EMC理論基礎知識——電磁屏蔽理論

　　1、 屏蔽效能的感念

　　屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或減小電磁能傳輸的一種技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限值內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區域，二是防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入某一區域。

　　電磁場(chǎng)通過(guò)金屬材料隔離時(shí)，電磁場(chǎng)的強度將明顯降低，這種現象就是金屬材料的屏蔽作用。我們可以用同一位置無(wú)屏蔽體時(shí)電磁場(chǎng)的強度與加屏蔽體之后電磁場(chǎng)的強度之比來(lái)表征金屬材料的屏蔽作用，定義屏蔽效能（Shielding Effectiveness，簡(jiǎn)稱(chēng) SE）：

　　2、屏蔽體上孔縫的影響

　　實(shí)際上，屏蔽體上面不可避免地存在各種縫隙、開(kāi)孔以及進(jìn)出電纜等各種缺陷，這些缺陷將對屏蔽體的屏蔽效能有急劇的劣化作用。

　　上節中分析的理想屏蔽體在 30MHz 以上的屏蔽效能已經(jīng)足夠高，遠遠超過(guò)工程實(shí)際的需要。真正決定實(shí)際屏蔽體的屏蔽效能的因素是各種電氣不連續缺陷，包括：縫隙、開(kāi)孔、電纜穿透等。

　　屏蔽體上面的縫隙十分常見(jiàn)，特別是目前機柜、插箱均是采用拼裝方式，其縫隙十分多，如果處理不妥，縫隙將急劇劣化屏蔽體的屏蔽效能。

　　3、孔縫屏蔽的總體設計思想

　　根據小孔耦合理論，決定孔縫泄漏量的因素主要有兩個(gè)：孔縫面積和孔縫最大線(xiàn)度尺寸。兩者皆大，則泄漏最為嚴重；面積小而最大線(xiàn)度尺寸大則電磁泄漏仍然較大。如圖所示為一典型機柜示意圖，上面的孔縫主要分為四類(lèi)：

　?。?）機箱（機柜）接縫

　　該類(lèi)縫雖然面積不大，但其最大線(xiàn)度尺寸即縫長(cháng)卻非常大，由于維修、開(kāi)啟等限制，致使該類(lèi)縫成為電子設備中屏蔽難度最大的一類(lèi)孔縫，采用導電襯墊等特殊屏蔽材料可以有效地抑制電磁泄漏。該類(lèi)孔縫屏蔽設計的關(guān)鍵在于：合理地選擇導電襯墊材料并進(jìn)行適當的變形控制。

　?。?）通風(fēng)孔

　　該類(lèi)孔面積和最大線(xiàn)度尺寸較大，通風(fēng)孔設計的關(guān)鍵在于通風(fēng)部件的選擇與裝配結構的設計。在滿(mǎn)足通風(fēng)性能的條件下，應盡可能選用屏效較高的屏蔽通風(fēng)部件。

　?。?）觀(guān)察孔與顯示孔

　　該類(lèi)型孔面積和最大線(xiàn)度尺寸較大，其設計的關(guān)鍵在于屏蔽透光材料的選擇與裝配結構的設計。

　?。?）連接器與機箱接縫

　　這類(lèi)縫的面積與最大線(xiàn)度尺寸均不大，但由于在高頻時(shí)導致連接器與機箱的接觸阻抗急劇增大，從而使得屏蔽電纜的共模傳導發(fā)射變大，往往導致整個(gè)設備的輻射發(fā)射出現超標，為此應采用導電橡膠等連接器導電襯墊。

　　由于輻射源分為近區的電場(chǎng)源、磁場(chǎng)源和遠區的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據輻射源的不同，在材料選擇、結構形狀和對孔縫泄漏控制等方面都有所不同。在設計中要達到所需的屏蔽性能，則需首先確定輻射源，明確頻率范圍，再根據各個(gè)頻段的典型泄漏結構，確定控制要素，進(jìn)而選擇恰當的屏蔽材料，設計屏蔽殼體。

　　綜上所述，孔縫抑制的設計要點(diǎn)歸納為：

　?。?）合理選擇屏蔽材料；

　?。?）合理設計安裝互連結構。

　　4、孔洞泄露的評估

　　機箱上不可避免地會(huì )有各種孔洞，這些孔洞最終決定了屏蔽體的屏蔽效能（假設沒(méi)有電纜穿過(guò)機箱）。一般可以認為，屏蔽機箱在低頻時(shí)的屏蔽效能主要取決于制造屏蔽體的材料，在高頻時(shí)的屏蔽效能主要取決于機箱上的孔洞和縫隙。當電磁波入射到一個(gè)孔洞時(shí)，孔洞的作用是相當于一個(gè)偶極天線(xiàn)。當縫隙的長(cháng)度達到 1/2時(shí)，其輻射效率最高（與縫隙的寬度無(wú)關(guān)）。也就是說(shuō)，它可以入射到縫隙的全部能量輻射出去，如圖所示。

　　在遠場(chǎng)區，如果孔洞的最大尺寸L小于λ/2，一個(gè)厚度為0的材料上的縫隙的屏蔽效能為：

　　如果L大于λ/2，則SE=0（dB）。

　　式中SE──屏蔽效能（dB）；

　　L──孔洞的長(cháng)度（mm）；

　　H──孔洞的寬度（mm）；

　　f──入射電磁波的頻率（MHz）。

　　這個(gè)公式計算的是最壞情況下（造成最大泄露的極化方向）的屏蔽效能，實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì )更高一些。

　　在近場(chǎng)區，孔洞的泄露還與輻射源是磁場(chǎng)源有關(guān)。當輻射源是電場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄露比遠場(chǎng)?。ㄆ帘涡芨撸?；而當輻射源是磁場(chǎng)源時(shí)，孔洞的泄露比遠場(chǎng)大（屏蔽效能低）。對于不同電路阻抗Zc的輻射源，計算公式如下：

　　若ZC＞（7.9/Df）：（電場(chǎng)源）

　　若ZC＜（7.9/Df）：（電場(chǎng)源）

　　式中SE──屏蔽效能（dB）；

　　L──孔洞的長(cháng)度（mm）；

　　H──孔洞的寬度（mm）；

　　f──入射電磁波的頻率（MHz）。

　　這個(gè)公式計算的是最壞情況下（造成最大泄漏的極化方向）的屏蔽效能，實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì )更高一些。

　　需要注意的問(wèn)題是，對于磁場(chǎng)輻射源，孔洞在近場(chǎng)區的屏蔽效能與電磁波的頻率沒(méi)有關(guān)系，也就是說(shuō)，很小的孔洞也可能導致較大的泄漏。這時(shí)影響屏蔽效能的一個(gè)更重要參數是孔洞到輻射源的距離?？锥淳嚯x輻射源越近，泄漏越大。這個(gè)特點(diǎn)往往導致屏蔽體發(fā)生意外的泄漏。因為在屏蔽體上開(kāi)孔的一個(gè)目的是通風(fēng)散熱，這意味著(zhù)會(huì )很自然地將孔洞設計在靠近發(fā)熱源附近，而發(fā)熱源往往是大電流的載體，在其周?chē)休^強的磁場(chǎng)。結果，無(wú)意識地將孔洞開(kāi)在強磁場(chǎng)輻射源的附近。因此，在設計中，要注意孔洞和縫隙要遠離電流載體，例如線(xiàn)路板、電纜、變壓器等。

　　當N個(gè)尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距較近（距離小于λ/2）時(shí)，孔洞陣列的屏蔽效能會(huì )下降，下降數值為10lgN。

　　因為孔洞的輻射有方向性，因此在不同面上的孔洞不會(huì )明顯增加泄漏，利用這個(gè)特點(diǎn)可以在設計時(shí)將孔洞放在屏蔽機箱的不同面，避免某一個(gè)面的輻射過(guò)強。