電磁兼容屏蔽介紹
作者：常州市聚能屏蔽設(shè)備有限公司 發(fā)布時間：2013-03-26 10:15:20 瀏覽量：0
電磁兼容屏蔽介紹
一、屏蔽原理
1、電磁干擾（Electromagnetic Interference ）能量可通過傳導(dǎo)性耦合或輻射性耦合來進行傳輸。為滿足電磁屏蔽要求，對傳導(dǎo)性耦合需采用濾波技術(shù)，即采用EMI 濾波器件加以抑制；對輻射性耦合則需采用屏蔽技術(shù)加以抑制。
電屏蔽的實質(zhì)是減小兩個設(shè)備（或兩個電路、組件、元件）間電場感應(yīng)的影響。當(dāng)電磁波入射到兩側(cè)為空氣的金屬板時，一部分能量被反射，即反射損耗；透射波在金屬板內(nèi)傳播過程中被衰減的部分稱之吸收損耗；在二界面上被反射到一界面時將再次產(chǎn)生反射，如此循環(huán)往復(fù)，直至能量全部被衰耗和透射。
2、磁屏蔽的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場進行分流。因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導(dǎo)率的材料和設(shè)計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關(guān)鍵因素。
電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場，即同時屏蔽場源所產(chǎn)生的電場和磁場分量。
屏蔽的目的有兩個：一是限制內(nèi)部的電磁能越出某一范圍；二是防止外來的輻射波進入某一區(qū)域。屏蔽就是指在某一殼體內(nèi)（或外）輻射的電磁場不能穿透殼體，該殼體就是電磁屏蔽體。
這個殼體可以是一個機房也可以是一個機柜，也可是一個電纜的外殼（屏蔽電纜）。
各種屏蔽體對輻射干擾的抑制能力均用屏蔽效能（SE）來衡量。此值定義為：沒有屏蔽體時，從輻射干擾源傳輸?shù)娇臻g某一點(P)的場強Eh 和加入屏蔽體后，輻射干擾源傳輸?shù)娇臻g同一點(P)的場強 E v之比，用dB（分貝）表示。
在直流和低頻的電磁場，用接地的良導(dǎo)體作為電屏蔽，導(dǎo)體的電導(dǎo)率值σ越高，加上接地良好，則屏蔽效果越好；用高磁導(dǎo)率材料作為磁屏蔽體，磁導(dǎo)率值越高磁阻越小，磁頻蔽效果越好。
在高頻電磁場中，由于良導(dǎo)體內(nèi)有渦流出現(xiàn)，產(chǎn)生了反向磁場，從而抵消或部分抵消原來穿透導(dǎo)體的磁場，起到了磁屏蔽的作用。與此同時，在導(dǎo)體的這些渦流將使由于高頻電場感應(yīng)的高頻電流集中到靠近高頻電場一邊的導(dǎo)體表面即趨膚效應(yīng)。這意味著高頻電流不易穿透良導(dǎo)體，從而達到了電屏蔽作用。所以說，在微波頻段，良導(dǎo)體就是電磁屏蔽體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率越高，頻率越高，產(chǎn)生的渦流越大，趨膚深度越小，屏蔽層厚度就可以越薄，電磁屏蔽效果仍舊很好。由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽關(guān)鍵的控制要素。
屏蔽效果的好壞不僅與屏蔽材料的性能有關(guān)，也與輻射頻率、屏蔽殼體與輻射源的距離以及殼體上可能存在的各種不連續(xù)的形狀和數(shù)量有關(guān)。
在設(shè)計屏蔽體時，首先應(yīng)該向用戶了解所需屏蔽的輻頻率范圍以及屏蔽區(qū)域屏蔽前的場強以及屏蔽后允許的場強值，兩者的差值即為所需要的屏蔽效果。
屏蔽效果的dB數(shù)值與屏蔽體成本成正比關(guān)系，屏蔽體的SE應(yīng)該根據(jù)用戶的技術(shù)要求、該地區(qū)的環(huán)境條件（尤其干擾強度的大?。┮约翱赡芡度氲馁Y金來確定，能達到實用要求即可。
二、抑制輻射耦合——屏蔽殼體
1、殼體材料選材與厚度確定
屏蔽殼體屏蔽材料的選擇，取決于使用頻率范圍和屏蔽效能的要求。
比如，用于天線測試微波暗室的屏蔽和電磁兼容試驗室的屏蔽，一般要求頻率高、頻帶寬，屏蔽效能高，因此多選用薄鋼板作屏蔽材料。
2、孔隙對屏蔽效能的影響
屏蔽體的泄漏耦合結(jié)構(gòu)與所需抑制的電磁波頻率密切相關(guān)，根據(jù)電磁波傳播理論，隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽關(guān)鍵的控制要素。
根據(jù)孔耦合理論，決定孔縫泄漏量的因素主要有兩個：
a.孔縫面積和孔縫很大線度尺寸。兩者皆大，則泄漏嚴重；
b.面積小而很大線度尺寸大則電磁泄漏仍然較大。
機箱（機柜）接縫
該類縫雖然面積不大，但其很大線度尺寸即縫長卻非常大，由于維修、開啟等限制，致使該類縫成為電子設(shè)備中屏蔽難度很大的一類孔縫，采用導(dǎo)電襯墊等特別屏蔽材料可以地抑制電磁泄漏。
該類孔縫屏蔽設(shè)計的關(guān)鍵在于：合理地選擇導(dǎo)電襯墊材料并進行適當(dāng)?shù)淖冃慰刂啤?br />通風(fēng)孔
該類孔面積和很大線度尺寸較大，通風(fēng)孔設(shè)計的關(guān)鍵在于通風(fēng)部件的選擇與裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在滿足通風(fēng)性能的條件下，應(yīng)盡可能選用屏蔽效能較高的屏蔽通風(fēng)部件。
觀察孔與顯示孔
該類孔面積和很大線度尺寸較大，其設(shè)計的關(guān)鍵在于屏蔽透光材料的選擇與裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
連接器與機箱接縫
這類縫的面積與很大線度尺寸均不大，但由于在高頻時導(dǎo)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(dǎo)發(fā)射變大，往往導(dǎo)致整個設(shè)備的輻射發(fā)射出現(xiàn)超標，為此應(yīng)采用導(dǎo)電橡膠等連接器導(dǎo)電襯墊。
實際屏蔽體上都是同時存在多個泄漏耦合結(jié)構(gòu)（n 個），設(shè)機箱接縫、通風(fēng)孔、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結(jié)構(gòu)的單獨屏蔽效能（如只考慮接縫）為SEi（i=1,2,.，n），屏蔽體的總體屏蔽效能是由各個泄漏耦合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大泄漏耦合的結(jié)構(gòu)所決定的，即由屏蔽薄弱的環(huán)節(jié)所決定的。因此進行屏蔽設(shè)計時，明確不同頻段的泄漏耦合結(jié)構(gòu)，確定很大泄漏耦合要素是其首要的設(shè)計原則。
綜上所述，孔縫抑制的設(shè)計要點歸納為：
a.合理選擇屏蔽材料；
b.合理設(shè)計安裝互連結(jié)構(gòu)。
3．孔隙處理
a.焊縫
用均勻屏蔽理論計算材料屏蔽性能時，均假定屏蔽體是均勻的、理想的封閉體。而實際的屏蔽體是不均勻的，屏蔽殼體是有縫隙和孔洞的，由于屏蔽結(jié)構(gòu)存在一些不完整因素，任何一個屏蔽結(jié)構(gòu)體的屏蔽效能都不可能達到理論計算值。由此可見，屏蔽效果不僅取決于屏蔽材料本身，還要考慮屏蔽結(jié)構(gòu)不完整因數(shù)的影響，當(dāng)有一種或幾種因素的影響，使其達不到屏蔽要求時，整個結(jié)構(gòu)就不能滿足屏蔽要求。
結(jié)構(gòu)不完整性會造成電磁泄漏，通常磁場泄漏比電場泄漏大；高頻時電磁泄漏比低頻時電磁泄漏大；在同樣開口面積下，縫隙泄漏比孔洞泄漏大；大的開口泄漏比代替它的許多小孔泄漏大；縫隙與感生電流方向垂直時的泄漏縫隙與感生電流方向平行時的泄漏大。所以說要達到的屏蔽效果，應(yīng)盡量做到屏蔽結(jié)構(gòu)的完整性。
屏蔽體上的持續(xù)性接縫一般指采用焊接方法將兩金屬板連接在一起，這種持續(xù)性接縫幾乎與金屬本身的射頻阻抗相等。為減少焊后變形和外觀美，采用氣體保護焊（CO2、氬弧焊），焊縫是連續(xù)的，可用探測儀邊焊接邊檢漏，這樣制作出的封閉金屬殼體，方能達到屏蔽要求。
b.屏蔽門
門是屏蔽體的主要進出口，由于門要經(jīng)常啟閉，門縫是一個名副其實的活動縫隙，是影響屏蔽室屏蔽效能的重要部位。
早期使用梳形彈簧片的門與門框的接觸方式，屏蔽效能比較差。為了提高屏蔽效果，目前現(xiàn)行做法是采用門框四周單槽或雙槽，與門扇四周單刀或雙刀型彈性接觸閘刀式門結(jié)構(gòu)，刀刃與槽底部及刀的兩面與槽兩邊的鈹銅彈簧片都形成良好的電接觸，這樣的屏蔽門其屏蔽效能可達80-100dB。
c.管線過壁
進出屏蔽體的電纜饋線種類繁多、形式多樣（電源線、數(shù)據(jù)線、電話線、報警線、視頻線…），對于屏蔽機房來說，還會有水管、空調(diào)等各種管線，這是影響SE的重要部位，需要認真對待，細致處理。
所采取的方法就是將這些管線通過截止波導(dǎo)管作過壁處理。
根據(jù)波導(dǎo)原理：當(dāng)電磁波頻率低于波導(dǎo)管的截止頻率時，在傳輸中將產(chǎn)生很大的衰減，截止波導(dǎo)管就是根據(jù)波導(dǎo)具有高通濾器的特性原理設(shè)計制造的，它對于低于波導(dǎo)截止頻率的電磁波能進行的抑制。
常用的截止波導(dǎo)有圓形，矩形和六角形。
d.通風(fēng)窗
全封閉鋼板式屏蔽體的通風(fēng)散熱與屏蔽效能之間是矛盾的，為了使屏蔽室既達到設(shè)計的屏蔽效能，又能確保通風(fēng)良好，在頻率低于100MHz時，一般采用銅網(wǎng)對孔洞采取隔離措施，頻率高于100MHz就需要采取截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗。
為了獲得足夠的通風(fēng)面積，以滿足所需要的通風(fēng)量，可將很多根截止波導(dǎo)管緊挨著排列在一起，構(gòu)成一組截止波導(dǎo)式通風(fēng)孔陣——截止波導(dǎo)通風(fēng)窗。
截止波導(dǎo)式通風(fēng)窗有圓形孔波導(dǎo)、矩形孔波導(dǎo)和蜂房形波導(dǎo)，只要加工精良，單層的通風(fēng)波導(dǎo)窗在較高的頻率時屏蔽效能可達80～100dB，若要求更高，可采用雙層錯位互疊式的波導(dǎo)通風(fēng)窗。
截止波導(dǎo)通風(fēng)窗特點是：屏蔽效能高，工作頻帶寬，而且風(fēng)阻小，結(jié)構(gòu)可靠生產(chǎn)方便。
截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的安裝需要保證與屏蔽層有良好的連續(xù)的電接觸，否則將達不到預(yù)期的屏蔽效果。
4、接地
電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產(chǎn)生的干擾終止于由良導(dǎo)體制成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導(dǎo)體作為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個關(guān)鍵因素。
良好的基準接地平面是使設(shè)備可靠運行和干擾的基本條件，對于屏蔽體來說，為了避免因電磁感應(yīng)而使屏蔽效能下降，屏蔽體均應(yīng)接大地，使之與大地保持同電位。接地電阻的大小與接地方式（垂直接地還是水平接地，單點接地還是多點接地）接地體的形狀和大小及土壤的電阻率……等要素都有直接關(guān)系。從原則來說，在任何情況下，都可以實現(xiàn)接地電阻小的要求。然而合理的設(shè)計應(yīng)根據(jù)實際土壤的性質(zhì)來進行。如果土壤本身的電阻率很小，就可以使接地方案大大簡化。為了接地方便，我們選擇垂直接地。當(dāng)土壤電阻率為100ΩM時，接地體用直徑50mm的鋼管，長度2.5m，離地面0.8m，要15根，間隔5m并聯(lián)接地，方能滿足接地電阻R≤1Ω的要求。
當(dāng)土壤電阻率為100ΩM時，使用降阻劑，降到10ΩM時，此時用5～10根接地體并聯(lián)接地，就能實現(xiàn)接地電阻R≤1Ω的要求。
三、抑制傳導(dǎo)耦合——濾波器
1、濾波器的要求及種類
電磁波能量通過傳導(dǎo)性耦合對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾我們采用濾波技術(shù)即采用EMI 濾波器件加以抑制。
傳導(dǎo)干擾是通過金屬傳輸導(dǎo)體例如導(dǎo)線或任何金屬結(jié)構(gòu)傳播的干擾。實踐證明，即使對一個經(jīng)過精心設(shè)計并且具有良好屏蔽性的屏蔽體，這些不需要的雜散干擾電平，也會通過電源線、數(shù)據(jù)線、電話線、視頻線等傳導(dǎo)耦合進入系統(tǒng)，至使系統(tǒng)性能降低或引起系統(tǒng)失靈。為確保系統(tǒng)不受這些雜散電平影響，進入屏蔽體內(nèi)的各種傳輸導(dǎo)體需要進行濾波處理。
EMI濾波器是一個集中的或分布的電路元件（如電阻、電感、電容、或它們的等效物）組合的無源網(wǎng)絡(luò)，一般可根據(jù)其電路形式分為T 型、L 型、π型等基本電路形式，針對不同的抑制對象進行不同的設(shè)計，總的來說些網(wǎng)絡(luò)對某些頻率或直流較小反抗，而阻塞或短路其它頻率通道，通用的EMI 濾波器可以定義為一個低通網(wǎng)絡(luò)。
但EMI 濾波器不同于通常的信號處理濾波器，二者所關(guān)心的濾波器指標、使用環(huán)境等都是截然不同的：
普通的低通濾波器關(guān)心幅頻特性、相位特性、波形畸變等。
而EMI 濾波器更關(guān)心插入損耗、能量衰減、截止頻率等參量。
從使用環(huán)境來看，EMI 濾波器在使用中需要考慮源端及負載端的端接阻抗對濾波性能的影響，而且在使用中需要結(jié)合接地技術(shù)與屏蔽措施，才能達到良好的工作狀態(tài)。
2、安裝注意要求
a．濾波器安裝時應(yīng)保證良好接地。
b．濾波器應(yīng)盡量安裝在設(shè)備的入口/出口處。
c．為避免輸入/輸出互相耦合，應(yīng)盡量做到輸入/輸出隔離，至少嚴格禁止濾
波器輸入/輸出線的相互交叉、路徑平行等。
d．若由于位置及空間的限制，無法滿足上述要求。
則濾波器的輸入/輸出線需要采用屏蔽線或高頻吸收線。
