電磁屏蔽分析和應用

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電磁屏蔽分析和應用

《電磁場與電磁波》

題目：電磁屏蔽分析及應用 —課程論文設(shè)計

摘要

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

計的要求也越來越高，作為電磁兼容設(shè)計的主要技術(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)備實施具

體的電磁屏蔽時提供了重要的依據(jù)。同時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)計原則 ......................................9

參考文獻： ............................................. 11

序言

在人類進入信息化的時代，隨著科學的進步，電子技術(shù)的發(fā)展,輻射無孔不入，電磁干擾越來越嚴重。所以電磁兼容設(shè)計已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計中十分重要的一項內(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性耦合和輻射性耦合來傳輸。為滿足電磁兼容性要求,對傳導性耦合需采取濾波技術(shù),對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)的同時應該對其充分了解。本文詳細討論了電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計技術(shù)，系統(tǒng)地分析了電子設(shè)備電磁屏蔽的技術(shù)原理，屏蔽效能的計算方法，各種屏蔽材料的性能和應用場合，屏蔽的各種注意事項，孔眼的屏蔽效能的計算，屏蔽效能的檢測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，我國在電磁屏蔽方面取得了顯著成績。據(jù)2009年新華網(wǎng)新聞報道：《解放軍列裝高性能屏蔽布可應對電磁武器攻擊》，說我們的軍隊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，壯大了我們國家的軍事力量。同年時期，華夏高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新獎評審委員會組織，對“電磁屏蔽用碳纖維復合顆粒料與復合材料的研發(fā)”項目進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，有線電視信號線,在服務(wù)區(qū)怕被人打手機,又不能關(guān)機,找個金屬盒子裝進去,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，簡稱EMI。是干擾電纜

信號并降低信號完好性的電子噪音，通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達和機器產(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、感應和傳導。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，稱為遠場輻射干擾。當干擾源與被干

擾部件距離較小時，通過空間的電磁耦合會引入被干擾部件，這種傳遞方式稱

為近場感應。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。總之，干擾的構(gòu)成主要有三個因素：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，簡稱EMC。按照國

家標準術(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)備正常工作時產(chǎn)生的電磁干擾應抑制

在一定水平，不能對同一環(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)計思想

從電磁兼容的定義可以看出，電磁兼容設(shè)計應從電磁干擾特性（EMI）和電

磁耐受特性（EMS）兩個方面進行考慮。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，國際和各國均有相關(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。

在進行電磁兼容設(shè)計需要考慮的兩個重要參數(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，則應采取防護措施，例如合理

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

間分離；此外還可以采用頻率分離和計劃分離等措施，也可以直接增強系統(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)以切斷近場效應或遠場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

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

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

場強的比值來表征，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強，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強成正比，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點受電場干擾的電壓，UB'為屏蔽后同一點受電場干擾的電

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

干擾的磁屏蔽和防止高頻電磁場的電磁屏蔽。

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的影

響，消除兩個設(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

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

電力線不能到達盒外部，從而達到屏蔽的目的。

靜電屏蔽最常用的材料為導電良好的http://http://m.oriental01.com/news/558B42425525EF90.html銅或鋁，要求不高時也采用薄鋼板。

對于有源靜電屏蔽，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）是利用高導磁率材料將磁場封閉在它的厚壁之

中，一般用于10KHz以下的低頻。如果將磁干擾源屏蔽于高磁導率材料制成的

殼中，稱為對外磁屏蔽或有源磁屏蔽。此時，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，用以防止其對磁殼內(nèi)設(shè)備或電路的影響，稱之

為對內(nèi)磁屏蔽或無源磁屏蔽。此時因屏蔽層的磁導率很高，磁阻低，只有少量

磁力線通過磁屏蔽殼而進入殼內(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的影響，但實際上，這是難以實現(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，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。

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

低磁導率的金屬材料。實際上，在高頻電磁場中，電場和磁場是相互依存的，

因此只要對兩者之一進行屏蔽，另一方也將不復存在。一般情況下，采用非鐵

磁材料的良導體金屬板屏蔽罩接地方法，即可有效地屏蔽高頻磁場。在不適宜

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

是反射損耗。網(wǎng)孔愈小，導線愈粗或屏蔽的空間越大，則屏蔽效果愈好。當要

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

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)計原則

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

場，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)域的屏蔽效能會很差，因此，必須科學地設(shè)計屏蔽罩上的孔或縫。

（3）屏蔽罩具有自然諧振頻率，當合適頻率的干擾信號以較小的能量耦合到

屏蔽罩內(nèi)時會產(chǎn)生較大的干擾，從而出現(xiàn)負屏蔽效能，這在設(shè)計時必須避免此

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電磁場進行屏蔽，用導體把兩個帶電體之間的電力線截斷，或用高導磁率的磁性材料把產(chǎn)生干擾磁場的物體進行屏蔽。但用于電場屏蔽的導體需要良好接地才能有效，否則，屏蔽電場的導體不但起不到屏蔽作用，反而會因為電場也會通過感應使屏蔽導體帶電。另外，用導體對磁感應干擾進行屏蔽，也會產(chǎn)生意想不到的作用：磁力線穿過導體的時候也會產(chǎn)生感應電流即渦流，渦流又會產(chǎn)生磁場，這個新產(chǎn)生的磁場的方向正好與干擾磁場的方向相反，兩者正好可以互相抵消。

目前，對電磁兼容 EMC 進行設(shè)計的主要方法還是靠經(jīng)驗或借助別人的經(jīng)驗，需要不斷實踐才會不斷提高。但應用前景還是很不錯的，有必要不斷努力！

參考文獻：

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