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電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一.大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決.用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作,因此不需要對電路做任何修改.
1 選擇屏蔽材料
屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強E1與有屏蔽時該位置的場強E2的比值,它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時屏蔽效能的定義公式為:
SE = 20 lg ( E1/ E2 ) (dB)
用這個定義式只能測試屏蔽材料的屏蔽效能,而無法確定應該使用什么材料做屏蔽體.要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數有關.工程中實用的表征材料屏蔽效能的公式為:
SE = A + R (dB)
式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時發生的,計算公式為:
A=3.34t(fμrσr) (dB)
t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導率,σr = 材料的電導率,對于特定的材料,這些都是已知的.f = 被屏蔽電磁波的頻率.
式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當電磁波入射到不同媒質的分界面時發生的,計算公式為:
R=20lg(ZW/ZS)(dB)
式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗.
電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值:Zw = E / H.在距離輻射源較近(<λ/2π,稱為近場區)時,波阻抗的值取決于輻射源的性質、觀測點到源的距離、介質特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場波.若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場波.關于近場區內波阻抗的具體計算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關電磁場方面的參考書.當距離輻射源較遠(>λ/2π,稱為遠場區)時,波波阻抗僅與電場波傳播介質有關,其數值等于介質的特性阻抗,空氣為377Ω.
屏蔽材料的阻抗計算方法為:
|ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)
f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對磁導率,σr=相對電導率
從上面幾個公式,就可以計算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設計,下面給出一些定性的結論.
● 在近場區設計屏蔽時,要分別考慮電場波和磁場波的情況;
● 屏蔽電場波時,使用導電性好的材料,屏蔽磁場波時,使用導磁性好的材料;
● 同一種屏蔽材料,對于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對電場波的屏蔽效能最高,對磁場波的屏蔽效能最低,也就是說,電場波最容易屏蔽,磁場波最難屏蔽;
● 一般情況下,材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高;
● 屏蔽電場波時,屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場源時,屏蔽體盡量遠離磁場源;
有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場波.這種磁場波一般由大電流輻射源產生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等.對于這種頻率很低的磁場,只能采用高導磁率的材料進行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金.
2 孔洞和縫隙的電磁泄漏與對策
一般除了低頻磁場外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因為許多設計人員沒有了解電磁屏蔽的關鍵.
首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系.這與靜電場的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場.而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關,這是必須明確的.
電磁屏蔽的關鍵點有兩個,一個是保證屏蔽體的導電連續性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體.另一點是不能有穿過機箱的導體.對于一個實際的機箱,這兩點實現起來都非常困難.
首先,一個實用的機箱上會有很多孔洞和孔縫:通風口、顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分結合的縫隙等.屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).
其次,機箱上總是會有電纜穿出(入),至少會有一條電源電纜.這些電纜會極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內容之一(穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大).
當電磁波入射到一個孔洞時,其作用相當于一個偶極天線(圖1),當孔洞的長度達到λ/2時,其輻射效率最高(與孔洞的寬度無關),也就是說,它可以將激勵孔洞的全部能量輻射出去.
對于一個厚度為0材料上的孔洞,在遠場區中,最壞情況下(造成最大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實際情況下屏蔽效能可能會更大一些)計算公式為:
SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] (dB)
若 L ≥λ/2,SE = 0 (dB)
式中各量:L = 縫隙的長度(mm),H = 縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz).
在近場區,孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關.當輻射源是電場源時,孔洞的泄漏比遠場時小(屏蔽效能高),而當輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏比遠場時要大(屏蔽效能低).近場區,孔洞的電磁屏蔽計算公式為:
若ZC >(7.9/D·f):
SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
若Zc<(7.9/D·f):
SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]
式中:Zc=輻射源電路的阻抗(Ω),
D = 孔洞到輻射源的距離(m),
L、H = 孔洞長、寬(mm),
f = 電磁波的頻率(MHz)
說明:
● 在第二個公式中,屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系.
● 大多數情況下,電路滿足第一個公式的條件,這時的屏蔽效能大于第二中條件下的屏蔽效能.
● 第二個條件中,假設輻射源是純磁場源,因此可以認為是一種在最壞條件下,對屏蔽效能的保守計算.
● 對于磁場源,屏蔽效能與孔洞到輻射源的距離有關,距離越近,則泄漏越大.這點在設計時一定要注意,磁場輻射源一定要盡量遠離孔洞.
多個孔洞的情況
當N個尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距離小于λ/2)時,造成的屏蔽效能下降為20lgN1/2.在不同面上的孔洞不會增加泄漏,因為其輻射方向不同,這個特點可以在設計中用來避免某一個面的輻射過強.
除了使孔洞的尺寸遠小于電磁波的波長,用輻射源盡量遠離孔洞等方法減小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以減小孔洞的泄漏,這就是截止波導的原理.
一般情況下,屏蔽機箱上不同部分的結合處不可能完全接觸,只能在某些點接觸上,這構成了一個孔洞陣列.縫隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一.減小縫隙泄漏的方法有:
● 增加導電接觸點、減小縫隙的寬度,例如使用機械加工的手段(如用銑床加工接觸表面)來增加接觸面的平整度,增加緊固件(螺釘、鉚釘)的密度;
● 加大兩塊金屬板之間的重疊面積;
● 使用電磁密封襯墊,電磁密封襯墊是一種彈性的導電材料.如果在縫隙處安裝上連續的電磁密封襯墊,那么,對于電磁波而言,就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發生液體泄漏一樣,不會發生電磁波的泄漏.
3 穿過屏蔽體的導體的處理
造成屏蔽體失效的另一個主要原因是穿過屏蔽體的導體.在實際中,很多結構上很嚴密的屏蔽機箱(機柜)就是由于有導體直接穿過屏蔽箱而導致電磁兼容試驗失敗,這是缺乏電磁兼容經驗的設計師感到困惑的典型問題之一.
判斷這種問題的方法是將設備上在試驗中沒有必要連接的電纜拔下,如果電磁兼容問題消失,說明電纜是導致問題的因素.解決這個問題有兩個方法:
● 對于傳輸頻率較低的信號的電纜,在電纜的端口處使用低通濾波器,濾除電纜上不必要的高頻頻率成分,減小電纜產生的電磁輻射(因為高頻電流最容易輻射).這同樣也能防止電纜上感應到的環境噪聲傳進設備內的電路.
● 對于傳輸頻率較高的信號的電纜,低通濾波器可能會導致信號失真,這時只能采用屏蔽的方法.但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接,這往往是很難的.
在電纜端口安裝低通濾波器有兩個方法
● 安裝在線路板上,這種方法的優點是經濟,缺點是高頻濾波效果欠佳.顯然,這個缺點對于這種用途的濾波器是十分致命的,因為,我們使用濾波器的目的就是濾除容易導致輻射的高頻信號,或者空間的高頻電磁波在電纜上感應的電流.
● 安裝在面板上,這種濾波器直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上,如饋通濾波器、濾波陣列板、濾波連接器等.由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入、輸出之間完全隔離,接地良好,導線上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果十分理想.缺點是安裝需要一定的結構配合,這必須在設計初期進行考慮.
由于現代電子設備的工作頻率越來越高,對付的電磁干擾頻率也越來越高,因此在面板上安裝干擾濾波器成為一種趨勢.一種使用十分方便、性能十分優越的器件就是濾波連接器.濾波連接器的外形與普通連接器的外形完全相同,可以直接替換.它的每根插針或孔上有一個低通濾波器.低通濾波器可以是簡單的單電容電路,也可以是較復雜的電路.
解決電纜上干擾的一個十分簡單的方法是在電纜上套一個鐵氧體磁環,這個方法雖然往往有效,但是有一些條件.許多人對鐵氧體寄予了過高期望,只要一遇到電纜輻射的問題,就在電纜上套鐵氧體,往往會失望.鐵氧體磁環的效果預測公式為:
共模輻射改善 =20lg(加磁環后的共模環路阻抗/加磁環前的共模環路阻抗)
例如,如果沒加鐵氧體時的共模環路阻抗為100Ω,加了鐵氧體以后為1000Ω,則共模輻射改善為20dB.
說明:有時套上鐵氧體后,電磁輻射并沒有明顯的改善,這并不一定是鐵氧體沒有起作用,而可能是除了這根電纜以外,還有其他輻射源.
在電纜上使用鐵氧體磁環時,要注意下列一些問題:
● 磁環的內徑盡量小
● 磁環的壁盡量厚
● 磁環盡量長
● 磁環盡量安裝在電纜的端頭處
1 選擇屏蔽材料
屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強E1與有屏蔽時該位置的場強E2的比值,它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時屏蔽效能的定義公式為:
SE = 20 lg ( E1/ E2 ) (dB)
用這個定義式只能測試屏蔽材料的屏蔽效能,而無法確定應該使用什么材料做屏蔽體.要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數有關.工程中實用的表征材料屏蔽效能的公式為:
SE = A + R (dB)
式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時發生的,計算公式為:
A=3.34t(fμrσr) (dB)
t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導率,σr = 材料的電導率,對于特定的材料,這些都是已知的.f = 被屏蔽電磁波的頻率.
式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當電磁波入射到不同媒質的分界面時發生的,計算公式為:
R=20lg(ZW/ZS)(dB)
式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗.
電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值:Zw = E / H.在距離輻射源較近(<λ/2π,稱為近場區)時,波阻抗的值取決于輻射源的性質、觀測點到源的距離、介質特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場波.若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場波.關于近場區內波阻抗的具體計算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關電磁場方面的參考書.當距離輻射源較遠(>λ/2π,稱為遠場區)時,波波阻抗僅與電場波傳播介質有關,其數值等于介質的特性阻抗,空氣為377Ω.
屏蔽材料的阻抗計算方法為:
|ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)
f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對磁導率,σr=相對電導率
從上面幾個公式,就可以計算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設計,下面給出一些定性的結論.
● 在近場區設計屏蔽時,要分別考慮電場波和磁場波的情況;
● 屏蔽電場波時,使用導電性好的材料,屏蔽磁場波時,使用導磁性好的材料;
● 同一種屏蔽材料,對于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對電場波的屏蔽效能最高,對磁場波的屏蔽效能最低,也就是說,電場波最容易屏蔽,磁場波最難屏蔽;
● 一般情況下,材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高;
● 屏蔽電場波時,屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場源時,屏蔽體盡量遠離磁場源;
有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場波.這種磁場波一般由大電流輻射源產生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等.對于這種頻率很低的磁場,只能采用高導磁率的材料進行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金.
2 孔洞和縫隙的電磁泄漏與對策
一般除了低頻磁場外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因為許多設計人員沒有了解電磁屏蔽的關鍵.
首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系.這與靜電場的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場.而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關,這是必須明確的.
電磁屏蔽的關鍵點有兩個,一個是保證屏蔽體的導電連續性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體.另一點是不能有穿過機箱的導體.對于一個實際的機箱,這兩點實現起來都非常困難.
首先,一個實用的機箱上會有很多孔洞和孔縫:通風口、顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分結合的縫隙等.屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).
其次,機箱上總是會有電纜穿出(入),至少會有一條電源電纜.這些電纜會極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內容之一(穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大).
當電磁波入射到一個孔洞時,其作用相當于一個偶極天線(圖1),當孔洞的長度達到λ/2時,其輻射效率最高(與孔洞的寬度無關),也就是說,它可以將激勵孔洞的全部能量輻射出去.
對于一個厚度為0材料上的孔洞,在遠場區中,最壞情況下(造成最大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實際情況下屏蔽效能可能會更大一些)計算公式為:
SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] (dB)
若 L ≥λ/2,SE = 0 (dB)
式中各量:L = 縫隙的長度(mm),H = 縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz).
在近場區,孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關.當輻射源是電場源時,孔洞的泄漏比遠場時小(屏蔽效能高),而當輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏比遠場時要大(屏蔽效能低).近場區,孔洞的電磁屏蔽計算公式為:
若ZC >(7.9/D·f):
SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
若Zc<(7.9/D·f):
SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]
式中:Zc=輻射源電路的阻抗(Ω),
D = 孔洞到輻射源的距離(m),
L、H = 孔洞長、寬(mm),
f = 電磁波的頻率(MHz)
說明:
● 在第二個公式中,屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系.
● 大多數情況下,電路滿足第一個公式的條件,這時的屏蔽效能大于第二中條件下的屏蔽效能.
● 第二個條件中,假設輻射源是純磁場源,因此可以認為是一種在最壞條件下,對屏蔽效能的保守計算.
● 對于磁場源,屏蔽效能與孔洞到輻射源的距離有關,距離越近,則泄漏越大.這點在設計時一定要注意,磁場輻射源一定要盡量遠離孔洞.
多個孔洞的情況
當N個尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距離小于λ/2)時,造成的屏蔽效能下降為20lgN1/2.在不同面上的孔洞不會增加泄漏,因為其輻射方向不同,這個特點可以在設計中用來避免某一個面的輻射過強.
除了使孔洞的尺寸遠小于電磁波的波長,用輻射源盡量遠離孔洞等方法減小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以減小孔洞的泄漏,這就是截止波導的原理.
一般情況下,屏蔽機箱上不同部分的結合處不可能完全接觸,只能在某些點接觸上,這構成了一個孔洞陣列.縫隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一.減小縫隙泄漏的方法有:
● 增加導電接觸點、減小縫隙的寬度,例如使用機械加工的手段(如用銑床加工接觸表面)來增加接觸面的平整度,增加緊固件(螺釘、鉚釘)的密度;
● 加大兩塊金屬板之間的重疊面積;
● 使用電磁密封襯墊,電磁密封襯墊是一種彈性的導電材料.如果在縫隙處安裝上連續的電磁密封襯墊,那么,對于電磁波而言,就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發生液體泄漏一樣,不會發生電磁波的泄漏.
3 穿過屏蔽體的導體的處理
造成屏蔽體失效的另一個主要原因是穿過屏蔽體的導體.在實際中,很多結構上很嚴密的屏蔽機箱(機柜)就是由于有導體直接穿過屏蔽箱而導致電磁兼容試驗失敗,這是缺乏電磁兼容經驗的設計師感到困惑的典型問題之一.
判斷這種問題的方法是將設備上在試驗中沒有必要連接的電纜拔下,如果電磁兼容問題消失,說明電纜是導致問題的因素.解決這個問題有兩個方法:
● 對于傳輸頻率較低的信號的電纜,在電纜的端口處使用低通濾波器,濾除電纜上不必要的高頻頻率成分,減小電纜產生的電磁輻射(因為高頻電流最容易輻射).這同樣也能防止電纜上感應到的環境噪聲傳進設備內的電路.
● 對于傳輸頻率較高的信號的電纜,低通濾波器可能會導致信號失真,這時只能采用屏蔽的方法.但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接,這往往是很難的.
在電纜端口安裝低通濾波器有兩個方法
● 安裝在線路板上,這種方法的優點是經濟,缺點是高頻濾波效果欠佳.顯然,這個缺點對于這種用途的濾波器是十分致命的,因為,我們使用濾波器的目的就是濾除容易導致輻射的高頻信號,或者空間的高頻電磁波在電纜上感應的電流.
● 安裝在面板上,這種濾波器直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上,如饋通濾波器、濾波陣列板、濾波連接器等.由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入、輸出之間完全隔離,接地良好,導線上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果十分理想.缺點是安裝需要一定的結構配合,這必須在設計初期進行考慮.
由于現代電子設備的工作頻率越來越高,對付的電磁干擾頻率也越來越高,因此在面板上安裝干擾濾波器成為一種趨勢.一種使用十分方便、性能十分優越的器件就是濾波連接器.濾波連接器的外形與普通連接器的外形完全相同,可以直接替換.它的每根插針或孔上有一個低通濾波器.低通濾波器可以是簡單的單電容電路,也可以是較復雜的電路.
解決電纜上干擾的一個十分簡單的方法是在電纜上套一個鐵氧體磁環,這個方法雖然往往有效,但是有一些條件.許多人對鐵氧體寄予了過高期望,只要一遇到電纜輻射的問題,就在電纜上套鐵氧體,往往會失望.鐵氧體磁環的效果預測公式為:
共模輻射改善 =20lg(加磁環后的共模環路阻抗/加磁環前的共模環路阻抗)
例如,如果沒加鐵氧體時的共模環路阻抗為100Ω,加了鐵氧體以后為1000Ω,則共模輻射改善為20dB.
說明:有時套上鐵氧體后,電磁輻射并沒有明顯的改善,這并不一定是鐵氧體沒有起作用,而可能是除了這根電纜以外,還有其他輻射源.
在電纜上使用鐵氧體磁環時,要注意下列一些問題:
● 磁環的內徑盡量小
● 磁環的壁盡量厚
● 磁環盡量長
● 磁環盡量安裝在電纜的端頭處
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