电磁屏蔽设计与技术应用

1.概述

利用屏蔽体阻挡或减小电磁能量传输技术，抑制电磁干扰。电磁场理论认为有两个电磁空间，在分界面上存在一物体，如该物体的存在而能将这两个电磁空间看成是相互独立存在的，被称为屏蔽，分界面上的物体为屏蔽体。电磁屏蔽，限制某一区域内部的电磁能量泄露干扰区域外部的设备，也防止外部电磁能量进入区域内产生了干扰。

电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用将屏蔽区域与其他区域分开，这些作用与屏蔽体结构表面上和屏蔽体内感应的电荷、电流及极化现象相关。屏蔽分为电场、磁场和电磁屏蔽；电场屏蔽包括静电屏蔽和交变电场屏蔽，磁场屏蔽包括静磁屏蔽和交变磁场屏蔽；电磁屏蔽一般指对辐射场的屏蔽，即对空间传输交变电磁场的屏蔽。

电磁屏蔽效能用屏蔽效能衡量，即空间某点上未加屏蔽时的电场E₀（或磁场H₀）与加屏蔽后该点的电场E（或磁场H）的比，可用公式表示为

由于屏蔽效能的量值宽，在工程中以分贝（dB）为单位，屏蔽效能又可表示为

屏蔽效能数值越大，屏蔽效果就越好。工程设计中屏蔽效能可达120dB以上。实际中，精确求解这类问题是很困难的，常采用一些近似的方法，如电磁屏蔽，将足够大的平面屏蔽看作无限大平面屏蔽，将封闭面屏蔽看作均匀球面屏蔽，将足够长圆柱形屏蔽看作无限长圆柱形屏蔽等。

2.常见屏蔽金属材料

常见屏蔽金属材料的相对电导率和磁导率及屏蔽厚度与吸收损耗的关系见表9-7。可以看出，对于吸收损耗，当频率远大于1MHz时，用0.5mm厚的任何金属板屏蔽体，都能将场强减弱到原先的1%以下。选取材料时，主要考虑材料的机械强度、刚度和防腐等；对低频屏蔽，应用相对磁导率μ_r大的铁磁场性材料，如冷轧钢板、坡莫合金等。

表9-7 常见屏蔽金属材料的相对电导率和磁导率及屏蔽厚度与吸收损耗的关系

（1）屏蔽用金属材料 对高阻抗干扰源和平面波，使用高电导率的金属屏蔽材料；对低阻抗干扰源和磁场，使用高磁导率的铁磁性金属屏蔽材料。常用的金属板屏蔽材料有镀锌钢板、低碳钢板、镀铜钢板和铜板等。常用金属的相对电导率和相对磁导率见表9-8。

表9-8 常用金属的相对电导率和相对磁导率

（2）缝隙屏蔽材料 任何机箱都有缝隙，由于缝隙造成导电不连续，在缝隙处就会产生电磁泄漏。使用电磁密封衬垫可消除缝隙电磁泄漏。缝隙屏蔽材料有金属丝网屏蔽条、导电橡胶和铍铜指形簧片等。

1）金属丝网屏蔽条。用金属丝织成弹性网套，或将金属丝编织的网套覆盖在橡胶和硅橡胶芯上，构成弹性表层导电材料，见图9-20。广泛用于电子设备。通常安装、镶嵌在机柜、机箱装配面处减小缝隙，保持装配面处的导电连续性，确保电子设备的电磁兼容性。

图9-20 金属丝网屏蔽条

2）导电橡胶。将微细导电微粒均匀掺入硅橡胶中，保持橡胶原有的水、汽密封性能，并具有高导电性，见图9-21。主要用于要求密封盒屏蔽频率范围特别宽的场合，适用要求高的中小型电子机箱和微波波导系统。

3）铍铜指形簧片。用铍铜制成各种形式的簧片，见图9-22，形变范围大、屏蔽性能优异、重量轻、安装方式灵活，广泛用于通信、移动电话等电子设备中。

图9-21 导电橡胶

图9-22 铍铜指形簧片

3.薄膜屏蔽材料

很多工程设计中采用塑料机箱，美观、加工方便。为保证屏蔽作用，常用喷涂、真空沉积及贴金属膜技术，在机箱上包一层导电薄膜，即薄膜屏蔽。导电层很薄，吸收损耗小，屏蔽效能主要由反射损耗和多次反射修正因子确定。电磁屏蔽涂料是薄膜屏蔽材料，涂在工程塑料、木材、水泥墙面等，可实现电磁屏蔽。导电铜漆是铜基导电涂料，用于无线电干扰屏蔽和需要高导电表面场合，适用于ABS、PPO等工程塑料表面涂料。图9-23是填银的高效导电聚丙烯涂料。

图9-23 导电聚丙烯涂料

图9-24 金属丝网(www.xing528.com)

4.通风孔屏蔽材料

为保证机箱通风散热，在机箱上留通风孔，如通风孔太大，会降低机箱的屏蔽性能。

（1）金属丝网 金属丝网覆盖在大面积的通风孔上，防止电磁泄漏，见图9-24，结构简单、成本低、通风好，适合于屏蔽要求不高的场合。金属丝网屏蔽效能与网丝直径、网孔枢密程度及网丝材料的电导率有关，直径粗、网孔密、网丝材料的电导率就高，屏蔽性能好。

（2）穿孔金属板 在金属板上打出小孔，通风散热，防电磁泄漏。可直接在金属机壳适当部位打孔，或将打好孔的金属板装在通风孔上，见图9-25，孔径小、板厚，屏蔽效能就好。

图9-25 穿孔金属板

（3）通风截止波导 当电磁波频率低于波导的截止频率时，电磁波在传输时产生衰减很大，用这一特性制成的截止波导通风孔，能有效抑制波导截止频率以下的电磁干扰。单根截止波导横截面形状有矩形、圆形和六角形，见图9-26。波导截止频率与波导结构尺寸有关。

图9-26 截止波导通风孔

1）矩形波导截止频率：

式中 a——矩形波导宽边的尺寸（cm）。

2）圆形波导截止频率：

式中 D——圆形波导的直径（cm）。

3）六角形波导截止频率：

式中 W——六角形内壁外接圆的直径（cm）。

低于波导截止频率的电磁波在波导中传播时的屏蔽效能可表示为

式中 f——干扰信号的频率；

L——截止波导的长度（cm）。

设计截止波导板时，根据欲屏蔽的电磁波最高频率f确定f_co为使波导有足够的衰减，应满足f_c≫f，一般取f_c=（5～10）f。再根据所要求的屏蔽效能计算波导的长度，一般L≥3a，L≥3D或L≥3W。通风截止波导板的结构见图9-27。通风截止波导板的优点是屏蔽效能高、通风好、但体积大、成本高，难平面安装。通常用在屏蔽性能要求高，通风散热量大的屏蔽室或大型设备的通风孔处。

5.观察窗屏蔽材料

屏蔽玻璃，防止电磁泄漏的透光材料，应用于雷达指示器、计算机终端显示器、精密仪器仪表显示窗口及屏蔽式窗口等，由特殊处理后的屏蔽丝网衬于玻璃之间形成的，其结构见图9-28，防电磁泄漏，观察图形不失真，清晰度高。

图9-27 通风截止波导板

图9-28 屏蔽玻璃

6.引线孔屏蔽材料

一般情况下，电子设备通过机箱上的孔进入机箱的导线如电源线、信号线等与其他设备连接，电磁干扰信号可通过这些导线进入机箱造成干扰。对屏蔽性能要求高的电子设备，可在导线进箱处安装适应的电磁干扰滤波器，如电源滤波器、信号滤波器等。信号滤波器的选择原则是，防电磁泄漏的同时有用信号也能通过。为防高频干扰，在导线与外壳间加穿心电容，图9-29是各种电磁干扰滤波器。

图9-29 各种电磁干扰滤波器