電磁兼容問題解決方案 電磁屏蔽技術(shù)
加入技術(shù)交流群
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(qiáng)E1與有屏蔽時該位置的場強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(shù)有關(guān).工程中實(shí)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(fā)生的,計算公式為:
A=3.34t(fμrσr) (dB)
t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導(dǎo)率,σr = 材料的電導(dǎo)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(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時發(fā)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(qū))時,波阻抗的值取決于輻射源的性質(zhì)、觀測點(diǎn)到源的距離、介質(zhì)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(chǎn)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(guān)于近場區(qū)內(nèi)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(guān)電磁場方面的參考書.當(dāng)距離輻射源較遠(yuǎn)(>λ/2π,稱為遠(yuǎn)場區(qū))時,波波阻抗僅與電場波傳播介質(zhì)有關(guān),其數(shù)值等于介質(zhì)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(dǎo)率,σr=相對電導(dǎo)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(shè)計,下面給出一些定性的結(jié)論.
● 在近場區(qū)設(shè)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(dǎo)電性好的材料,屏蔽磁場波時,使用導(dǎo)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(dǎo)電性和導(dǎo)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(yuǎn)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(chǎn)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(dǎo)磁率的材料進(jìn)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(shí)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?yàn)樵S多設(shè)計人員沒有了解電磁屏蔽的關(guān)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(guān)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(guān),這是必須明確的.
電磁屏蔽的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個,一個是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體.另一點(diǎn)是不能有穿過機(jī)箱的導(dǎo)體.對于一個實(shí)際的機(jī)箱,這兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來都非常困難.
首先,一個實(shí)用的機(jī)箱上會有很多孔洞和孔縫:通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分結(jié)合的縫隙等.屏蔽設(shè)計的主要內(nèi)容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機(jī)箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).
其次,機(jī)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(shù)十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計中的重要內(nèi)容之一(穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時比孔縫的危害更大).
當(dāng)電磁波入射到一個孔洞時,其作用相當(dāng)于一個偶極天線(圖1),當(dāng)孔洞的長度達(dá)到λ/2時,其輻射效率最高(與孔洞的寬度無關(guān)),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(yuǎn)場區(qū)中,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(qū),孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關(guān).當(dāng)輻射源是電場源時,孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場時小(屏蔽效能高),而當(dāng)輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場時要大(屏蔽效能低).近場區(qū),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)
評論