电磁屏蔽技术讲义

电磁屏蔽技术讲义内容摘要：

10~19 dB — 0~9 dB — 10~0 dB — — — — — — — — — — — 互连电缆（ 500kHz） 互连电缆（ 5MHz） — — — — — — 0~9 dB — 0~9 dB — 0~9 dB 20~29 dB 0~9 dB 20~29 dB 0~9 dB 20~29 dB — 0~9 dB — — — — — — 表 敏感电路及接收机满足 MDS201 辐射敏感度所需的屏效 电路 10kHz 至 30kHz 30kHz 至 100kHz 100kHz 至 300kHz 300kHz 至 1MHz 1MHz 至 3MHz 3MHz 至 10MHz 10MHz 至 30MHz 30MHz 至 100MHz 100MHz 至 300MHz 300MHz 至 1GHz 1GHz 至 3GHz 3GHz 至 10GHz 逻辑电路， TTL 逻辑电路， COMS 逻辑电路， LSTTL 逻辑电路， STTL 逻辑电路， ECL — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 10~19 dB — 10~0 dB — — 10~19 dB — — — — 0~9 dB — — — — 10~0 dB — — — — — — — 模拟增益带宽 =1MHz 模拟增益带宽 =10MHz 模拟增益带宽 =100MHz — — — — — — — — — — — — — 10~0 dB 10~0 dB — 0~9 dB 0~9 dB — 0~9 dB 10~19 dB 10~0 dB 10~19 dB 30~39 dB 10~0 dB 10~19 dB 30~39 dB 10~0 dB 0~9 dB 30~39 dB — 10~0 dB 20~29 dB — — 10~19 dB 接收机 10 微伏敏感度 接收机 1 微伏敏感度 接收机 微伏敏感度 — — — — — — — — — — — — 30~39 dB 40~49 dB 50~59 dB 40~49 dB 50~59 dB 60~69 dB 50~59 dB 60~69 dB 70~79 dB 60~69 dB 70~79 dB 80~89 dB 60~69 dB 70~79 dB 80~89 dB 70~79 dB 80~89 dB 90~99 dB 70~79 dB 80~89 dB 90~99 dB 70~79 dB 80~89 dB 90~99 dB 与表 、表 的对比可以看出，军用及民用标准对于屏蔽效能的差别大致在 30~40dB。 通过大量的实例测试，也可证明上述分析是正确的。 因此可以对满足不同标准的设备所需的屏蔽效能，给出下列规律：  民用设备： 35  65 dB  军用设备： 60  100 dB 明确了所需的屏蔽效能，就可以确定具体的屏蔽结构以及选取所需的屏蔽材料。 屏蔽分类与屏蔽原理 屏蔽是用导电或导磁材料制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体，将电磁能限制在一定空间范围内的抑制辐射干扰的一种有效措施。 由于辐射干扰在各个频段均可能发生，而各频段的屏蔽原理却各不相同，因而有必要先对屏蔽加以分类。 屏蔽分类 工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源；类似于变 7 压器绕组的闭合载流导线辐射源。 由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成 (图 )。 因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行讨论，就可得出实际辐射源的远、近场及波阻抗的概念，及远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。 I I I I1 2 3 4θ 1θ 2 θ 3 θ 4θ 5r1r 2 r 3 r 4 r5Pr 2 r 11Ir 4I 4r 5I 5r 32I3IP( a ) 非闭合载流导线辐射源在P点 产 生的电磁场( b ) 闭合载流导线辐射源在P点 产 生的电磁场 图 两个基本源的电磁场 由电磁场理论，可得电偶极子和磁偶极子的场分布（由于篇幅所限，未列出具体表达式）。 （ 1） 远近场的区分 电偶极子和磁偶极子的场分布表达式是 r1 的函数（ r是场点到源点的距离），计算比较复杂，为简化计算，取 2r 为远近场的分界点， 2＜r 为近场， 2r 为远场。 根据定义，可得电偶极子和磁偶极子在近场及远场的波阻抗。 (2) 电偶极子的近场波阻抗 模值  rZ WE  2120 () 当 2＜r 时， 377＞WEZ。 所以电偶极子在近场的波阻抗为高阻抗。 (3) 磁偶极子的近场波阻抗 其模值   rZWE 2120 () 当 2＜r 时， 377＜WEZ。 所以磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗。 (4) 电偶极子和磁偶极子在远场的波阻抗 ZWH=ZWE=120π =377Ω () 图 给出了两种源的波阻抗模值与场源距离及场源特性的关系。 由于空间某点的场特性取决于场源性质和该点与场源间的距离，对于不同场源，不同区域，各种场分量 的作用是不相同的。 因此为了确定主要因素，简化计算，有必要对其进行能量分析。 根据电磁场理论，能量密度表达式为 8 DEWE  21 () BHWH   21 () (5) 电偶极子的近场能量密度 将电偶极子近场的电场、磁场分量分别代入 ()、 ()式，可得 010K3K1K30010030101 2 3 4 5 7 1 2 310K3K1K1003010图2 . 2 空 气波阻抗的模值与场点至源点的距离、场源特性的关系 WE＞＞ WH () 这说明电偶极子的近场主要为电场分量，可以忽略磁场分量。 (6) 磁偶极子的近场能量密度 将磁偶极子的电场，磁场分量分别代入 ()、 ()式，可得 WH＞＞ WE () 这说明磁偶极子的近场主要为磁场分量，可以忽略电场分量。 (7) 电偶极子和磁偶极子的远场能量密度 将两种偶极子运场的电场、磁场分量分别代入 ()、 ()式，可得 WE=WH () 这说明在两者的远区场中，电场和磁场分量分量均起非常重要的作用。 通过上面的波阻抗和能量分析，可以看出两类源在近场的差别较大，因此又可根据其波阻抗和能量的性质，将上述两种源称为高阻抗电场源和低阴抗磁场源。 屏蔽分类 从前面的分析得知，对于不同场源，其电场分量和磁场分量总是同时存在的，只是在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场。 高阻抗电场源的近场主要为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。 当频率增高时 ，干扰趋于远场，此时其电场分量和磁场分量均不可忽略。 对于上述三种情况的屏蔽分别称为 ： 电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。 静电屏蔽和恒定磁场的屏蔽是电屏蔽和磁屏蔽的特例。 屏蔽原理 如前所述，不同的辐射干扰源在不同的区域 (不同频率 )，所形成的干扰场性质是不同的，因而屏蔽原理也不相同。 电屏蔽 电屏蔽的实质是减小两个设备 (或两个电路、组件、元件 )间电场感应的影响，它包括静电屏蔽和对高阻抗电场源的近区场即低频时变电场的屏蔽两部分内容。 9 (1)静电屏蔽 根据电磁场理论，置于静电场中的导体在静电平衡的条件 下，内部没有定向运动的电荷流，因此导体中的电场强度必然为零 (外加静电场与在导体上的感应电场的矢量和为零 )。 另有导体的场方程： 000ssEnEnE () 方程表明，导体表面一定存在电荷，电力线起始于正电荷而终止于负电荷，电力线垂直于导体表面。 静电屏蔽正是利用导体在静电场中的性质，来达到屏蔽目的。 如图 所示，屏蔽体内侧感应出等量的负电荷，外侧感应出等量的正电荷。 从图 (b)可看出，仅用屏蔽体将静电场源包围起来，实际上起不 到屏蔽的作用，只有将屏蔽体接地 (图 c)时，才能将静电场源所产生的电力线封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到屏蔽的作用。 (2)低频电场的屏蔽 对于低频电场的屏蔽原理，采用电路理论加以解释较为方便。 因为干扰源与感受器之间的电场感应可用分布电容来进行描述。 设干扰源 g 上有一交变电压 Vg，在其附近有一受感器 s 通过阻抗 Zs 接地，干扰源 g对受感器 s的电场感应作用等效为分布电容 Cj，从而形成了由 Vg、 Cj、 Zg和 Zs 构成的回路 (图 )，在受感器上产生的干扰 Vs 为： gsgj sjs VZZCj ZCjV )(1    () 从式中可以看出分布电容 Cj越大，则受感器受到的干扰越大 (Vs大 )。 为了减小干扰，可在布局时使干扰源与受感器尽量远离，当无法满足要求时，则要采用屏蔽。 为了减少 g对 s的干扰，在两者之间如图 ，使得原来的Cj变为 jjj CCC  、。 由于 jC 较小，故可以忽略， 受感器上被感应的电压 )(1)(1 sjj sjjgj jjs ZZCj ZCjZZCj ZCjV       () 从上面两式可以看出，要使 Vs比较小，则 Zj应比较小，而 Zj为屏蔽体的阻抗 Zm和接地阻抗 Zc之和。 这一事实表明，屏蔽体必须选用导电性能好的材料，必须接地。 只有这样才能有效的减少干扰。 一般情况下，要求接地的接触阻抗小于 2mΩ ， 比较严格的场合要求小于。 若屏蔽体不接地或接地不良，则（ ） （ ） （ ）a b cgZ jZ ssVgZ gVjV s＇Cj＇ Cj＇＇Cj＇＇＇g sEZ gZ sVgg sV ss 10 jj CC＞ (C 与两极板间距成反比，与极板面积成正比 )，这将导致加屏蔽体后，干扰变得更大。 因而对于这点应特别引起注意。 从上面的分析可以看出，电屏蔽的实质是在保证良好接地的条件下，将干扰源发生 的电力线终止于由良导体制成的屏蔽体，从而切断了干扰源与受感器之间的电力线交连。 磁屏蔽 磁屏蔽包括两部分内容：恒定磁场的屏蔽和对低阻抗磁场源的近区场即低频时变磁场的屏蔽。 由 Maxwell方程，磁场的散度和旋度表达式 tDJHB  0 () 磁场的散度恒为零，旋度不为零，表明了自然界不存在磁荷，所以磁力线一定是闭合的。 这个性质说明磁屏蔽无法象电屏蔽那样，将磁力线终止于屏蔽体，而只能利用屏蔽体对磁力线 (磁场 )进行分流，来切断干 扰源与受感器之间的磁力线交连。 图 给出磁屏蔽示意图及等效磁路图 显然磁通在磁屏蔽体中与被屏蔽空间中出现分流。 omom A Bmm A B RVRV  。