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1、电磁干扰抑制的屏蔽技术,概述,电屏蔽,磁屏蔽,电磁屏蔽,孔缝对屏蔽效能的影响,屏蔽设计要点,电磁密封处理,限制内部能量泄漏出内部区域 (主动屏蔽),概述,屏蔽的含义:,3. 原理:,电子设备,用导电或导磁材料制成的屏蔽体将电磁干扰能量限制在一定范围内。,2. 目的:,防止外来的干扰能量进入某一区域(被动屏蔽),二次场理论(一次场作用下,产生极化、磁化形成二次场);,反射衰减理论,4. 屏蔽的分类(按工作原理),电场屏蔽:静电屏蔽、低频交变电场屏蔽(利用良好接地 的金属导体制作),磁场屏蔽:静磁屏蔽、低频交变磁场屏蔽(利用高导磁率 材料构成低磁阻通路),电磁屏蔽:用于高频电磁场的屏蔽(利用反射和
2、衰减来隔 离电磁场的耦合),屏蔽效能( SE ),屏蔽效能:屏蔽体的性质的定量评价。,定义:,或,或,E0、H0 未加屏蔽时空间中某点的电(磁)场;,E1、H1 加屏蔽后空间中该点的电(磁)场;,衰减量与屏蔽效能的关系,屏蔽效能的要求,分类:静电屏蔽、低频交变电场屏蔽,电场屏蔽,静电屏蔽,电场屏蔽的作用:防止两个设备(元件、部件)间的电容性 耦合干扰,原理:静电平衡,要求:完整的屏蔽导体和良好接地,2. 低频交变电场屏蔽,目的:抑制低频电容性耦合干扰,(1)未加屏蔽,(2) 加屏蔽(忽略CSR1的影响),分析方法:应用电路理论分析,讨论:(1)屏蔽体不接地,若,(2)屏蔽体接地,(3)屏蔽体接
3、地时,CSR1的影响,屏蔽效能:,屏蔽体的材料以良导体为好,对厚度无什么要求,屏蔽体的形状对屏蔽效能有明显的影响,电场屏蔽的设计要点,屏蔽体要靠近受保护的设备,屏蔽体要有良好的接地,磁场屏蔽,1原理,高频磁场屏蔽,低频磁场屏蔽(f 100kHz),利用高导磁率的铁磁材料(如铁、硅钢片、坡莫合金),对干扰磁场进行分路。,利用低电阻的良导体中形成的涡电流产生反向磁通抑制入射磁场。,2屏蔽效能计算,解析方法:圆柱腔、球壳的屏蔽效能计算,近似方法:应用磁路的方法。,如:长为l 、横截面为 S 的一段屏蔽材料,则其磁阻为,磁阻:,磁压降:,磁通:,的方程,外磁场 的磁标位,(1) 圆柱形腔的磁屏蔽效能,
4、方法:磁标位,内半径为a 、外半径为b,磁导率为 ,外加均匀磁场,边界条件:,时,,时,,解得:,故,若 ,则,令 、,,若t0,即,则,屏蔽效能,球形腔体的屏蔽效能,非球形腔体的屏蔽效能,等效半径:,(V屏蔽体的体积),例:长方体屏蔽盒尺寸为: 、壁厚 。 试计算用钢板 和坡莫合金 作屏蔽 材料时的SE 。,解:,钢:,合金:,(2)用磁路方法计算屏蔽效能,矩形截面屏蔽体: 、厚度 ,,流经屏蔽体的磁通:,流经空腔的磁通:,总磁通: ,则,外磁场 ;屏蔽体内 ;腔内,磁通为,磁路计算:,对于磁路CS:,从P1到Q1: 磁阻为,磁压降,从Q1 到 Q2:,故,对于磁路C1:,由于,于是有:,故
5、,若,若,讨论:,屏蔽体应选用高导磁率的材料,但应防止磁饱和,被屏蔽物体不要紧贴在屏蔽体上,磁场屏蔽的设计要点,注意屏蔽体的结构设计,缝隙或长条通风孔循着磁场方向分布,对于强磁场的屏蔽可采用多层屏蔽,防止发生磁饱和,尽量缩短磁路长度,增加屏蔽体的截面积(厚度),对于多层屏蔽,应注意磁路上的彼此绝缘,电磁屏蔽,1. 原理与分析方法,原理:,表面反射(R 反射损耗), 屏蔽材料吸收衰减(A 吸收损耗), 多次反射(B 多次反射修正),分析方法:, 电磁感应原理.计算屏蔽体上的涡流的屏蔽效应来计算屏 蔽效能, 平面波的反射与折射来计算反射与衰减, 等效传输线理论计算反射与衰减,2. 单层屏蔽体的屏蔽
6、效能,均匀平面波垂直入射到无限大的导体板上(厚度为t),媒质的本征阻抗:,传播常数:,屏蔽效能:,良导体 :,良导体:,波阻抗:,a. 远场:,b. 近场(以电场为主):,c. 近场(以磁场为主):,反射系数:,透射系数:,一次透射:x = 0 面上:, 屏蔽效能计算(设入射波场强 ),反射波:,透射波:,二次透射:x = 0 面上:,反射波:,透射波:,x = t 面上:,反射波:,透射波:,x = t 面上:,反射波:,n 次透射:,故:,即:,相对于铜的电导率,铜:, 厚度(mm)。, 吸收损耗 A (dB), 屏蔽材料越厚,吸收损耗越大,厚度增一个趋肤深度, 吸收损耗增加得9dB;,
7、磁导率越高,吸收损耗越大;, 电导率越高,吸收损耗越大;, 频率越高,吸收损耗越大。, 相对磁导率;,结论:, 反射损耗 R (dB),良导体:,a. 远场:,b.近场:电场源,c.近场:磁场源, 多次反射修正 B(dB),而,故:,当 时,,则,当 时,通常可忽略B。,反射损耗:,电场源,磁场源,( ),屏蔽效能:,吸收损耗:,平面波源,多次反射修正:,小结,屏蔽效能的频率特性,例1 有一个大功率线圈的工作频率为20kHz ,在离线圈0.5m处 置一铝板 以屏蔽线圈对设备的影响。设铝板厚度 为0.5mm 。试计算其屏蔽效能。,解:,屏蔽体处于哪个场区:, 近场,大功率线圈 强磁场,主要为磁屏
8、蔽.,故,又,故,式中:,2. 双层屏蔽体的屏蔽效能,通常两层之间的空气中的多次反射起主要作用,则,当两屏蔽层采用同一金属材料且相同厚度时,,孔缝对屏蔽效能的影响,信号线的出入口,电流线的出入口,通风散热孔,接缝处的缝隙等。,设各泄漏因素的屏蔽效能为 ,即,总泄漏场,故,( 1 ) 综合屏蔽效能的计算公式,例2 设某一频率下,机壳屏蔽材料本身有110dB的屏蔽效能, 各泄漏因素造成屏蔽效能为:(1)滤波与连接器面板: 101dB ;(2)通风孔92dB;(3)门泄漏:88dB;(4)接 缝泄漏:83dB。求机箱的总屏蔽效能。,解:,( 2 ) 缝隙的电磁泄漏,故,设金属屏蔽体上有一缝隙,其间隙
9、为g ,屏蔽板厚度为t ,入射波电场为 E0,经缝隙泄漏到屏蔽体中的场为Ep ,当g 10/3 时,有,例3. 在例1中开一缝隙,若其宽度为0.5mm、0.25mm 、0.1mm , 分别求其屏蔽效能。,解:,当,当,当,无缝隙时的屏蔽效能:SE54.83 dB,(3)截止波导式通风孔 的屏蔽效能,截止频率:,矩形波导:fc10 = 1510 9/ a (Hz),圆形波导:fc11 =17.610 9/ D(Hz),六角波导:fc10 =1510 9/ W (Hz),(a、D、W 的单位为:cm),原理:,电磁波频率远低于波导的最低截止频率,因而产生很大的衰减。,屏蔽效能,矩形波导:,圆形波导
10、:,六角波导:,(l 的单位为:cm),当 f fc 时:,设计要求:,l 3a、l3D、l3W,fc = (510)f,在将截止波导应用到屏蔽体上时,要注意以下几个问题:,波导管必须是截止的。波导管对于频率在截止频率以 上的电磁波没有任何衰减作用,至少要使波导的截止频率是所屏蔽频率的 5 倍。,不能有金属材料穿过截止波导管。当有金属材料穿过截止波导管时,会导致严重的电磁泄漏。需要注意的是有些光缆的内部加有金属加强筋,这时将光缆穿过截止波导时也会引起泄漏。,波导管的安装。最可靠的方法是焊接,在屏蔽体上开一个尺寸与波导管截面相同的孔,然后将波导管的四周与屏蔽体连续焊接起来。如果波导管本身带法兰盘
11、,利用法兰盘来将波导管固定在屏蔽体上,需要在法兰盘与屏蔽体基体之间安装电磁密封衬垫。,蜂窝形通风板,在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起,构成截止波导阵列,这样可以形成很大的开口面积,同时能够防止电磁波泄漏。,( 4 ) 金属孔板的屏蔽效能,屏蔽效能的计算公式,SE = ARBK1K2+K3,式中:A 孔的吸收损耗,R 孔的反射损耗,B 孔的多次反射损耗,K1 孔数目修正系数,K2 低频穿透修正系数,K3 孔间耦合修正系数,a. 孔的吸收损耗 A,按截止波导计算,矩形孔:Ar = 27.3 t / a,圆形孔:Ac = 32.0 t / D,t
12、孔的深度(cm),a 矩形孔的最大宽度(cm),D 圆形孔的直径(cm),b. 孔的反射损耗 R,其中:, 矩形孔, 圆形孔, 远场, 近区、电场, 近区、磁场,a 每一孔洞的面积(cm2),P 孔间导体宽度 / 趋肤深度,c. 多次反射修正B,d. 孔数目修正系数K1,e. 低频穿透修正系数K2,f. 孔间耦合修正系数K3,n 每cm2内的孔洞数,解 a. A = 32 t / D = 12.8 dB,例 某飞机控制盒用铝板加工而成,铝板厚度t = 2mm,两侧面板 上的总孔数为289, 孔的形状为圆形,孔径D = 5mm,孔的中心间距为18mm。设平面波的频率为f = 5MHz,求控制盒的
13、屏蔽效能。,b.,c.,孔阵面积:,d. 孔数目修正系数K1,e. 低频穿透修正系数K2,f.,总孔数:,故 SE = A + R + B + K1 + K2 + K3 = 55.8 dB,1. 使用电磁密封衬垫的主要优点,3.6 电磁密封处理,减少结合处的紧固螺钉,增加设备美观性和可维护性,降低对机械加工的要求,允许接触面有较低的平整度,在缝隙处不会产生高频泄漏,2. 使用电磁密封衬垫的场合,机箱结合面的缝隙长度超过/20,要求机箱的屏蔽效能大于40dB,设备的发射或敏感频率超过100MHz,无法采用机械加工来得到更好的导电连续性,结合面采用了不同材料,而且设备要在恶劣环境下工作,需要对环境
14、采取密封措施,3. 使用电磁密封衬垫的关键,保持接触面清洁,且没有非导电保护层,选用导电性能好的衬垫材料,对衬垫施加足够的压力,衬垫有足够的厚度,注意衬垫与屏蔽体接触表面间的电化学腐蚀,当需要活动接触时,应使用指形簧片,4. 电磁密封衬垫的主要性能指标,回弹力,导电性,最小形变量,衬垫厚度,电化学相容性,压缩形变,5. 常用电磁密封衬垫,金属丝网衬垫,用铍铜丝、蒙乃尔丝或不锈钢丝编织成管状长条,外形很像屏蔽电缆的屏蔽层。为了增强金属网的弹性,有时在网管内加入橡胶芯。,在硅橡胶内填充占总重量70 80比例的金属颗粒,如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅橡胶良
15、好弹性的特性,同时具有较好的导电性。,导电橡胶,导电布衬垫,指形簧片,铍铜制成的簧片,具有很好的弹性和导电性。,不同衬垫材料的特点比较,1. 确定屏蔽效能,2. 材料的选择,屏蔽设计要点,根据电磁特性: 近场电屏蔽高导电率金属,接地; 近场低频磁场屏蔽高导磁率材料,不接地; 近场高频磁场屏蔽高导电率金属,可不接地; 远场电磁屏蔽 高导电率金属,良好接地,可根据电磁兼容标准要求来确定,3. 结构的完整性设计,4. 校验屏蔽效能,2) 缝隙屏蔽 增加深度 加装导电衬垫,1) 多层设计,3) 通风孔 加装金属丝网罩; 打孔金属板; 蜂窝形通风板,4) 电缆及接口屏蔽 硬管屏蔽; 软管屏蔽; 单层编织丝网; 双层编织丝网; 编织线与金属箔组合 滤波连接器,