1、word淺談電磁兼容和電磁屏蔽技術何文鈞昆明電纜集團股份摘要：介紹電磁兼容的概念，電磁干擾和電磁干擾控制，重點介紹電磁干擾抑制的重要手段之一電磁屏蔽技術，討論電磁屏蔽的分類、作用原理、屏蔽效能及影響屏蔽效能的因素等，最后簡要介紹屏蔽性能的各種測試方法及其特點關鍵詞：電磁兼容電磁干擾電磁屏蔽技術Abstract: This paper introduces the concept of electromagnetic compatibility， electromagnetic interference and electromagnetic interference control ， ele

2、ctromagnetic interference suppression highlight an important means electromagneticshielding ， electromagneticshieldingtodiscussthe classification，the role of theory， shielding effectiveness of shielding effectivenessandimpactofthefactors ， Finallybriefshielding characteristics of the various test me

3、thodsKey words ： electromagnetic compatibilityelectromagnetic interference electromagnetic shielding technology.一、 電磁兼容技術概況電磁兼容是近 30 年蓬勃開展起來的一門新興學科。隨著電子信息技術、自動控制技術、通信導航技術的飛速開展和各種電子電氣設備的廣泛應用，人類生存活動空間存在著越來越復雜的電磁場。根據預測，空間電磁能量以每年 7%以上的速度增長， 對人類的生存、活動和各種儀器設備的工作產生越來越大的影響。通常人們把自動控制裝置、電子儀器、無線電通信裝置等電子電氣設備受到的

4、干擾稱為電磁干擾，說明裝置受到外部干擾信號侵入的危害。但同時這些電子電氣裝置本身包括裝置內部組件之間也可能干擾外部其他裝置，形成干擾源，因此必須同時研究裝置的干擾和被干擾，解決裝置內部組件之間、裝置與裝置之間，以及系統與系統之間干擾和被干擾的問題，從而促進了電磁兼容技術的迅速開展。國際電工委員會(IEC)對電磁兼容性electromagnetic compatibility，EMC 的定義是：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。從以上定義可知，電磁兼容實際上有兩方面的含義，一方面是設備或系統產生的電磁騷擾，不應對周圍設備造成其不能承受的干擾，

5、也不應對周圍環境造成不能承受的“污染，即設備和系統產生的電磁騷擾應控制在一個可接受的范圍之內；另一方面是設備或系統對來自周圍環境中的電磁干擾，應具有足夠的抗御能力。通俗地講， 就是指電子電氣設備在共同的電磁環境中能正常工作又互不干擾，到達相互“兼容 狀態。今天，電磁兼容技術已經能夠較深入地闡述電磁干擾產生的原因，分析干擾的性質，解釋干擾傳播及耦和的機理，從而系統地提出抑制干擾的技術措施。國際電工委員會(IEC)已制定和發布了電磁兼容的系列標準和標準，建立了電磁兼容試驗和測量的體系，解決了電磁兼容設計、分析和預測的一系列理論和技術問題。.word二、 電磁干擾國際電工委員會對電磁干擾electr

6、omagnetic interference，EMI的定義是：“電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。理論和實踐的研究說明，不管復雜系統還是簡單裝置，任何電磁干擾的發生必須具備三個根本條件，缺一不可：首先應該具有騷擾源；其次要有傳播干擾能量的途徑或通道；第三還必須有被干擾對象敏感設備或敏感器的響應。因此電磁騷擾源、騷擾傳播途徑或傳輸通道和敏感設備被稱為電磁干擾三要素。(一) 電磁騷擾源騷擾源主要有自然騷擾源與和人為騷擾源兩大類。自然騷擾源主要來源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為騷擾源是機電設備或其它人工裝置產生的電磁能量，其中一局部是專門用來發射電磁能量的裝置，如播送、

7、電視、通信、雷達和導航等無線電設備，稱為有意發射騷擾源。另一局部是在完成自身功能的同時附帶產生電磁能量的發射，如交通車輛、架空輸電線、照明器具、電動機械、家用電器以及工業、醫用射頻設備等等，稱為無意發射騷擾源。騷擾源的頻譜范圍極廣，從極低頻直到超高頻。按照騷擾信號的頻率范圍可以把騷擾源分為：工頻與音頻騷擾源50Hz 及其諧波 甚低頻騷擾源30Hz 以下載頻騷擾源10kHz300kHz射頻及視頻騷擾源300kHz300MHz 微波騷擾源300MHz 以上。二電磁騷擾傳播途徑電磁干擾傳播途徑一般分為兩種：即傳導傳播和輻射傳播。傳導傳播中的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾，一般是通過電壓

8、或電流的形式在電路中進行傳播。傳導傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個連接電路傳遞到敏感器，發生干擾現象。這個傳輸電路可包括導線，設備的導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感組件等。輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規律向周圍空間發射。在實際工程中，兩個設備之間發生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反復交叉耦合，共同產生干擾，使電磁干擾變得難以控制。三敏感設備敏感設備是對被干擾對象的總稱，它可以是一個很小的組件或一個電路板組件， 也可以是一個單獨的用電設備甚至可以是一個大型系統。三、 電磁屏蔽技

9、術使電子電氣設備在共同的電磁環境中能正常工作又互不干擾的重要手段之一是采用電磁干擾抑制技術。電磁干擾抑制技術是圍繞電磁干擾三要素所采取的各種措施，歸納起來就是三條：a) 抑制電磁干擾源；b) 切斷電磁干擾耦合途徑；c) 降低.word敏感裝置的敏感性。具體的方法主要有屏蔽、接地和濾波等，這幾種方法在電路和系統設計中都有其獨特的作用，但它們相互間也是密切關聯的。例如，良好的接地可以降低設備對屏蔽的要求，而不正確的接地會使屏蔽效果變差，最壞的情況甚至可能比不屏蔽還要差。接地和濾波技術本文不做詳細介紹，可參閱文獻(1)。一 屏蔽的分類根據屏蔽的對象不同，可以把屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽的對

10、象是干擾源，限制由干擾源產生的有害電磁能量向外擴散。被動屏蔽的對象是敏感設備， 防止外部電磁干擾對它產生有害影響。根據干擾源的性質，可以把屏蔽分為靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。實際上我們不必把這三種類型的屏蔽進行仔細的區分，正如靜電場和靜磁場是電磁場的特殊情況一樣，靜電屏蔽和磁場屏蔽只是電磁屏蔽的一種特殊類型。二 屏蔽的作用原理靜電屏蔽采用完整的金屬屏蔽體將帶電導體包圍起來，在屏蔽體的內側將感應出與帶電導體等量極性相反的電荷，外側出現與帶電導體等量極性相同的電荷，如果將金屬屏蔽體接地，那么外側的電荷將流入大地，外側不會有電場存在，即帶電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內。金屬屏蔽體導電性能越好，靜電

11、屏蔽效果越好。值得注意的是靜電屏蔽必須要通過接地才能起到屏蔽的作用。磁場屏蔽在低頻段主要是利用高磁導率的材料構成低磁阻通路，使大局部磁場被集中在屏蔽體內。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。高頻段那么主要通過干擾信號在屏蔽層中產生的渦流建立的反向磁場抵消干擾磁場而實現。電磁屏蔽主要通過反射、吸收、抵消三種效應來實現削弱干擾電磁波的作用，其作用原理可用圖 1 加以說明：電磁波到達屏蔽體外表時，由于電介質和屏蔽層的交界面上阻抗不連續二者波阻抗不相同，對入射波產生反射，電磁波的一局部能量被反射掉。空氣與金屬的波阻抗相差越大，那么由反射引起的屏蔽效應越強。未被外表反射掉而進入屏

12、蔽體的能量，在屏蔽體內傳播的過程中受到衰減。也就是所謂的吸收。吸收是由金屬內渦流損耗所引起的，頻率越高、屏蔽層越厚，那么能量損耗越多。在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一外表時，遇到電介質和屏.word蔽層波阻抗不連續的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內。這種反射在兩個金屬的交界面上可能有屢次的反射，這意味著對電磁波能量的吸收也是屢次的。抵消效應是指電磁波在屏蔽層上產生反向電磁場，能抵消局部干擾電磁波。三 屏蔽效能屏蔽效能SE也稱為屏蔽衰減，其定義是：在電磁場中同一地點無屏蔽時的電磁場強度(E1、H1)與加屏蔽體后的電磁場強度之比(E2、H2)。常用分貝數(dB)表示:SE=

13、20log E2/ E1=20log H1/ H11 工程中屏蔽效能也常用干擾能量的損耗來表示:SE=ARB1式中：A 為吸收損耗；R 為反射損耗；B 為屢次反射損耗。1. 電磁波反射損耗 R由于空氣和屏蔽金屬的電磁波阻抗不同，使入射電磁波產生反射作用。而空氣的電磁波阻抗在不同場源和場區中是不一樣的，分別如下：磁 場 源 近 場 中 的 反 射 損 耗 R(dB) 為 ： R=20log101.173(r/fr)1/2/D0.0535D(fr/r)1/20.3542 式中：r 為相對磁導率；r 為相對電導率；f 為電磁波頻率Hz；D 為輻射源到屏蔽體的距離cm。電場源近場中的反射損耗 R(dB

14、)為 ：R = 36220log10(r f3/r)1/2D3 電磁場源遠場中的反射損耗 R(dB)為R=16810log10(r f/r)42. 電磁波吸收損耗 A當進入金屬屏蔽內的電磁波在屏蔽金屬內傳播時，由于衰減而產生吸收作用。吸收損耗 A(dB)為 ：A=0.1314d(r fr)1/25式中：d 為屏蔽材料厚度mm。3. 屢次反射損耗B電磁波在屏蔽層間的屢次反射損耗 B(dB)為： B=20log101(ZmZw)/(ZmZw)2100.1A(cos0.23Ajsin0.23A)6 式中：Zm 為屏蔽金屬的電磁波阻抗；Zw 為空氣的電磁波阻抗。注：近場，又叫感應場，空間中與場源的距離

15、遠小于場源電磁波波長的 1/2的區域稱近區，該區域內的電磁場稱近場。遠場，又叫輻射場，空間中與場源的距離遠大于場源電磁波波長的 1/2的區域稱遠區，該區域內的電磁場稱遠場。四 影響屏蔽效能的因素.word屏蔽效能與很多因素有關，如屏蔽材料的電導率、磁導率，屏蔽的結構，干擾源的頻率，在近場還與離干擾源的距離和場源性質電場或磁場有關。1屏蔽材料屏蔽用的材料多采用鋼、銅、鋁或銅包鋼等。材料的電導率和導磁率越高，其屏蔽性能越好。常用材料中，銀的電導率最高，其次是銅、鋁、黃銅、鐵、鋼。對銅、鋁、鐵三種材料進行比照：從吸收的效果看，銅鋁鐵，從反射的效果看，也是銅鋁鐵，可見銅的整體屏蔽性能最好。但鐵鋼的磁導

16、率比銅、鋁大得多，磁屏蔽效果較好。因此，鐵鋼屏蔽多用于磁場強且頻率低的情況，鋁和銅多用于中頻和高頻的電纜屏蔽，而銅包鋼在任何頻率均具有良好的屏蔽效能。2屏蔽結構以電纜屏蔽為例，從屏蔽形式分，有銅帶屏蔽、銅絲編織屏蔽、銅絲疏繞屏蔽、金屬復合薄膜繞包屏蔽等。從屏蔽結構分，有芯分屏蔽、總統屏蔽、分+總屏蔽、綜合屏蔽、隔離式屏蔽等。不同的屏蔽形式和不同的屏蔽結構所得到的效果也有所不同。從前面公式可知，吸收屏蔽效應中，頻率越高、屏蔽層越厚，屏蔽效果越好。而對于反射屏蔽效應，介質與金屬的波阻抗相差越大，屏蔽效果越好。并且屏蔽的磁導率及電導率越大，屏蔽效應越好。對于銅帶屏蔽來說，因其為一個密閉的整體，不產生

17、電磁泄露，故屏蔽效果明顯，但彎曲性稍差。隨著屏蔽材料厚度的增加，屏蔽作用增強。特別強磁性材料的厚度增加后，其屏蔽作用要比非磁性材料增加得更為劇烈。對于銅絲編織屏蔽來說，在一般情況下，編織金屬絲網的屏蔽效能隨編織密度的增加而增加，隨頻率的升高而下降。這是因為頻率高到一定程度時，其波長將接近于絲網孔徑尺寸，這些孔徑產生類似縫隙天線的作用，從而使屏蔽層的屏蔽效能降低。而在低頻通常低于 100kHz磁場中，屏蔽效能除了隨頻率變化外，還隨編織密度和材料磁導率的增加而變大。另外，金屬絲網的實際屏蔽效能還和裸線間的接觸電阻有關，因為電磁屏蔽是靠流過屏蔽層的電流起作用的，裸線間的電阻大，那么電流不易通過，使接

18、觸電阻增大，結果造成屏蔽效能急劇下降。金屬復合薄膜繞包屏蔽因其較柔軟，所以電纜彎曲性能好且為一個密閉的整體， 不產生電磁泄露。但是由于復合屏蔽帶一般是單面涂敷金屬，金屬鍍層要薄得多，其屏蔽效果不及金屬帶繞包形式。對于綜合屏蔽結構，其屏蔽效果與選用的屏蔽材料、各層放置的次序、屏蔽形式(管狀、編織、繞包等形式)以及各層厚度的比例有關。 銅-鋼-銅的屏蔽效果要較之銅-鋁-銅的要好。原因是外表層用銅，介質-屏蔽界面的反射作用大，中間有磁導率較大的鋼層可得到較好的吸收效果，同時銅和鋼的波阻抗差異大，在金屬界面的反射較強。在低頻時，編織屏蔽電纜要優于銅帶繞包屏蔽電纜，而高頻時連續的金屬管比編織屏蔽效果好。

19、另外屏蔽厚度與屏蔽應用頻段有關。從屏蔽效果來考慮，在 10KHz 以下等厚的銅層(鋁層)與鋼層效果較好；在 1020KHz 以上時采用薄銅(鋁)層與厚鋼層效果較好。總的來說，不同材料多層組合屏蔽效果最為理想。這是因為組合屏蔽除具有與多層屏蔽相同的吸收屏蔽效應和抵消效應外，由于各層金屬的波阻抗不同，顯著地提高了反射效果，使其屏蔽效能得到較大的提升。五 屏蔽效能測試方法簡介.word測量屏蔽性能的方法很多，目前僅屏蔽電纜屏蔽性能的測試方法就多達幾十種。其中既有直接測量屏蔽效能(屏蔽衰減)的，也有間接測量外表轉移阻抗的；既有基于場發射的測量方法，也有基于路(耦合)的測量方法。這些方法都有各自的優勢和

20、缺乏，在實際工作中應根據被測對象的特點有針對性的選用。一般來說，當電纜為短線即電纜的幾何長度和干擾電磁波波長的比值小于或接近于1時，通常采用測量外表轉移阻抗的方法。比擬典型的有三同軸法(Triaxial Method，簡稱TM)和線注入(LineInjection Method，簡稱LIM)等。TM法是一種經典的外表轉移阻抗測量方法，其測試頻段在100MHz以下。它把被測電纜置于同軸的非磁性導體管(比方黃銅或純銅)內，導體管與電纜屏蔽和芯線構成一個三同軸裝置。在外導體管和被測電纜屏蔽層構成的電流驅動回路中注入一個的鼓勵電流I1，測量被測電纜芯線與被測電纜屏蔽層之間的電壓U2 ，U2/I1即為被

21、測電纜的外表轉移阻抗。 TM法的測量頻率通常在100MHz以下，要求信號源與驅動回路及測量儀器與測量回路的阻抗匹配良好。LIM法也是一種測量外表轉移阻抗的典型方法。它通過對電纜屏蔽層施加的電流和電壓，并測量內部感應電壓來計算轉移阻抗。一般測試頻率在30MHz以下，后來也擴展到3GHz，甚至更高，但當測量高頻等效轉移阻抗時，系統會產生很大反射， 這時對系統的匹配要求比擬高。雖然LIM法的裝置較為簡單，但安裝調試比擬麻煩。當電纜為長線即電纜的幾何長度和干擾電磁波波長的比值大于或接近于1時。通常采用測量屏蔽衰減的方法，比擬典型的有功率吸收鉗法(Absorbing Clamp Method，簡稱ACM)、混波室法(Reverberation Chamber Method，簡稱RCM) 和GTEM 小室法(GHz Transverse Electromagnetic Cell Method)等。ACM法是一種常用的測量電纜屏蔽衰減方法。當電纜中傳輸的信號頻率超過30MHz時，干擾電磁波主要