電磁屏蔽的原理

電磁屏蔽的原理

在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中，電磁干擾（Electromagnetic Interference）能量通過(guò)傳導(dǎo)性耦合和輻射性耦合來(lái)進(jìn)行傳輸。為滿足電磁兼容性要求，對(duì)傳導(dǎo)性耦合需采用濾波技術(shù)，即采用EMI濾波器件加以抑制；對(duì)輻射性耦合則需采用屏蔽技術(shù)加以抑制。在當(dāng)前電磁頻譜日趨密集、單位體積內(nèi)電磁功率密度急劇增加、高低電平器件或設(shè)備大量混合使用等因素而導(dǎo)致設(shè)備及系統(tǒng)電磁環(huán)境日益惡化的情況下，其重要性就顯得更為突出。

屏蔽是通過(guò)由金屬制成的殼、盒、板等屏蔽體，將電磁波局限于某一區(qū)域內(nèi)的一種方法。由于輻射源分為近區(qū)的電場(chǎng)源、磁場(chǎng)源和遠(yuǎn)區(qū)的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據(jù)輻射源的不同，在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和對(duì)孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設(shè)計(jì)中要達(dá)到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據(jù)各個(gè)頻段的典型泄漏結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進(jìn)而選擇恰當(dāng)?shù)钠帘尾牧?，設(shè)計(jì)屏蔽殼體。

屏蔽的效能

屏蔽體對(duì)輻射干擾的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）來(lái)衡量，屏蔽效能的定義:沒(méi)有屏蔽體時(shí)，從輻射干擾源傳輸?shù)娇臻g某一點(diǎn)(P)的場(chǎng)強(qiáng)和加入屏蔽體后，輻射干擾源傳輸?shù)娇臻g同一點(diǎn)(P)的場(chǎng)強(qiáng)之比，用dB（分貝）表示。

屏蔽的分類

工程中，實(shí)際的輻射干擾源大致分為兩類：類似于對(duì)稱振子天線的非閉合載流導(dǎo)線輻射源和類似于變壓器繞組的閉合載流導(dǎo)線輻射源。由于電偶極子和磁偶極子是上述兩類源的最基本形式，實(shí)際的 輻射源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)，均可由若干個(gè)基本源的場(chǎng)疊加而成(圖2)。因此通過(guò)對(duì)電偶極子和磁偶極子所產(chǎn)生的場(chǎng)進(jìn)行分析，就可得出實(shí)際輻射源的遠(yuǎn)近場(chǎng)及波阻抗和遠(yuǎn)、近場(chǎng)的場(chǎng)特性，從而為屏蔽分類提供良好的理論依據(jù)。

圖2?兩類基本源在空間所產(chǎn)生的疊加場(chǎng)

遠(yuǎn)近場(chǎng)的劃分是根據(jù)兩類基本源的場(chǎng)隨1/r（場(chǎng)點(diǎn)至源點(diǎn)的距離）的變化而確定的， 為遠(yuǎn)近場(chǎng)的分界點(diǎn)，兩類源在遠(yuǎn)近場(chǎng)的場(chǎng)特征及傳播特性均有所不同。

表1?兩類源的場(chǎng)與傳播特性

波阻抗為空間某點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，場(chǎng)源不同、遠(yuǎn)近場(chǎng)不同，則波阻抗也有所不同，表2與圖3分別用圖表給出了的波阻抗特性。

表2?兩類源的波阻抗

能量密度包括電場(chǎng)分量能量密度和磁場(chǎng)分量能量密度，通過(guò)對(duì)由同一場(chǎng)源所產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量的能量密度進(jìn)行比較，可以確定場(chǎng)源在不同區(qū)域內(nèi)何種分量占主要成份，以便確定具體的屏蔽分類。能量密度的表達(dá)式由下列公式給出:

表3給出了兩種場(chǎng)源在遠(yuǎn)、近場(chǎng)的能量密度。從表中可以看出，兩類源的近場(chǎng)有很大的區(qū)別，電偶極子的近場(chǎng)能量主要為電場(chǎng)分量，可忽略磁場(chǎng)分量；磁偶極子的近場(chǎng)能量主要為磁場(chǎng)分量，可忽略電場(chǎng)分量；兩類源在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量均必須同時(shí)考慮。

屏蔽類型依據(jù)上述分析可以進(jìn)行以下分類：

表4?屏蔽分類

屏蔽原理

電屏蔽的實(shí)質(zhì)是減小兩個(gè)設(shè)備（或兩個(gè)電路、組件、元件）間電場(chǎng)感應(yīng)的影響。電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產(chǎn)生的干擾終止于由良導(dǎo)體制成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導(dǎo)體做為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

磁屏蔽的原理是由屏蔽體對(duì)干擾磁場(chǎng)提供低磁阻的磁通路，從而對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分流，因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導(dǎo)率的材料和設(shè)計(jì)盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過(guò)對(duì)電磁波的反射和吸收來(lái)屏蔽輻射干擾源的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，即同時(shí)屏蔽場(chǎng)源所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量。由于隨著頻率的增高，波長(zhǎng)變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關(guān)鍵的控制要素。

典型泄露耦合結(jié)構(gòu)及控制要素

屏蔽體的泄漏耦合結(jié)構(gòu)與所需抑制的電磁波頻率密切相關(guān)，三類屏蔽所涉及的頻率范圍及控制要素如表5所示：

表5 泄漏耦合結(jié)構(gòu)與控制要素

實(shí)際屏蔽體上同時(shí)存在多個(gè)泄漏耦合結(jié)構(gòu)（n個(gè)），設(shè)機(jī)箱接縫、通風(fēng)孔、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結(jié)構(gòu)的單獨(dú)屏蔽效能（如只考慮接縫）為SEi（i=1,2,…，n），則屏蔽體總的屏蔽效能

由上式可以看出，屏蔽體的屏蔽效能是由各個(gè)泄漏耦合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生最大泄漏耦合的結(jié)構(gòu)所決定的，即由屏蔽最薄弱的環(huán)節(jié)所決定的。因此進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，明確不同頻段的泄漏耦合結(jié)構(gòu)，確定最大泄漏耦合要素是其首要的設(shè)計(jì)原則。

在三類屏蔽中，磁屏蔽和電磁屏蔽的難度較大。尤其是電磁屏蔽設(shè)計(jì)中的孔縫泄漏抑制最為關(guān)鍵，成為屏蔽設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的首要因素。

孔縫泄露與抑制方法?