介質(zhì)，電導(dǎo)率極地，即<<，如果是空氣，µ=µ0,=0于是3 屏蔽效能工程計(jì)算3.1 定義各種屏蔽體的性能，均用該屏蔽體的屏蔽效能來定量評(píng)價(jià)。在電線電纜行業(yè)中的電磁屏蔽效果，一般稱為屏蔽衰減。屏蔽效能定義為空間某點(diǎn)上未加屏蔽時(shí)的電場強(qiáng)度E0（或磁

9、場強(qiáng)度H0）與加屏蔽后該點(diǎn)的電場強(qiáng)度E1（或磁場強(qiáng)度H1）的比值，一般用對數(shù)形式表示為：屏蔽效能：SE=20lg=120377 0對于金屬高導(dǎo)電率材料，即>>，于是fµjj2f=(1+j) Zm=+jZd=jµ=+j其模為：µr =3.69×107fr其中：金屬材料電導(dǎo)率，=r0 (s/m)；Zm=20銅金屬材料電導(dǎo)率，0=5.8×10（s/m）； r材料的相對電導(dǎo)率，即與標(biāo)準(zhǔn)銅材料的比值； 表1列舉一些典型金屬材料的本征阻抗的模值。E0H或 SE=20lg0（dB） E1H173.2 材料的特性阻抗（即本征阻抗）任何均勻材料的特性

10、阻抗（有的參考文獻(xiàn)定義為本征阻抗）定義為：表1 金屬本征特性阻抗模值（103）f/Hz 104銅鋼鋁鉛0.037 1.044 0.048 0.1326×104 0.091 2.558 0.118 0.324 105 0.118 3.303 0.153 0.418 0.166 4.671 0.216 0.591 2×1050.263 7.385 0.341 0.395 5×105 106 1070.372 10.44 0.483 1.322 1.18 33.03 1.53 4.184.826 13.22108 3.72 104.4336Vol.30 No.1 201

11、0.1 船電技術(shù)|應(yīng)用研究 3.3 空間中電磁波的波阻抗波阻抗是電磁波的一個(gè)重要特性參數(shù)，其定義是構(gòu)成電磁能量傳播的電場和磁場分量之比：阻抗場，見圖2所示。Zw=下分別計(jì)算波阻抗：E H根據(jù)基本輻射源的場方程，按以下三種情況(1) 平面波，即遠(yuǎn)場區(qū)（r>>/2）自由空間的波阻抗：Zw=120377 ()(2) 電場，近場區(qū)高阻抗場的波阻抗 自由空間遠(yuǎn)區(qū)場的波阻抗為120，而在近場區(qū)時(shí)，對于電偶極子作為干擾源的感應(yīng)場區(qū)間，則將出現(xiàn)高阻抗場，并且干擾場主要是電場發(fā)生源起主要作用。見圖1所示。 當(dāng)r<</2時(shí)：Zw=圖1 高阻抗場的電場發(fā)生源和電磁波1j0r=Zw=1j0r=

12、10r12f0r圖2 低阻抗場的電場發(fā)生源和電磁波其中：r場源到屏蔽體的距離（m）；(3) 磁場，近場區(qū)低阻抗場的波阻抗同理，近場區(qū)，磁流元作為干擾源的感應(yīng)場區(qū)間，即磁場源發(fā)生器近距場區(qū)間，則將出現(xiàn)低圖3 空間阻抗和距發(fā)生源的距離當(dāng)r<</2時(shí)：Zw=jµrZw=jµr=µ0r=2fµ0r根據(jù)以上所述，分析繪制波阻抗與發(fā)生源之間距離的關(guān)系圖如圖3所示。 3.4屏蔽效能計(jì)算實(shí)心平板型屏蔽是把屏蔽體看成一個(gè)結(jié)構(gòu)上完整的、電氣上連續(xù)均勻的無限金屬板。如圖437船電技術(shù)|應(yīng)用研究 Vol.30 No.1 2010.1所示，無限大均勻屏蔽體對平面電磁波

13、進(jìn)行半空間屏蔽的情況。R=20lg(Zm+Zw)24ZwZm（dB）其中：Zm金屬的本征阻抗（）； ZW入射波在空間的波阻抗（）前面討論了，在不同的場區(qū)，電磁波的波阻抗不同，而在近場區(qū)波阻抗為復(fù)數(shù)值，反射損耗表達(dá)式可以分類進(jìn)一步表示為：遠(yuǎn)場區(qū)時(shí)fµrR=168.110lgr近場區(qū)，以電場為主時(shí)圖4 實(shí)心平板結(jié)構(gòu)的屏蔽體（dB） （dB） 假設(shè)金屬平板左右兩側(cè)均為空氣，因而在左右兩個(gè)界面上出現(xiàn)波阻抗突變，入射電磁波在界面上就產(chǎn)生反射和透射。在左邊的界面上，入射波的一部分被反射回空氣中。從電磁屏蔽的作用看，一部分電磁能量被反射，就是屏蔽體對電磁波衰減的第一種機(jī)理，稱為反射損耗，用R表示。

14、剩余部分就透射入金屬板內(nèi)繼續(xù)傳播，而電磁波在金屬中傳播時(shí)，其場量振幅要按指數(shù)規(guī)律衰減。從電磁屏蔽的作用看，場量的衰減反映了金屬板對透射入的電磁能量的吸收，就是屏蔽體對電磁波衰減的第二種機(jī)理，稱為吸收損耗，用A表示。在金屬板內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量達(dá)到金屬板的右界面上時(shí)，又要發(fā)生反射，并在金屬板的兩界面之間來回反射。只有剩余的一小部分電磁能量透過右邊界進(jìn)入被屏蔽的空間。從電磁屏蔽的作用看，電磁波在金屬板的兩個(gè)界面之間的多次反射現(xiàn)象，就是屏蔽體對電磁波衰減的第三種機(jī)理，稱為多次反射修正因子，用B表示。屏蔽效能的計(jì)算是分析與設(shè)計(jì)的重要步驟，屏蔽效能計(jì)算公式如下：f3r2µrR=321.710

15、lgr其中：r場源到屏蔽體的距離（m）；近場區(qū)，以磁場為主時(shí)r0.0117+5.35r+0.354（dB） R=20lgµrrrµr(3) 多次反射修正項(xiàng)：ZZB=2mw100.1A(cos 0.23Ajsin 0.23A)（dB）Zm+Zw令兩界面的多次反射系數(shù)：2ZmZw=Z+Z。因?yàn)槿肷洳ㄗ杩筞w為復(fù)數(shù)，wm反射系數(shù)也是復(fù)數(shù)，工程計(jì)算可以分類按三種情況計(jì)算反射系數(shù)： 近場區(qū)，以磁場為主時(shí)，即低阻抗場2SE=R+A+B（dB）其中：R反射損耗；A吸收損耗；B多次反射修正項(xiàng)。(1) 吸收損耗：1+1µr4.7×102其中：m=rfr(1m)=4

16、5;222m2+j2(1m2)()22； 近場區(qū)，以電場為主時(shí)，即高阻抗場(1m)=4×222m2j2(1m2)A=0.131×trr（dB）其中：t金屬屏蔽板的厚度（mm）；f頻率（Hz）；(2) 反射損耗：1+115()22其中：m=2.05×10rf3µrr 遠(yuǎn)場區(qū)，即平面波38Vol.30 No.1 2010.1 船電技術(shù)|應(yīng)用研究1+2m+1fµr10其中：m=9.77×10(1m)=4×222m2j22m(1m2)越小表示屏蔽效果越好。當(dāng)屏蔽系數(shù)為0時(shí)說明具有完全屏蔽。屏蔽效能，在數(shù)值上等于屏蔽系數(shù)S倒數(shù)的模值，

17、然后取自然對數(shù)。表3 0.254 mm厚鐵材料屏蔽體的屏蔽效能（dB）f/Hz近場區(qū)，磁場近場區(qū)，電場平面波()22r此時(shí)，對于平面波，m一般非常小，基本為1。多次反射修正項(xiàng)B并不是任何時(shí)候都必須計(jì)入的。當(dāng)頻率較高或金屬較厚時(shí)，吸收損耗較大。入射波能量進(jìn)入屏蔽體后，在第一次到達(dá)金屬板右邊的界面之前已經(jīng)被大幅度衰減，多次反射現(xiàn)象不顯著。一般只要A>10dB，就可不考慮多次反射的影響。工程設(shè)計(jì)人員一般關(guān)心的是屏蔽體的總屏蔽效能，包括吸收損耗，反射損耗及多次反射修正項(xiàng)三者之和，上述公式意義在于對不同屏蔽形式屏蔽效能的預(yù)測。表2中除平面波外，近場區(qū)的電場和磁場按場源到屏蔽體的距離r=30 cm計(jì)

18、算的各種干擾波源的屏蔽效能情況。這里并沒有考慮出入孔、通風(fēng)孔及電源線通孔的影響。在許多應(yīng)用場合，貫通孔及連接屏蔽材料的工藝措施都會(huì)顯著降低整個(gè)屏蔽體的實(shí)際效果。表2 0.254 mm厚銅材料屏蔽體的屏蔽效能（dB）f/Hz近場區(qū)，磁場近場區(qū)，電場平面波50 2.92 1k 14.66 10k 51.50 217.50 143.0 150k 179.0 308.00 248.0 1M 391.0 479.0 435.0 15M 1102.0 1143.0 1426.0 100M 1426.0 1434.0 1430.0即：屏蔽效能 SE=20lg1（dB） S屏蔽系數(shù)也可以按下式進(jìn)行計(jì)算：4Zw

19、Zm2ZwZm2t2t(Zw+Zm)e1Z+Zemw其中：=j； S=反射系數(shù)計(jì)算公式：1P=1Scht+shtN50 3.44 111k 24.89 NthtN210k 50.16 212.73 128.73 =11150k 69.40 190.20 130.4 1+N+thtN21M 97.60 185.40 141.60Z15M 205.0 245.0 225.0其中：N=w；Zm100M 418 426 4223.5 屏蔽系數(shù)（S）和反射系數(shù)（P）的計(jì)算屏蔽系數(shù)表示屏蔽作用的大小，其值等于有屏蔽時(shí)，被屏蔽空間內(nèi)某一點(diǎn)電場強(qiáng)度EB或磁場強(qiáng)度HB與沒有屏蔽層時(shí)該點(diǎn)的電場強(qiáng)度E或磁場強(qiáng)度H之

20、比。屏蔽系數(shù)：S3.6 組合屏蔽體的設(shè)計(jì)和計(jì)算如果有雙層或多層屏蔽體，每層屏蔽體之間不相互接觸，則組合屏蔽系數(shù)按下式計(jì)算：雙層組合屏蔽系數(shù)：S12=S1S2；1P1P22EBHB=； EHP2S1雙層組合反射系數(shù)：P =P+1211P1P2其中：S12雙層屏蔽系數(shù)；S1第一層屏蔽體屏蔽系數(shù)； S2第二層屏蔽體屏蔽系數(shù)；39屏蔽系數(shù)是復(fù)數(shù)，它的角度表示電磁波經(jīng)過屏蔽后的相移。屏蔽系數(shù)的模為01，屏蔽系數(shù)船電技術(shù)|應(yīng)用研究 Vol.30 No.1 2010.1P12雙層反射系數(shù)；P1第一層屏蔽體反射系數(shù)； P2第二層屏蔽體反射系數(shù)；如果有多層屏蔽體，分別不相互接觸，可以依次計(jì)算第一、二層組合屏蔽系

21、數(shù)S12，然后把第它作為一層屏蔽體，再利用上述公式計(jì)算，與第三層組合計(jì)算，從理論上依次可以計(jì)算任意多層屏蔽體的屏蔽系數(shù)和反射系數(shù)，從而求出屏蔽效能。場源為平面波情況下的雙層實(shí)心金屬屏蔽體的屏蔽效能見表4。表4 雙層實(shí)心金屬屏蔽體的屏蔽效能（Np）f/kHz銅鋼 銅銅 鋼鋼 單層銅 單層鋼 單層銅 單層鋼各厚0.1mm 各厚0.1mm 各厚0.1mm厚0.1mm 厚0.1mm 厚0.2mm 厚0.2mm20 2.46 2.75 1.42 2.06 0.75 2.75 1.42 60 4.35 3.85 3.44 3.17 1.85 3.85 3.44 100 5.40 4.38 4.70 3.6

22、7 2.53 4.38 4.70 150 6.30 4.89 5.86 4.08 3.13 4.81 5.864 小結(jié)(1) 屏蔽效能值除了與屏蔽體的材料、結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)外，還與電磁場源的類型、場源到屏蔽體的距離、電磁場源的頻率等有關(guān)；(2) 吸收損耗與屏蔽體到場源的距離無關(guān)，它取決于屏蔽體的厚度和材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及入射波的頻率。而反射損耗則和電磁波的阻抗與屏蔽體阻抗的比值有關(guān)，即它與電磁場源的類型、場源到屏蔽體的距離、電磁場源的頻率以及屏蔽材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)，但與屏蔽體厚度無關(guān)。(3) 在3 kHz10 kHz以下的頻率內(nèi)，一般是磁場源性質(zhì)，強(qiáng)磁材料處于靜磁屏蔽工作狀態(tài)，可使用高磁導(dǎo)率合金構(gòu)成磁路，以短路磁力線，它比抗磁屏蔽材料具有更好的屏蔽特性。但在磁場很強(qiáng)時(shí)，盡量采用多層屏蔽，以防止磁飽和。(4) 在10 kHz1 MHz