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電磁屏蔽技術

電氣工程系江濱浩研究生學位課－電磁兼容（4）23

主要內容

概述電場屏蔽低頻磁場屏蔽高頻磁場屏蔽電磁屏蔽

孔洞的屏蔽效能

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概述

屏蔽類型：

屏蔽是用導電或導磁材料將需要防護區域封閉起來，以抑制和控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射；屏蔽技術用來抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷電磁波輻射（和場耦合）的傳輸途徑。

主動屏蔽：屏蔽干擾源，被動屏蔽：屏蔽敏感體。波

電磁波屏蔽低頻近場5678910靜電場屏蔽

靜電場的屏蔽

主動屏蔽:

被動屏蔽接地防止電力線通過孔縫侵入屏蔽殼體內部

完全靜電場屏蔽的必要條件：

1.完整的導體，2.接地。空腔11

交變電場的屏蔽

因為低頻交變電場的騷擾源與接受器之間的電場感應耦合可以用它們之間的耦合電容進行描述，低頻交變電場的屏蔽可采用電路理論加以解釋。直觀、方便。干擾電壓（場）與耦合電容成正比。減少耦合電容是屏蔽低頻交變電場的關鍵。增多騷擾源與接受器之間距離，或利用金屬板接地抑制干擾。12

利用金屑板接地抑制干擾接地金屬屏蔽體

接地金屑板切斷干擾途徑。如不接地則可能產生更嚴重的干擾。無論是靜電場或交變電場，屏蔽的必要條件是金屬體接地。13低頻：100kHz以下屏蔽原理：利用高磁導率的鐵磁材料(例如鐵、硅鋼片，其磁導率約為）對騷擾磁場進行分路，把磁力線集中在其內部通過，限制在空氣中大量發散。

低頻磁場屏蔽H1R0RmH0H0RmH1R0

磁路方程磁力線集中在其內部(Rm)通過H2H214結論：

磁導率越高、截面積越大，則磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，在空氣中的漏磁通就大大減少。用鐵磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力線方向不應開口或有縫隙。因為若縫隙垂直于磁力線，則會切斷磁力線，使磁阻增大，屏蔽效果變差。(主動屏蔽)(被動屏蔽)

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靜磁場屏蔽例無限長磁性材料圓柱腔的靜磁屏蔽效能

應用分離變量法得可見鐵磁材料的磁導率越大屏蔽效能越高，屏蔽層的厚度增加也會加大屏蔽效能。但是增加屏蔽層的厚度的做法并不經濟。最好采用多層屏蔽的方法？？

16法拉第電磁感應定律，楞次定律，高頻磁場的屏蔽采用的是低電阻率的良導體（銅、鋁）屏蔽原理:利用電磁感應現象在屏蔽體表面所產生的渦流的反磁場來達到屏蔽的目的，即利用了渦流反向磁場對于原騷擾磁場的排斥作用，抑制或抵消屏蔽體外的磁場。另一種解釋，趨膚效應－熱損耗

高頻磁場屏蔽渦流產生的反向磁場增強了金屬板側面的磁場使磁力線在金屬板側面繞行而過。H＝017

屏蔽是利用感應渦流的反磁場排斥原騷擾磁場而達到屏蔽的目的，渦電流的大小直接影響屏蔽效果。屏蔽體電阻越小產生的感應渦流越大而且屏蔽體自身的損耗也越小。

所以高頻磁屏蔽材料需用良導體。

注：因為高頻時鐵磁材料的磁性損耗(包括磁滯損耗和渦流損耗)很大，導磁率明顯下降。

鐵磁材料的屏蔽不適用于高頻磁場屏蔽。屏蔽盒上縫的方向必須順著渦流方向并且要盡可能地縮小縫的寬度。如果開縫切斷了渦流的通路則將大大影響金屬盒的屏蔽效果。18屏蔽體和線圈的等效電路渦流

當（高頻）時，

當（低頻）時

低頻時渦流很小，渦流的反磁場不足以完全排斥原干擾磁場，此法不適用于低頻磁場屏蔽一定頻率后渦流不再隨著頻率升高，說明渦流產生的反磁場已足以排斥原有的干擾磁場，從而起到屏蔽作用。is頻率M/LRs/L19電磁屏蔽時變電磁場中，電場和磁場總是同時存在的，通常所說的屏蔽，多指電磁屏蔽。電磁屏蔽是指同時抑制或削弱電場和磁場。電磁屏蔽一般也是指高頻交變電磁屏蔽(10kHz~40GHz)。在頻率較低（近場區，近場隨著騷擾源的性質不同，電場和磁場的大小有很大差別。高電壓小電流騷擾源以電場為主（電準穩態場－忽略了感應電壓），磁場騷擾較小（有時可忽略）。低電壓高電流騷擾源以磁場騷擾為主（磁準穩態場－忽略了位移電流），電場騷擾較小。隨著頻率增高，電磁輻射能力增加，產生輻射電磁場，并趨向于遠場騷擾。遠場騷擾中的電場騷擾和磁場騷擾都不可忽略，因此需要將電場和磁場同時屏蔽，即電磁屏蔽。20屏蔽機理設金屬平板左右兩側均為空氣，因而在左右兩個界面上出現波阻抗突變，入射電磁波在界面上就產生反射和透射。電磁能（波）的反射，是屏蔽體對電磁波衰減的第一種機理，稱為反射損耗，用R表示。

透射入金屬板內繼續傳播，其場量振幅要按指數規律衰減。場量的衰減反映了金屬板對透射入的電磁能量的吸收，電磁波衰減的第二種機理．稱為吸收損耗，用A表示

在金屬板內尚未衰減掉的剩余能量達到金屬右邊界面上時，又要發生反射，并在金屬板的兩個界面之間來回多次反射。只有剩余的一小部分電磁能量透過屏蔽的空間。電磁波衷減的第三種機理，稱為多次反射修正因子，用B表示。21屏蔽效能的第一種機理－電磁能的反射是因為空氣－金屬界面上阻抗不匹配而發生的。反射系數為——輻射場的波阻抗

——金屬板的波阻抗

吸收損耗

第三種機理，稱為多次反射修正因子：

三次反射(吸收過程)五次反射(吸收過程)22

屏蔽效能屏蔽前場強

E1,H1屏蔽后場強

E2，H2

對電、磁場和電磁波產生衰減的作用就是電磁波屏蔽,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20lg(E1/E2),SH=20lg(H1/H2)dB

衰減量與屏蔽效能的關系例：40dB,衰減比＝1/100GJB151A的機箱：60dB一般商業的機箱：40dB

軍用屏蔽室：100dB23

實心材料屏蔽效能＝

R＋

A＋B入射場強距離吸收損耗AR1R2SE＝R1

＋R2

＋A＋BB透射泄漏R－反射損耗A－吸收損耗B－多次反射修正因子

實心材料對電磁波的反射和吸收損耗使電磁能量被大大衰減，將電場和磁場同時屏蔽，即電磁屏蔽。反射AR1R224波阻抗的概念（前述）377波阻抗電場為主E1/r3H1/r2磁場為主H1/r3E1/r2平面波E1/rH1/r/2到觀測點距離rE/H

距離小于/時，稱為近場區，大于/時稱為遠場區。近場區中，波阻抗小于377，稱為低阻抗波（磁場波）；波阻抗大

377，稱為高阻抗波（電場波）。波阻抗隨距離而變化。遠場區，波阻抗僅與電場波傳播介質有關，空氣為377。

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反射損耗

R＝20lg

反射損耗與波阻抗有關屏蔽材料的阻抗Zs<1

越低（r

大－良導體），則反射損耗越大；特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的波阻抗ZW

越高，則反射損耗越大。ZW4ZsZs

=3.6810-7fr/r遠場：377近場：取決于源的阻抗同一種材料的阻抗隨頻率變化26不同電磁波的反射損耗

Zs=屏蔽體阻抗，D=屏蔽體到源的距離（m），f=頻率（MHz）,dB遠場:R＝20lg3774Zs45002DfD

fZsZs電場:R＝20lg磁場:R＝20lg已有于是

注意：反射損耗不是將電磁能量損耗掉，而是將其反射到空間。反射的電磁波有可能對其它電路造成影響。特別是當輻射源在屏蔽機箱內時，反射波在機箱內可能會由于機箱的諧振得到增強，對電路造成干擾。27影響反射損耗的因素R(dB)1500.1k1k10k100k1M10M100M平面波fD=30m

電場D=1mD=30m磁場D=1m

電場反射損耗>磁場反射損耗,當頻率升高時，電場和磁場損耗趨向于一致，匯合在平面波的反射損耗數值上。距離電偶極源越近，則反射損耗越大（波阻抗越高）。磁偶極源，則正好相反。頻率影響：頻率升高時，電場的波阻抗變低，磁場波的波阻抗變高。同時屏蔽材料的阻抗發生變化（變大）。對于平面波，由于波阻抗一定（377），因此隨著頻率升高，反射損耗降低。28

吸收損耗入射電磁波E1剩余電磁波E2E2=E1e-t/

A＝20lg(E1/E2)=20lg(et/)t0.37E0

＝3.34LfrrdB

材料越厚t

，吸收損耗越大，每增加一個趨膚深度，吸收損耗增加約20dB；趨膚深度越小（磁導率、電導率和頻率越高），吸收損耗越大。

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趨膚深度舉例

相對（電導率，磁導率）：銅（1,1),

鋁（0.6,1),鋼(0.16,200);

吸收損耗與入射電磁場（波）的種類（波阻抗）無關。30多次反射修正因子的計算電磁波在屏蔽體內多次反射，會引起附加的電磁泄漏，因此要對前面的計算進行修正。B=20lg(1-e-2t/)說明：

B為負值，其作用是減小屏蔽效能當趨膚深度與屏蔽體的厚度相當時，可以忽略

對于電場波，可以忽略

—對于電場波，反射損耗已很大了，進入屏蔽體的能量已經很小了，所以可以忽略。31綜合屏蔽效能(0.5mm鋁板)高頻時電磁波種類的影響很小150250平面波000.1k1k10k100k1M10M電場D=0.5m磁場D=0.5m屏蔽效能（dB）頻率

低頻：趨膚深度大，吸收損耗小，屏蔽決于反射損耗。電場>電磁波>磁場。高頻：電場的反射損耗降低，磁場的反射損耗增加；頻率升高，吸收損耗增加，頻率高到一定程度時，屏蔽主要由吸收損耗決定。屏蔽的難度按電場波、平面波、磁場波的順序依次增加。

特別是頻率較低的磁場，很難屏蔽。32怎樣屏蔽低頻磁場？低頻磁場低頻磁場吸收損耗小（趨膚深度大）反射損耗小(低阻抗）高導電材料高導磁材料高導電材料方法1：高導磁率材料的表面增加一層高導電率材料，增加電場波在屏蔽材料與空氣界面上的反射損耗。方法2：低磁阻通路旁路。關鍵：采用高導磁率材料，

減少磁阻。H133

磁屏蔽材料的頻率特性151015坡莫合金金屬鎳鋼冷軋鋼0.010.11.010100kHzr103

磁屏蔽材料手冊上給出的導磁率數據大多是直流情況下的，隨著頻率增加，導磁率會下降，當頻率大于時，導磁率更低。34

磁導率隨場強的變化磁場強度H磁通密度B飽和起始磁導率最大磁導率=B/H

一對矛盾：當要屏蔽的磁場很強時，即為了獲得較高的屏蔽性能，需要使用導磁率較高的材料，但這種材料容易飽和。如用比較不容易飽和的材料，往往由于=較低，屏蔽性能又達不到要求。35

強磁場的屏蔽高導磁率材料：飽和低導磁率材料：屏效不夠低導磁率材料高導磁率材料

解決方法：采用雙層屏蔽，先用不容易發生飽和的磁導率較低的材料將磁場衰減到一定程度，然后用高導磁率材料將磁場衰減到滿足要求。成本高、實施困難。36

良好電磁屏蔽的關鍵因素屏蔽體的導電連續有無穿過屏蔽體的導體屏蔽效能高的屏蔽體不要忘記：選擇適當的屏蔽材料你知道嗎：與屏蔽體接地與否無關屏蔽體的完整性（完整、封閉）+導電的連續性是屏蔽的關鍵37實際屏蔽體的問題

實際機箱上有許多泄漏源：不同部分結合處的縫隙通風口、顯示窗、按鍵、指示燈和電纜線、電源線等影響屏蔽效能的兩個因素：屏蔽體的導電連續性和穿過屏蔽機箱的導線（危害更大＝輻射＋傳導）。通風口顯示窗鍵盤指示燈電纜插座調節旋鈕電源線縫隙電纜線38

遠場區孔洞的屏蔽效能llSE=100–20lgl–20lgf+20lg（1+2.3lg(l/h))=0dB

H當電磁波入射到一個縫隙孔洞時，其作用相當于一個偶極天線(第二章已講述）當縫隙的長度達到l=/2時，其輻射效率最高（與縫隙的寬度無關），它幾乎可將激勵縫隙的全部能量輻射出去。若l

/2

h39

孔洞在近場區的屏蔽效能

在近場區，孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關

若ZC

（7.9/Df）（電場源）：

SE=48+20lgZC–20lglf+20lg(1+2.3lg(l/h))

若ZC

（7.9/Df）（磁場源）

SE=20lg(D/l)+20lg(1+2.3lg(l/h))

ZC=輻射源的阻抗（），D=孔到源的距離（m），

l，h=孔，洞(mm），f=電磁波的頻率（MHz）

當電場源時，孔洞的泄漏比遠場時小（屏蔽效能較高），而當磁場源時，孔洞的泄漏比遠場時要大（屏蔽效能較低）.（注意：對于磁場源，屏效與頻率無關！危害更大！）

Dlh404142

縫隙的泄漏高頻起主要作用低頻起主要作用屏蔽體的導電連續問題影響電阻，電容的因素：

接觸面積（接觸點數）、接觸面的材料、接觸面的清潔程度、接觸面上的壓力、氧化腐蝕等。

兩個表面之間的距離越近，相對的面積越大，則電容越大。

縫隙的阻抗越小，電磁泄漏越小，屏蔽效能越高（電容變小）作用可能相反，整體上，高頻時電磁泄漏較大h=0的情況縫隙43縫隙的處理電磁密封襯墊縫隙

減小縫隙電磁泄漏的基本思路：減小縫隙的阻抗（增加導電接觸點、加大兩塊金屬板之間的重疊面積、減小縫隙的寬度）。方法：增加接觸面的平整度，增加緊固件（螺釘、鉚釘）的密度，方法：使用電磁密封襯墊，電磁密封襯墊是一種彈性的導電材料。44電磁密封襯墊的種類

金屬絲網襯墊導電橡膠指形簧片螺旋管襯墊45襯墊種類優點缺點適用場合導電橡膠同時具有環境密封和電磁密封作用，高頻屏蔽效能高需要的壓力大，價格高需要環境密封和較高屏蔽效能的場合金屬絲網條成本低，不易損壞高頻屏蔽效能，適合1GHz以上的場合沒有環境密封作用干擾頻率為1GHz以下的場合指形簧片屏蔽效能高允許滑動接觸形變范圍大價格高沒有環境密封作用有滑動接觸的場合屏蔽性能要求較高的場合

導電橡膠：在硅橡膠內填充占總重量70～80％比例的金屬顆粒，如銀粉、銅粉、鋁粉、鍍銀銅粉、鍍銀鋁粉、鍍銀玻璃球等。這種材料保留一部分硅橡膠良好彈性的特性，同時具有較好的導電性。46螺旋管屏蔽效能高，價格低,復合型能同時提供環境密封和電磁密封過量壓縮時容易損壞屏蔽性能要求高的場合有良好壓縮限位的場合需要環境密封和很高屏蔽效能的場合多重導電橡膠

彈性好，價格低，可以提供環境密封表層導電層較薄，在反復磨擦的場合容易脫落需要環境密封和一般屏蔽性能的場合不能提供較大壓力的場合導電布襯墊柔軟，需要壓力小價格低濕熱環境中容易損壞不能提供較大壓力的場合47

電磁密封襯墊的主要參數

屏蔽效能(關系到總體屏蔽效能)

回彈力（關系到蓋板的剛度和螺釘間距）最小密封壓力（關系到最小壓縮量）最大形變量（關系到最大壓縮量）壓縮永久形變（關系到允許蓋板開關次數）電化學相容性（關系到屏蔽效能的穩定性）48

孔洞的影響49

孔洞的影響50截止波導管損耗頻率fc截止頻率頻率高的電磁波能通過波導管，頻率低的電磁波損耗很大！工作在截止區的波導管叫截止波導。截止區51

截止波導管的屏效截止波導管屏蔽效能=反射損耗：遠場區計算公式,近場區計算公式+吸收損耗：與截止頻率有關孔洞計算屏蔽效能公式，前述波導壁面吸收損失屏蔽效能明顯52

截止波導管的損耗