电磁屏蔽的原理及屏蔽物的结构

    四、电磁屏蔽的原理及屏蔽物的结构

    1．电磁屏蔽的原理

    对高频磁场的屏蔽就是对辐射电磁场的屏蔽。其原理可以从二个角度来解释。

    (1)从电磁感应的角度来分析原理。见图2－50(a)，g是一个电磁干扰源，S是受感器，J是用良导体做的一个金属屏蔽板。只要将J良好接地，干扰源的电场分量E₀即被短接到地;对高频磁场分量H₀的屏蔽，利用的是涡流电的损耗原理。当高频磁场通过金属屏蔽板时，在其上就会感应出电势及涡流，涡流电的电能即是从磁场能转化而来。从屏蔽的角度看则是屏蔽了高频磁场H₀。从该原理可以看出，高频磁场的屏蔽应采用良导体。这和低频磁场的屏蔽是不一样的。

    (2)从电磁波传播的角度来分析原理。用感应的原理来分析，看不出反射的情况，从传播的角度来分析，这就看得很清楚。见图2－50(b)，H₀经界面Ⅰ反射H_r后剩下H_s0进入金属左边，经t厚度传到右边时，因被金属涡流吸收，剩下H_st，再经过界面Ⅱ反射H_sr后，剩下H_t传到右边空间。从干扰场的H₀降为H_t，就起到了屏蔽作用。根据电磁传播理论，E与H是同时存在的，如果H降低了R倍数，则E也降低了R倍，所以只要讨论其中之一即可。

    

    

    图2－50　电磁屏蔽原理

    2．屏蔽效果的表示方法

    屏蔽效果是空间同一点屏蔽前后相应的场强之比。总的屏蔽效果应为两界面的二次反射倍数与吸收损耗倍数之乘积。总屏蔽效果为:

    

    

    如果用分贝表示，则有

    

    电磁波在金属内的吸收损耗主要表现为涡流损耗。涡流的大小随其透入金属内部深度的增加而按指数规律下降，因此涡流主要发生在金属表层。这一现象称为电流的集肤效应，而且电磁波的频率越高，这种集肤效应越明显。即干扰电磁能在金属很薄的一个表层上就被衰减了很多。换句话说屏蔽体不需很厚即能起到很好的屏蔽作用。经计算有如下结论:

    (1)当f≥1MHz时，用0．5mm厚的任何一种金属板做屏蔽物，都可以使场强削弱100倍。

    (2)当f≥10MHz时，用0．1mm的铜箔制成的屏蔽物，可以使场强削弱100倍。

    (3)当f≥100MHz时，用0．06mm厚的任何金属都能使场强削弱100倍，这种情况下，可以在工程塑料上镀一层铜或银都可作屏蔽物。

    3．电磁屏蔽物的结构

    如前所述，一个完整无孔的金属板很容易使干扰电磁场衰减100倍。但实际设备的屏蔽盒往往存在接缝，还有各种各样的孔存在，如通风孔、观察孔、传动轴承孔等。这些孔能降低屏蔽效果，应处理好这些结构。

    (1)缝隙的泄漏。在电磁屏蔽盒中，屏蔽盒体和盒盖之间常留有缝隙，这些缝隙将会产生泄漏降低屏蔽效果。见图2－51(a)。缝隙的深度为t，宽度为g，根据理论分析可知当t很大、g很小时，缝隙的泄漏就小。即深而窄的缝隙可以减小泄漏，图2－51(b)，图2－51(c)即是通过增加缝隙深度来减小泄漏。还可以在缝隙间垫上导电衬垫，以减小缝隙的尺寸。而且这也与电场屏蔽中改善电接触的作用相同。

    

    

    图2－51　缝隙泄露及防护

    (2)通风口的泄漏。由于通风散热或其他需要，在屏蔽物上往往要开一定数量的孔洞，这就造成了电磁场从屏蔽物的孔洞处泄漏，降低屏蔽效果。为此应在屏蔽物上少开孔，开小孔。在孔洞的面积相等的情况下，正方形孔比圆形孔泄漏大，长方形孔比正方形孔泄漏大，主要是边长不同的原因。图2－52给出某屏蔽壳，完整无孔时的屏蔽效果为100dB(即100 000倍)，在其上开一个直径为d的圆孔，其屏蔽效果随d的增大而降低。当d约为25cm时，屏蔽效果降为0。

    

    

    图2－52　孔的泄漏

    当需要在屏蔽物上开大型孔洞时，为了减少电磁场泄漏，可在孔洞上装金属网，实验指出:

    1)网孔小，网丝粗，网丝的导电性好，则网的屏蔽效果好。

    2)在100kHz至100MHz的频段范围内，铜网有较好的屏蔽效果。

    3)如采用双层铜网，则屏蔽效果可更高。

    4)在100MHz以上，金属网的屏蔽效果显著下降。

    

    

    图2－53　金属网丝的屏蔽效果

    图2－53是由金属网制成的半径为1m的球壳在不同频率下屏蔽效果的曲线，由实验测出。

    曲线1为紫铜网，59目/cm，网丝直径为0．375mm。

    曲线2为紫铜网，28目/cm，网丝直径为0．375mm。

    曲线3为紫铜网，59目/cm，网丝直径为0．188mm。

    曲线4为铁丝网，28目/cm，网丝直径为0．375mm。

    (3)传动轴的泄漏。在机箱内需要调控的元器件常有传动轴伸出面板，轴与轴承的接触阻抗和轴与轴承的缝隙构成了电磁场泄漏的途径。如图2－54所示。图2－54(a)中A为设备内带电或感应带电的轴，B为绝缘联轴器，C为外伸调控轴，D为轴承，面板通过机箱与地相连。图2－54(b)为调控轴电磁泄漏的等效电路图。U_CD即是泄漏出的电压的大小。Z_AC是A到C的绝缘电阻与分布电容构成的阻抗，Z_CD是C到D的接触阻抗，E_A为A轴的电压。

    

    

    图2－54　轴的泄漏

    由图2－54(b)可知:

    

    显然Z_CD远小于Z_AC，所以

    

    从式(2－49)可以看出，要减小传动轴泄漏即减少U_CD，应降低Z_CD及增大Z_AC。具体措施是:

    1)增大Z_AC:选绝缘性好的材料做联轴器;增大A、C间的距离，以减小其间的分布电容耦合。

    2)减小Z_CD:适当增加轴承宽度;提高轴与轴承、轴承与面板间的配合精度;还可直接在轴C上搭一个接地的簧片。

    (4)高频线圈在屏蔽盒内的安装。高频线圈是一个较典型的电磁干扰源。高频线圈与屏蔽罩的相互位置如图2－55所示。当高频线圈有电流流过时，线圈产生高频磁场，而屏蔽罩就感应出感应电流，这个感应电流产生的磁场与原磁场方向相反，所以屏蔽罩阻止了线圈的磁场向外传播，起到了屏蔽作用。为了增大屏蔽效果，屏蔽罩的接缝与孔洞不应切断涡流的形成。因此在屏蔽罩上沿圆周方向开槽是正确的，而沿轴线方向开槽是不正确的。图2－55(b)线圈垂直放置，感应电流不通过屏蔽罩与底板的接缝处，是正确的。图2－55(c)的放置则不正确，接缝切断了涡流的形成。

    (5)电磁屏蔽导电涂料的应用。工程塑料作为电子设备的机壳用得越来越多，有很多优点，但它对电磁波无屏蔽作用。为了解决这一问题，普遍采用塑料表面金属化的方法。表面喷涂和刷涂导电涂料即是方法之一。导电涂料作为一种流体材料，使用很方便。目前国外电磁屏蔽导电涂料一般都以绝缘高聚物为主要的成膜物质，以具有良好导电性能的磁性金属微粒为导电磁介质(如镍)，经混合研磨，然后喷涂于工程塑料表面，在一定温度下固化成膜，从而使塑料具有电磁屏蔽和导电性能。

    

    

    图2－55　高频线圈的安装