淺析電磁輻射的整體屏蔽設(shè)計(jì)

電磁輻射場(chǎng)一般分為近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。以場(chǎng)源為中心，在1個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場(chǎng)；反之，在1個(gè)波長(zhǎng)范圍以外的區(qū)域，通常稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。兩種區(qū)場(chǎng)有著不同的特點(diǎn)：在近區(qū)場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系，一般情況下，對(duì)于電壓高電流小的場(chǎng)源，如發(fā)射天線、饋線等，電場(chǎng)要比磁場(chǎng)強(qiáng)得多；對(duì)于電壓低電流大的場(chǎng)源，如某些感應(yīng)加熱設(shè)備，磁場(chǎng)要比電場(chǎng)大得多。在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)中，所有電磁能量基本上以電磁波的形式輻射傳播，這種場(chǎng)輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場(chǎng)慢得多。在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：E=377H，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的運(yùn)行方向互相垂直，并且都垂直于電磁波的傳播方向。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為弱場(chǎng)，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度均較小。

近區(qū)場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)大得多，電磁輻射對(duì)人體造成影響和損傷主要在近區(qū)場(chǎng)。本文擬就近區(qū)場(chǎng)范圍內(nèi)電磁輻射防護(hù)的整體屏蔽設(shè)計(jì)提供一定的思路做法。

電磁輻射防護(hù)的整體屏蔽設(shè)計(jì)

某雷達(dá)天線工程，發(fā)射頻率為1～3GHz。工作人員需在地下工作大廳內(nèi)24h工作，工作大廳面積約為800～1000m。要求進(jìn)行人員安全防護(hù)的全屏蔽設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求，屏蔽場(chǎng)所內(nèi)電磁屏蔽效能不小于50dB；微波輻射功率密度不大于10I．LW／cm。設(shè)計(jì)前首先要考慮采用的安全指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及施工、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有：GB8702-1988《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》、GB10436-1989(作業(yè)場(chǎng)所微波輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、GJB／Z25—1991《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南》、sJ31470-2002《電磁屏蔽室工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》及GB12190-1990《高性能屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法》。

案例分析：事實(shí)上本設(shè)計(jì)案例中將工作大廳設(shè)于地下就已經(jīng)考慮了電磁輻射對(duì)人員的傷害問題，為了將電磁輻射降到最低，業(yè)主提出了要對(duì)工作大廳進(jìn)行全屏蔽的設(shè)計(jì)處理。我國(guó)對(duì)小范圍的屏蔽室設(shè)計(jì)、施工均有一定經(jīng)驗(yàn)，效果也能保證，但對(duì)案例中的有較多工作人員進(jìn)出、大量的大口徑的進(jìn)出管線處理、大面積屏蔽區(qū)的屏蔽效能要求，如此復(fù)雜的情況比較少見，有相當(dāng)難度。

設(shè)計(jì)思路：采用多層屏蔽的設(shè)計(jì)思路，對(duì)工作大廳進(jìn)行整體屏蔽設(shè)計(jì)，把住各種出入接口的防泄漏措施。進(jìn)出管線相對(duì)集中并利用濾波、接地等技術(shù)進(jìn)行處理，保證屏蔽效果。

1屏蔽作用的簡(jiǎn)單介紹

電磁波遇到金屬表面總要發(fā)生屏蔽效應(yīng)，電磁波能量的一部分向干擾源方向反射，另一部分在金屬內(nèi)耗散，剩余部分穿過該金屬部分向前繼續(xù)傳播。這種屏蔽效應(yīng)可分別看作是入射電場(chǎng)與磁場(chǎng)使屏蔽體表面感應(yīng)電荷，并在屏蔽體內(nèi)感應(yīng)出電流的結(jié)果。感應(yīng)電荷和電流的極性與方向應(yīng)使其伴生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)抵消入射場(chǎng)，從而削弱穿過屏蔽體的電磁場(chǎng)。

2整體屏蔽設(shè)計(jì)

一個(gè)設(shè)備或組件屏蔽殼體的屏蔽效能由若干參數(shù)決定，其中最主要的參數(shù)是入射波的頻率和阻抗、屏蔽材料的固有特性以及屏蔽體不連續(xù)性的形式和數(shù)量。屏蔽體的屏蔽效能由該屏蔽體對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的減弱程度確定。屏蔽效能sE定義為同一地點(diǎn)無屏蔽體存在時(shí)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度與加屏蔽體后的電磁場(chǎng)強(qiáng)度之比

SE=20lg(El／E2)

或SE=20lg(H。／H2)

式中，E。和日．是無屏蔽體時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度；E：和日：是在同一地點(diǎn)加屏蔽體后的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)GB8702-1988本工程設(shè)計(jì)僅考慮電場(chǎng)強(qiáng)度。屏蔽效能由三個(gè)因素決定：吸收損耗、反射損耗和多次反射修正項(xiàng)。本工程設(shè)計(jì)總屏蔽效能是由吸收損耗、反射損耗兩者之和，本工程設(shè)計(jì)中反射修正項(xiàng)可以忽略不計(jì)。

從已有工程經(jīng)驗(yàn)看，在100kHz以上的頻率范圍，單層屏蔽要達(dá)到40dB的屏蔽效能是容易實(shí)現(xiàn)的。本屏蔽設(shè)計(jì)則采用了雙層屏蔽，能很好地達(dá)到要求。但屏蔽效能的精確計(jì)算，即使采取完善裝接的實(shí)心屏蔽體設(shè)計(jì)，也是有一定困難的。對(duì)關(guān)鍵部位，還應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)屏蔽效能。

在整體屏蔽設(shè)計(jì)中，首先優(yōu)先利用建筑結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)的固有屏蔽作用，即本設(shè)計(jì)要求的第一層屏蔽設(shè)計(jì)，參照XQ2-2ooo要求，建筑物內(nèi)外墻結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置成不大于200mmX200mm的網(wǎng)格，并每隔1m左右將鋼筋點(diǎn)焊成整體。非屏蔽區(qū)進(jìn)出風(fēng)口(窗)加設(shè)不大于10mmX10mm的金屬網(wǎng)。此要求主要滿足了防小動(dòng)物進(jìn)入要求，可兼作工作大廳的屏蔽，除需進(jìn)行接地外不做特殊處理。屏蔽區(qū)如有進(jìn)出風(fēng)ISl，要求采用通風(fēng)波導(dǎo)窗。根據(jù)GJB／Z25，屏蔽網(wǎng)的屏蔽效能計(jì)算需進(jìn)行下列計(jì)算：

(1)各屏蔽孔徑(相當(dāng)于許多疊加在一起的截止導(dǎo)波)的衰減效應(yīng)。

(2)窗孔幾何形狀的反射損耗。

(3)發(fā)射天線與屏蔽體的距離遠(yuǎn)大于屏蔽體上孔間距離時(shí)的總開孔面積。

(4)集膚深度。

(5)鄰近孔之間的耦合。

其屏蔽效能只能做近似估算。但根據(jù)GJB／Z25中圖125可知，銅屏蔽網(wǎng)隨著網(wǎng)孔的減小屏蔽效能增加；同時(shí)由表41可知電場(chǎng)作用下屏蔽網(wǎng)孔基本與頻率無關(guān)。如果要求衰減的標(biāo)稱值大于50dB，則柵網(wǎng)孔眼的尺寸應(yīng)不大于用0．38mm銅線制成的、22目銅網(wǎng)的孔眼。第一層屏蔽的作用是有限的，設(shè)計(jì)考慮的目的是在所花代價(jià)很小的前提下，盡量削弱電磁輻射強(qiáng)度。

第二層屏蔽，也可稱主屏蔽層，即在有人工作的工作大廳外墻的上下左右六個(gè)內(nèi)面，采用2mm厚的鋼板圍合形成一個(gè)密閉的空間，也考慮過采用0．5mm鋁箔或金箔，雖然也能達(dá)到屏蔽要求，但太薄除了施工較易外，裝修及使用中避免薄層的顫動(dòng)均有困難，而且大量的進(jìn)出管線與屏蔽層的接口處理也有較大難度，所以設(shè)計(jì)中采用了航天系統(tǒng)的防信號(hào)泄露做法。兩種方法的結(jié)合屏蔽效果如何未作研究。進(jìn)出門均采用專用金屬屏蔽門，與一層連通的樓梯采用金屬樓梯并與一層空間屏蔽隔開。選用2mm厚鋼板除了輻射場(chǎng)較強(qiáng)以外，主要是因?yàn)楣ぷ鞔髲d面積較大，若采用金箔，關(guān)門時(shí)或一陣微風(fēng)都易使其沙沙作響，而采用一定厚度的鋼板，不但可以避免這種現(xiàn)象，同時(shí)也方便了裝修及設(shè)備的安裝。

垂直連通的強(qiáng)弱電豎井亦采用2mm厚的鋼板密封豎井與工作大廳屏蔽形成一個(gè)完整的整體。對(duì)于大廳內(nèi)的在機(jī)架或機(jī)柜內(nèi)使用的設(shè)備，利用其金屬機(jī)柜的固有屏蔽作用，可算作第三層屏蔽，僅起抗干擾作用，保證設(shè)備能正常穩(wěn)定的工作。在整體屏蔽設(shè)計(jì)過程中，細(xì)節(jié)的處理非常重要，泄漏的發(fā)生往往是在以下的細(xì)節(jié)之處。3細(xì)節(jié)處理

3．1進(jìn)出屏蔽區(qū)域的管線要求

進(jìn)出管線有很多種，不同的管線有不同的處理要求。

(1)10kV電力電纜進(jìn)出由高壓電纜的濾波器生產(chǎn)單位少，造價(jià)很高，體積也很大，實(shí)施起來有一定的困難，采用鎧裝電纜經(jīng)過50m以上的屏蔽電纜溝后，進(jìn)入屏蔽電纜溝時(shí)將電纜的鎧裝層與屏蔽層進(jìn)行電氣連接并接地，進(jìn)入屏蔽界面時(shí)將電纜的鎧裝層與屏蔽層再次進(jìn)行電氣連接并接地；但是通過電源端頭耦合進(jìn)來的電磁波較難去除，唯一的辦法就是使電源端在近區(qū)場(chǎng)以外，并盡可能遠(yuǎn)離輻射源。

(2)低壓電纜管線和弱電管線進(jìn)出進(jìn)出屏蔽界面的預(yù)埋管均應(yīng)用**并進(jìn)行接地連接，如圖1所示。弱電電纜要求采用光纖、或自帶良好屏蔽層的電纜；其所走的密封金屬橋架或弱電電纜溝內(nèi)尚應(yīng)鋪設(shè)屏蔽墊層；進(jìn)入屏蔽界面后直接進(jìn)入屏蔽小室或通過濾波器接入設(shè)備，屏蔽效果較好。

圖1預(yù)埋管屏蔽連接示意圖

(3)電纜豎井處的電纜進(jìn)出由于電纜豎井是作為同一個(gè)屏蔽區(qū)域，從電纜豎井至各層機(jī)房(非屏蔽區(qū))的管線處理也非常重要。做法如圖2所示

圖2電線豎井處管線處理

(4)水管進(jìn)出水管等在屏蔽界面處作大于500mm長(zhǎng)的不銹**過渡并加波導(dǎo)，但此做法的效果還有待考證。

(5)風(fēng)管進(jìn)出屏蔽界面的風(fēng)管線均應(yīng)作300～400mm長(zhǎng)的屏蔽轉(zhuǎn)接，空調(diào)進(jìn)出