電磁屏蔽分析和應(yīng)用

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電磁屏蔽分析和應(yīng)用

《電磁場(chǎng)與電磁波》

題目：電磁屏蔽分析及應(yīng)用 —課程論文設(shè)計(jì)

摘要

隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用以及電磁環(huán)境污染的加重，對(duì)電磁兼容性設(shè)

計(jì)的要求也越來越高，作為電磁兼容設(shè)計(jì)的主要技術(shù)之一——屏蔽技術(shù)的

研究也就愈顯得重要。本文從電磁屏蔽技術(shù)原理出發(fā)，討論了屏蔽體結(jié)構(gòu)、

屏蔽技術(shù)分類、屏蔽材料的選擇以及所要遵循的原則，在電子設(shè)備實(shí)施具

體的電磁屏蔽時(shí)提供了重要的依據(jù)。同時(shí)分析了電磁干擾形成的危害，介

紹了工程上解決電磁干擾問題的幾種常用方法。

關(guān)鍵詞：電磁屏蔽電磁干擾屏蔽技術(shù)

序言 .................................................... 4

1 電磁干擾 .............................................. 5

1.1 電磁干擾定義 ...............................................5

1.2 電磁干擾分類 ...............................................5

1.3 電磁干擾傳播途徑 ...........................................5

2 電磁兼容 .............................................. 5

2.1電磁兼容定義及內(nèi)涵 ..........................................5

2.2設(shè)計(jì)思想 ....................................................6

3 電磁屏蔽 .............................................. 6

3.1屏蔽原理 ....................................................7

3.2電屏蔽 ......................................................7

3.3磁屏蔽 ......................................................8

3.4電磁屏蔽 ....................................................8

3.4.1電磁屏蔽原理 ..........................................8

3.4.2電磁屏蔽設(shè)計(jì)原則 ......................................9

參考文獻(xiàn)： ............................................. 11

序言

在人類進(jìn)入信息化的時(shí)代，隨著科學(xué)的進(jìn)步，電子技術(shù)的發(fā)展,輻射無孔不入，電磁干擾越來越嚴(yán)重。所以電磁兼容設(shè)計(jì)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中十分重要的一項(xiàng)內(nèi)容。在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中,電磁干擾能量通過傳導(dǎo)性耦合和輻射性耦合來傳輸。為滿足電磁兼容性要求,對(duì)傳導(dǎo)性耦合需采取濾波技術(shù),對(duì)輻射性耦合則需采用屏蔽技術(shù)來加以抑制。電磁屏蔽已成為解決電磁兼容問題的最重要手段之一,大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。因此電磁屏蔽技術(shù)在生活中有很大的重要性。在利用電磁屏蔽技術(shù)的同時(shí)應(yīng)該對(duì)其充分了解。本文詳細(xì)討論了電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)地分析了電子設(shè)備電磁屏蔽的技術(shù)原理，屏蔽效能的計(jì)算方法，各種屏蔽材料的性能和應(yīng)用場(chǎng)合，屏蔽的各種注意事項(xiàng)，孔眼的屏蔽效能的計(jì)算，屏蔽效能的檢測(cè)以及特殊部位的特殊屏蔽措施。

目前，經(jīng)過科研人員的不懈努力，我國(guó)在電磁屏蔽方面取得了顯著成績(jī)。據(jù)2009年新華網(wǎng)新聞報(bào)道：《解放軍列裝高性能屏蔽布可應(yīng)對(duì)電磁武器攻擊》，說我們的軍隊(duì)成功地研制了高性能電磁屏蔽布，目前該成果已定型列裝部隊(duì)，壯大了我們國(guó)家的軍事力量。同年時(shí)期，華夏高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)組織，對(duì)“電磁屏蔽用碳纖維復(fù)合顆粒料與復(fù)合材料的研發(fā)”項(xiàng)目進(jìn)行了成果鑒定并通過鑒定。在生活中用到屏蔽的例子也不少見，如電子儀器設(shè)備外面的金屬罩，通訊電纜外面包的鉛皮，高壓帶電作業(yè)(500千伏帶電作業(yè)用的屏蔽服)，汽車外的天線，有線電視信號(hào)線,在服務(wù)區(qū)怕被人打手機(jī),又不能關(guān)機(jī),找個(gè)金屬盒子裝進(jìn)去,就變成了"您撥打的用戶不在服務(wù)區(qū)"等等真是屢見不鮮。

1 電磁干擾

1.1 電磁干擾定義

電磁干擾，英文名稱Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱EMI。是干擾電纜

信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生

的。

1.2 電磁干擾分類

一般電磁干擾分為兩大類：自然干擾與和人為干擾。自然干擾主要來源于大

氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾是有機(jī)電或其他人工裝

置產(chǎn)生電磁能量干擾，其中一部分是專門用來發(fā)射電磁能量的裝置，另一部分

是在完成自身功能的同時(shí)附帶產(chǎn)生電磁能量的發(fā)射。

1.3 電磁干擾傳播途徑

電磁干擾的傳播途徑有三種：輻射、感應(yīng)和傳導(dǎo)。若干擾是由干擾源輻射的

電磁波傳播到被干擾部件區(qū)域所造成的，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾。當(dāng)干擾源與被干

擾部件距離較小時(shí)，通過空間的電磁耦合會(huì)引入被干擾部件，這種傳遞方式稱

為近場(chǎng)感應(yīng)。干擾通過干擾源和被干擾電路之間的公共阻抗而引入被干擾電路

的傳遞方式稱為傳導(dǎo)�？傊�，干擾的構(gòu)成主要有三個(gè)因素：干擾源、合適的干

擾途徑及敏感部件。

2 電磁兼容

2.1電磁兼容定義及內(nèi)涵

所謂電磁兼容，英文名稱Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC。按照國(guó)

家標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語（GB/T4765-1995）定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其他電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不必要的電磁騷擾的能力。實(shí)質(zhì)上電磁兼

容包含兩層意思：第一，任一電子設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗電磁干擾的能力，使其在電磁環(huán)境中能正常工作；第二，設(shè)備正常工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)抑制

在一定水平，不能對(duì)同一環(huán)境中的其他任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾。

2.2設(shè)計(jì)思想

從電磁兼容的定義可以看出，電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)從電磁干擾特性（EMI）和電

磁耐受特性（EMS）兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。從EMS角度看，主要的干擾源有射頻干

擾、靜電干擾、電力干擾和自干擾。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中降低射頻干擾的有效措施是

合理地利用無線電頻譜。

所謂頻譜利用問題包含兩個(gè)方面的意思。第一是頻譜的分配。無線電是稀

缺資源，為了合理使用無線電資源，國(guó)際和各國(guó)均有相關(guān)規(guī)定。第二是頻譜的

節(jié)約與發(fā)掘，即采用各種技術(shù)措施以提高頻譜的利用率，例如采用壓縮語音頻

帶技術(shù)，單邊帶技術(shù)等，從根本目的上說都是為了提高電磁兼容能力。

在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)需要考慮的兩個(gè)重要參數(shù)：（1）敏感門限電平。使系

統(tǒng)或設(shè)備不能正常工作的干擾臨界電平稱為敏感門限電平。（2）電磁兼容性安

全系數(shù)。電磁兼容性安全系數(shù)m(dB)定義為

設(shè)備或系統(tǒng)的敏感門限電平，plm?Ps?Pl，式中ps為以分貝表示的為以分貝表示的設(shè)備或系統(tǒng)實(shí)際接收的干擾電

平。顯然從安全出發(fā)，m越大越好，但其投資的費(fèi)用也就增加。

如果設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足安全系數(shù)的要求，則應(yīng)采取防護(hù)措施，例如合理

布局，將干擾源與敏感設(shè)備作空間隔離；或采用時(shí)間分割，也可采用時(shí)間與空

間分離；此外還可以采用頻率分離和計(jì)劃分離等措施，也可以直接增強(qiáng)系統(tǒng)、

系統(tǒng)中某些設(shè)備、設(shè)備中的某些電路或元器件的抗干擾能力。例如采用屏蔽技

術(shù)以切斷近場(chǎng)效應(yīng)或遠(yuǎn)場(chǎng)輻射等干擾的傳遞途經(jīng)，采用濾波技術(shù)抑制干擾源和

消除與干擾信號(hào)間的耦合；采用良好的接地系統(tǒng)，減少通過公共地電阻而引起

的相互干擾。總之，可采用各種隔離干擾技術(shù)來提高電磁兼容能力。

3 電磁屏蔽

3.1屏蔽原理

屏蔽就是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥珊袪罨蚓W(wǎng)狀而將電場(chǎng)或磁場(chǎng)的影響限制

在某空間區(qū)域，即在某給定空間防止來自外部的電磁干擾或防止由內(nèi)自外的電

磁干擾。也就是說，用銅或鋁等低阻材料或?qū)Т怕矢叩拇判圆牧现瞥伤栊螤?/p>

的容器，將需要隔離的空間包圍起來，這種防止電磁干擾所采取的方法稱之為

屏蔽。

屏蔽的理論基礎(chǔ)是電磁波的反射與吸收，投射到屏幕罩上的電磁能量一部

分被反射回去，另一部分被屏蔽罩吸收。屏蔽的效果一般是用屏蔽前后同一點(diǎn)

場(chǎng)強(qiáng)的比值來表征，稱為屏蔽效能（Shielding Effectiveness）. SE(dB)?20lgEinc?SEa?SErEtunnel

SEa 式中Einc、Etunnel分別稱為屏蔽前后的場(chǎng)強(qiáng)，為吸收屏蔽效能，SEr為反

射屏蔽效能。在線性電路中，由于干擾電壓與干擾場(chǎng)強(qiáng)成正比，屏蔽效能又可

定義為屏蔽前后同一元件上干擾電壓之比，即

USE(dB)?20lgB)UB'

式中UB為屏蔽前B點(diǎn)受電場(chǎng)干擾的電壓，UB'為屏蔽后同一點(diǎn)受電場(chǎng)干擾的電

壓。

屏蔽的方法可分為三種，即防止靜電耦合干擾的電磁屏蔽、防止低頻磁場(chǎng)

干擾的磁屏蔽和防止高頻電磁場(chǎng)的電磁屏蔽。

3.2電屏蔽

電屏蔽（Electrical Shielding）又稱為靜電屏蔽。它的作用是防止靜電場(chǎng)的影

響，消除兩個(gè)設(shè)備和電路之間由于分布電容耦合所產(chǎn)生的影響。例如有一帶正

電荷Q的導(dǎo)體A置于金屬盒B中，由高斯定理不難證明，金屬盒的內(nèi)表面感應(yīng)

產(chǎn)生-Q電荷，在金屬盒的外表面集結(jié)+Q電荷，由外表面電荷所建立的電場(chǎng)將干

擾其他設(shè)備。如果將金屬盒接地，金屬盒與地等電位，盒外的+Q流入大地，盒

內(nèi)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)不影響其他設(shè)備的工作，也就是說金屬盒使盒內(nèi)電荷產(chǎn)生的

電力線不能到達(dá)盒外部，從而達(dá)到屏蔽的目的。

靜電屏蔽最常用的材料為導(dǎo)電良好的http://http://www.shangyepx.com/news/558B42425525EF90.html銅或鋁，要求不高時(shí)也采用薄鋼板。

對(duì)于有源靜電屏蔽，其屏蔽效果主要取決于金屬殼體的接地質(zhì)量。屏蔽體與地

面間的阻抗越小，屏蔽效果越好。

3.3磁屏蔽

磁屏蔽（Magnetic Shielding）是利用高導(dǎo)磁率材料將磁場(chǎng)封閉在它的厚壁之

中，一般用于10KHz以下的低頻。如果將磁干擾源屏蔽于高磁導(dǎo)率材料制成的

殼中，稱為對(duì)外磁屏蔽或有源磁屏蔽。此時(shí)，其產(chǎn)生的磁力線的絕大部分將集

中于磁阻很低的殼體內(nèi)，只有極少的磁力線從殼體內(nèi)泄露到殼體外部。泄露的

磁通稱為磁漏通，磁漏的多少取決于殼體材料的磁導(dǎo)率與殼體的厚度。多層磁

屏蔽可以減少磁漏。

若磁干擾源在磁殼的外部，用以防止其對(duì)磁殼內(nèi)設(shè)備或電路的影響，稱之

為對(duì)內(nèi)磁屏蔽或無源磁屏蔽。此時(shí)因屏蔽層的磁導(dǎo)率很高，磁阻低，只有少量

磁力線通過磁屏蔽殼而進(jìn)入殼內(nèi)空間。在理想情況下，取u??的材料制成屏蔽

殼，可完全隔絕外界磁場(chǎng)的影響，但實(shí)際上，這是難以實(shí)現(xiàn)的。不管是有源還

是無源磁屏蔽，都不需要將屏蔽殼接地。有時(shí)，為了消除磁屏蔽殼體內(nèi)附近設(shè)

備之間的靜電影響，才采取接地措施。

3.4電磁屏蔽

3.4.1電磁屏蔽原理

利用電磁能量在良導(dǎo)電媒質(zhì)中急劇衰減的原理，根據(jù)所屏蔽的電磁波的

頻率，選擇透入深度小的材料，制成一定厚度（通常厚度h?2??c）的屏蔽罩。

但由于高頻時(shí)鐵磁材料的磁滯損失大，發(fā)熱顯著，對(duì)被保護(hù)裝置不利，常采用

低磁導(dǎo)率的金屬材料。實(shí)際上，在高頻電磁場(chǎng)中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互依存的，

因此只要對(duì)兩者之一進(jìn)行屏蔽，另一方也將不復(fù)存在。一般情況下，采用非鐵

磁材料的良導(dǎo)體金屬板屏蔽罩接地方法，即可有效地屏蔽高頻磁場(chǎng)。在不適宜

用金屬板作屏蔽時(shí)，可以用金屬網(wǎng)，這時(shí)電磁波在網(wǎng)中的吸收損耗甚小，主要

是反射損耗。網(wǎng)孔愈小，導(dǎo)線愈粗或屏蔽的空間越大，則屏蔽效果愈好。當(dāng)要

求100dB以上的屏蔽效果時(shí)，可采用多層金屬網(wǎng)，將鐵磁材料與非磁性良導(dǎo)體

材料交替構(gòu)成多層屏蔽的效果更好。

3.4.2電磁屏蔽設(shè)計(jì)原則

（1）若波源距屏蔽金屬板較近時(shí)，不僅要考慮輻射場(chǎng)，而且要考慮近區(qū)感應(yīng)

場(chǎng)，兩者的屏蔽效能是有差別的。

（2）屏蔽罩上的孔和縫的存在是降低屏蔽效能的主要原因之一。由于孔、縫

耦合可以等效為二次輻射天線，它具有方向性，且使屏蔽不均勻，即可能在某

些區(qū)域的屏蔽效能會(huì)很差，因此，必須科學(xué)地設(shè)計(jì)屏蔽罩上的孔或縫。

（3）屏蔽罩具有自然諧振頻率，當(dāng)合適頻率的干擾信號(hào)以較小的能量耦合到

屏蔽罩內(nèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，從而出現(xiàn)負(fù)屏蔽效能，這在設(shè)計(jì)時(shí)必須避免此

類問題。

總結(jié)與展望

總之，抑制電磁輻射干擾的最有效方法是對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)體把兩個(gè)帶電體之間的電力線截?cái)�，或用高�?dǎo)磁率的磁性材料把產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)的物體進(jìn)行屏蔽。但用于電場(chǎng)屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效，否則，屏蔽電場(chǎng)的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用，反而會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)也會(huì)通過感應(yīng)使屏蔽導(dǎo)體帶電。另外，用導(dǎo)體對(duì)磁感應(yīng)干擾進(jìn)行屏蔽，也會(huì)產(chǎn)生意想不到的作用：磁力線穿過導(dǎo)體的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流，渦流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)新產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向正好與干擾磁場(chǎng)的方向相反，兩者正好可以互相抵消。

目前，對(duì)電磁兼容 EMC 進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要方法還是靠經(jīng)驗(yàn)或借助別人的經(jīng)驗(yàn)，需要不斷實(shí)踐才會(huì)不斷提高。但應(yīng)用前景還是很不錯(cuò)的，有必要不斷努力！

參考文獻(xiàn)：

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