電磁屏蔽技術探討

近幾年來，隨著電磁兼容工作的開展，電磁屏蔽技術應用得越來越廣泛。為了對電磁屏蔽技術有更深入的理解，應當對屏蔽材料的性能和應用場合、屏蔽技術的注意事項、屏蔽效能的檢測以及特殊部位的屏蔽措施等進行更深入的探討。 　　1 電磁屏蔽的技術原理 　　電磁屏蔽是電磁兼容技術的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場強度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其內(nèi)部電磁場強度低于允許值的一種措施。 　　1.1 靜電屏蔽 　　用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應出與帶電導體等量的負電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會有電場存在，即帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。 　　1.2 交變電場屏蔽 　　為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于交變電場電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。只要設法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。電場屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，而以結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。 　　1.3 交變磁場屏蔽 　　交變磁場屏蔽有高頻和低頻之分。低頻磁場屏蔽是利用高磁導率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場被集中在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當然要與設備的重量相協(xié)調(diào)。高頻磁場的屏蔽是利用高電導率的材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場來抵消干擾磁場而實現(xiàn)的。 　　1.4 交變電磁場屏蔽 　　一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。 　　2 屏蔽效能計算 　　屏蔽效能（SE）的定義是：在電磁場中同一地點無屏蔽時的電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比。常用分貝數(shù)(dB)表示。 　　SE=A＋R＋B （1） 　　式中：A為吸收損耗； 　　R為反射損耗； 　　B為多次反射損耗。 　　2.1 電磁波反射損耗 　　由于空氣和屏蔽金屬的電磁波阻抗不同，使入射電磁波產(chǎn)生反射作用。而空氣的電磁波阻抗在不同場源和場區(qū)中是不一樣的，分別計算如下。 　　磁場源近場中的反射損耗R(dB)為 　　 　　式中：μr為相對磁導率； 　　σr為相對電導率； 　　f為電磁波頻率（Hz）； 　　D為輻射源到屏蔽體的距離（cm）。 　　電場源近場中的反射損耗R(dB)為 　　 　　電磁場源遠場中的反射損耗R(dB)為 　　R=168－10log10(μrf/σr) （4） 　　2.2 電磁波吸收損耗 　　當進入金屬屏蔽內(nèi)的電磁波在屏蔽金屬內(nèi)傳播時，由于衰減而產(chǎn)生吸收作用。吸收損耗A(dB)為 　　 　　式中：d為屏蔽材料厚度（mm）。 　　2.3 多次反射損耗 　　電磁波在屏蔽層間的多次反射損耗B(dB)為 　　 　　式中：Zm為屏蔽金屬的電磁波阻抗； 　　Zw為空氣的電磁波阻抗。 　　當A>10dB時，一般可以不計多次反射損耗。 　　2.4 屏蔽效能計算實例 　　場源距離不同材料的屏蔽體（厚度0.254mm）30cm遠的屏蔽效能（dB）計算結(jié)果見表1。表1中近場和遠場的分界點為λ/2π，λ為電磁場的波長。 　　表1 場源距離不同材料的屏蔽體（厚度0.254mm）30cm遠的屏蔽效能dB 　　頻率/Hz 銅 鐵 鋁 磁場近場 　　電場近場 　　遠場 磁場近場 　　電場近場 　　遠場 磁場近場 　　電場近場 　　遠場 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 屏蔽的注意事項 　　3.1 屏蔽的完整性 　　如果屏蔽體不完整，將導致電磁場泄漏。特別是電磁場屏蔽，它利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場干擾。如果屏蔽體不完整，渦流的效果降低，即屏蔽的效果大打折扣。 　　3.2 屏蔽材料的屏蔽效能和應用場合 　　電磁屏蔽技術的進展，促使屏蔽材料的形式不斷發(fā)展，而不再局限于單層金屬平板模式，屏蔽效能也不斷提高。應用時要特別注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和應用場合。 　　3.2.1 金屬平板 　　電子設備采用金屬平板做機箱，既堅固耐用，又具有電磁屏蔽作用。其電磁屏蔽效能與金屬平板材料性質(zhì)、電磁場源性質(zhì)、電磁場源與金屬平板的距離、屏蔽體接地狀況等參數(shù)有關。各種金屬屏蔽材料的性能見表2。 　　表2 各種金屬屏蔽材料的性能 　　金屬屏蔽材料 　　相對于銅的電導率（σCu=5.8×107Ω/m） 　　f=150kHz時的相對磁導率 　　f=150kHz時的吸收損耗/(dB/m) 　　銀 1.05 1 52 銅 1.00 1 51 金 0.70 1 42 鋁 0.61 1 40 鋅 0.29 1 28 黃銅 0.26 1 26 鎘 0.23 1 24 鎳 0.20 1 23 磷青銅 　　0.18 1 122 鐵 0.17 1000 650 鋼＃45 0.10 1000 500 坡莫合金 　　0.03 2500 不銹鋼 　　0.02 1000 220 3.2.2 屏蔽薄膜 　　當今許多電子設備采用工程塑料做機箱，由于工程塑料的加工工藝性能好，使機箱既造型美觀，又成本低、質(zhì)量輕。但工程塑料無電磁防護性能。屏蔽薄膜是采用噴涂、真空沉積、電鍍和粘貼等工藝技術，在工程塑料和有機介質(zhì)的表面覆蓋一層導電膜，從而起到平板屏蔽的作用。一般導電膜的厚度小于電磁波在其內(nèi)部傳播波長的1/4。 　　幾種噴涂工藝達到的屏蔽效能見表3。 　　表3 幾種噴涂工藝達到的屏蔽效能 　　噴涂工藝 　　厚度/μm 　　電阻/(Ω/mm2) 　　屏蔽效能/dB 　　鋅熱噴涂 　　25 4.0 50～60 鎳基涂層 　　50 0.5～0.2 30～75 銀基涂層 　　25 0.05～0.1 60～70 銅基涂層 　　25 0.5 60～70 石墨基涂層 　　25 7.5～20 20～40 電 鍍 0.75 0.1 85 化學鍍 　　1.25 0.03 60～70 真空沉積 　　1.25 5～10 50～70 電離鍍 　　1.0 0.01 50 不同厚度的銅薄膜的屏蔽效能見表4。 　　表4 銅薄膜的屏蔽效能 　　厚度/μm 　　頻率/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 表頭或顯示器的屏蔽，可在表頭或顯示器的正面設置透光導電材料來實現(xiàn)。透光導電材料是在有機介質(zhì)或玻璃的表面覆蓋一層導電膜，使其既透光，又具有一定的屏蔽效能。不同透光率導電玻璃的屏蔽效能見表5。 　　表5 不同透光率導電玻璃的屏蔽效能 　　3.2.3 金屬絲網(wǎng) 　　當有通風、透光、加水、測量等需要時，要在設備外殼上開孔，為提高設備的電磁屏蔽效果，應采用金屬絲網(wǎng)的孔眼屏蔽?；蛴糜陔娮釉O備殼體的接縫處，提供有效的電磁屏蔽?？籽鄣钠帘涡躍E（dB）與電磁波的頻率、孔眼的尺寸和數(shù)量等參數(shù)有關。 　　為提高孔眼的屏蔽效能可采取以下措施： 　　1）在大口徑孔眼上覆蓋金屬絲網(wǎng)，要使絲網(wǎng)與屏蔽體接觸良好； 　　2）將大孔改為小孔； 　　3）采用波導衰減器式通風口； 　　4）在透光和測量孔上覆蓋有金屬絲網(wǎng)的屏蔽玻璃； 　　5）在需要水、氣密封的孔上墊含有橡膠等材料的金屬絲網(wǎng)。 　　下面介紹幾種常用的金屬絲網(wǎng)屏蔽材料。 　　3.2.3.1 全金屬絲網(wǎng)襯墊 　　全金屬絲網(wǎng)襯墊是一種彈性的、導電的編織型金屬襯墊絲網(wǎng)條，用于電子設備殼體的接縫處，提供有效的電磁屏蔽。應用時，鑄造或機加工的殼體選用矩形截面的全金屬絲網(wǎng)襯墊，板金殼體選用圓形截面的全金屬絲網(wǎng)襯墊，壓縮量為原高度的25％左右。全金屬絲網(wǎng)襯墊的屏蔽效能見表6。 　　表6 全金屬絲網(wǎng)襯墊的屏蔽效能dB 　　材 料 磁場（100kHz） 　　電場（10MHz） 　　平面波 　　1GHz 10GHz 鍍銀黃銅 　　80 135 105 95 鍍錫包銅鋼 　　80 130 105 95 鍍錫磷青銅 　　80 130 110 100 鋁 60 130 90 80 鎳銅合金 　　60 130 90 80 3.2.3.2 環(huán)境密封金屬絲網(wǎng)襯墊 　　環(huán)境密封金屬絲網(wǎng)襯墊是由編織金屬絲網(wǎng)和橡膠結(jié)合而成，環(huán)境密封金屬絲網(wǎng)襯墊除能提供有效的電磁屏蔽外，還可以提供有效的環(huán)境密封?？捎糜陔娮釉O備殼體的固定接縫處或者活動接縫處，例如門縫等。一般壓縮量為原高度的25％左右。其中帶橡膠芯金屬絲網(wǎng)襯墊的屏蔽效能見表7。 　　表7 帶橡膠芯金屬絲網(wǎng)襯墊的屏蔽效能dB 　　3.2.3.3 金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃 　　金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃是將金屬絲網(wǎng)壓在兩層玻璃之間，不僅能提供有效的電磁屏蔽，還可以提供有效的透光。可用于電子設備的觀察窗口，例如表頭、數(shù)字或圖象顯示器等。金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能見表8。 　　表8 金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能dB 　　材 料 磁場（100kHz） 　　電場（10MHz） 　　平面波 　　1GHz 10GHz 黑化銅絲網(wǎng)，開孔60％ 　　55 120 60 40 黑化銅絲網(wǎng)，開孔45％ 　　55 120 80 50 3.2.3.4 鋁制蜂窩通風板 　　鋁制蜂窩通風板是由鋁框中的鋁制蜂窩構(gòu)成。波導型的蜂窩不僅具有電磁屏蔽效能，而且具有高的空氣流通性?？捎糜陔娮釉O備的通風窗口。鋁制蜂窩通風板的屏蔽效能見表9。 　　表9 鋁制蜂窩通風板的屏蔽效能dB 　　材 料 磁場(100kHz) 電場(10MHz) 平面波 　　1GHz 10GHz 單層鍍鉻酸鹽 　　40 80 60 40 單層鍍鎘 　　75 125 105 85 單層鍍錫 　　70 125 105 85 單層鍍鎳 　　80 135 115 95 多層鍍鉻酸鹽 　　65 110 95 85 3.2.4 導電纖維 　　導電纖維分為以下5種。 　　1）在化纖織物上鍍銅或鎳后制成導電布，可對高頻和微波具有靈活的屏蔽性能。 　　2）將導電布和樹脂復合制成吸收導電布，由于選用能吸收電磁波的樹脂，因此屏蔽性能更好。 　?。?）用導電良好的金屬或碳黑纖維和化纖混合制成導電布。 　　以上3種導電織物可以做防靜電和防電磁輻射的工作服，做屏蔽窗簾、帳篷、保護罩，其屏蔽效能一般在50～60dB。 　　4）用導電纖維和木漿混合制成導電紙，可以做敏感集成電路的屏蔽包裝，其屏蔽效能一般在30～40dB。 　　5）由許多獨立的金屬絲合成到硅橡膠中制成的定向金屬絲填充硅橡膠，能提供有效的電磁屏蔽和環(huán)境密封，常用于非固定縫隙，例如法蘭的連接，其屏蔽效能見表10。 　　表10 定向金屬絲填充硅實芯橡膠的屏蔽效能dB 　　3.2.5 導電顆粒 　　導電顆粒屏蔽材料是將鍍銀的玻璃粒子、純銀粒子、碳黑粒子、銅鍍銀粒子、鎳鍍銀粒子、鋁鍍銀粒子、石墨鍍鎳粒子分別摻在硅或氟硅橡膠，可以擠出各種形狀，用于電磁和水汽密封。它們的屏蔽效能見表11。 　　表11 導電顆粒屏蔽材料的屏蔽效能dB 　　材 料 磁場（100kHz） 　　電場（10MHz） 　　平面波 　　1GHz 10GHz 玻璃鍍銀導電橡膠811 　　65 130 100 90 純銀導電橡膠856，857 　　70 130 100 90 碳黑導電橡膠860 　　93 77 68 88 銅鍍銀導電橡膠871 　　75 120 115 110 鎳鍍銀導電橡膠891 　　75 120 110 100 鋁鍍銀導電橡膠895 　　75 120 110 100 石墨鍍鎳導電橡膠750 　　100 100 100 85 3.2.6 導電膠 　　導電膠是在硅、環(huán)氧樹脂膠中摻入純金屬粒子，例如銀、鎳、銅鍍銀、鋁鍍銀等，應用在各種屏蔽材料之間，起到粘結(jié)、屏蔽和密封的作用。 　　3.2.7 導電涂料 　　導電涂料是在聚丙烯和聚氨脂中摻入純銀粒子，可應用于塑料機殼屏蔽和需要柔性屏蔽的設備上。 　　3.2.8 導電箔帶 　　導電箔帶是由單面背敷導電聚丙烯膠的銅帶或鋁帶組成，可用于電子設備接縫的屏蔽密封、纏繞電纜屏蔽等。其屏蔽效能一般在55～60dB。 　　3.2.9 鈹銅簧片 　　鈹銅簧片是具有彈性的屏蔽材料，可用于電子設備活動接縫的屏蔽，例如門、窗等。其屏蔽效能見表12。 　　表12 鈹銅簧片的屏蔽效能dB 　　3.2.10 屏蔽復合板 　　屏蔽復合板是由金屬箔、絕緣基片和壓敏膠組成，可用于印刷電路、電子設備的屏蔽。其屏蔽效能一般在40～45dB。 　　3.2.11 純棉滌電磁材料 　　純棉滌電磁材料是將銅原子均勻地分布于棉滌材料中，形成既透明又具有電磁屏蔽功能的材料，可應用于視屏射線輻射保護、手機微波輻射防護等。其屏蔽效能>50dB。 　　3.3 屏蔽體良好接地 　　金屬屏蔽體良好接地，對靜電屏蔽而言，將使屏蔽體外側(cè)的感應電荷流入大地，而不會有感應電場存在。對交變電場屏蔽而言，由于交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于交變電場電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積，只要設法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。因此，金屬屏蔽體的接地不好，將會降低屏蔽效果。 　　3.4 特殊部位的特殊屏蔽措施 　　3.4.1 接縫處理 　　在屏蔽體的接縫處，由于結(jié)合表面不平、不干凈、焊接質(zhì)量不好、緊固螺釘之間存在空隙等原因，在接縫處造成縫隙，致使屏蔽體的屏蔽效果降低。對固定的接縫最好采用連續(xù)焊接。焊接前，應將要焊接表面的非導電物質(zhì)清除干凈。要盡可能對全部外殼間斷處進行搭接。對非固定的接縫應采用并壓緊導電襯墊，以提高接縫的電磁密封效果。常用的導電襯墊材料有金屬編織物、含有金屬絲的橡膠等。對活動的接縫，如門框上，采用彈性指簧以提高接縫的電磁屏蔽效果。 　　導電襯墊的固定方式有溝槽定位、粘貼固定和肋片緊固等方式。 　　為提高縫隙的屏蔽效能可采取以下措施： 　　1）增加金屬板厚度，可通過增加旁邊長度來實現(xiàn)； 　　2）減少結(jié)合面縫隙寬度，可通過提高結(jié)合面加工精度、焊接或整體鑄造來實現(xiàn)； 　　3）加裝導電襯墊，常用的導電襯墊有編織金屬網(wǎng)、軟金屬、梳狀簧片、導電橡膠等； 　　4）在接縫處涂導電涂料，常用的導電涂料有導電膠、導電脂等； 　　5）調(diào)整緊固釘間距，使其小于λ/20（λ為電磁場的波長）； 　　3.4.2 孔眼屏蔽 　　當有通風、照明、加水、測量等需要時，為提高設備的電磁屏蔽效果，應采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果與電磁波的頻率、孔眼的尺寸和數(shù)量等參數(shù)有關。 　　3.4.3 編織屏蔽 　　因電纜需要活動和彎曲，其屏蔽采用編織帶的形式。編織帶的屏蔽效果隨編織密度的增大而增加，隨電磁波的頻率的增大而降低。一般電纜的屏蔽層是用不導磁的金屬絲編織的，可以實現(xiàn)電場屏蔽。如需實現(xiàn)磁場屏蔽，電纜的屏蔽層應采用導磁的金屬絲編織。 　　3.4.4 蜂房板屏蔽 　　當設備的通風和屏蔽要求較高時，采用蜂房板屏蔽有較好的效果。蜂房板屏蔽是利用許多并列的六角形金屬管焊在一起構(gòu)成?。其中每一個金屬管都起波導衰減器的作用，而通風的風壓降不大。蜂房板的電磁屏蔽效果取決于波導管的衰減特性，即與波導管的幾何尺寸有關。 　　3.4.5 面板孔屏蔽 　　當設備需要安裝表頭、數(shù)據(jù)或圖形顯示器時，應對面板孔加以屏蔽，以保證屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的較好方法為在表頭或顯示器的后方設置屏蔽罩。屏蔽罩通過導電襯墊與金屬面板連接，通過屏蔽罩的進出線設置穿心電容。 　　3.4.6 電連接器屏蔽 　　選擇的屏蔽式電連接器應有足夠的插針，供電纜內(nèi)各個屏蔽層在電連接器頭端接。為保證屏蔽的完整性，要沿著電纜一周，將電纜的外屏蔽層和電連接器整個地連接，最好是焊接；電連接器座通過導電襯墊與設備的金屬外殼保持良好的電氣連接；電連接器頭也應與電連接器座保持良好的電氣連接。 　　3.4.7 多層屏蔽 　　當單層屏蔽的效果達不到要求時，可以采用多層屏蔽。特別是對頻帶較寬的屏蔽，分別采用電導率和磁導率高的幾種材料組成多層屏蔽，可以達到對高頻電場和低頻磁場均有較好效果的屏蔽。 　　3.4.8 印刷電路板的屏蔽 　　1）在電磁干擾源和對電磁干擾敏感的接收電路之間設置導線屏蔽，并接到電路板的基準電位上。 　　2）將導電線條之間的涂覆層盡量多地保留，并接到電路板的基準電位上。 　　3）在印刷電路板的三個周邊（電連接器邊除外）設置地線。 　　4）對電磁干擾源和對電磁干擾敏感的接收電路分別設置屏蔽罩，并接到電路板的基準電位上。 　　5）在印刷電路板之間設置屏蔽板，并接到電路板的基準電位上。 　　4 屏蔽效能檢測 　　屏蔽體做好之后需要進行屏蔽效能的檢測。 　　4.1 屏蔽效能的檢測設備 　　屏蔽效能的檢測設備有變頻信號源、射頻放大器、發(fā)射天線、電磁場接收天線、衰減器、測量接收機、數(shù)據(jù)記錄儀。 　　4.2 屏蔽效能的檢測方法 　　1）定位測量點； 　　2）校準檢測設備； 　　3）測量無發(fā)射時的環(huán)境電平H； 　　4）測量無屏蔽時在測量點接收到發(fā)射機的電磁場強度W； 　　5）測量有屏蔽時在測量點接收到發(fā)射機的電磁場強度Y。 　　4.3 屏蔽效能SE的檢測分析 　　屏蔽效能SE計算式為 　　SE=20log10[（W－H）/（Y－H）] （7） 　　計算后，將屏蔽效能SE與設計要求相比較，看是否達到設計要求，安全余量是否滿足要求，是否有過設計。如果達不到要求，就要具體分析原因并加以改進，直到滿足要求為止。如果有過設計，也要具體分析原因并在以后的設計中加以改進。 www.hnhuibao.com