车辆电磁兼容基础：静电、电磁、磁场屏蔽原理

1.静电屏蔽原理

在屏蔽罩接地后干扰电流经屏蔽外层流入大地导体空腔内，无其他带电体的情况下，导体内部和导体的内表面上处处皆无电荷，电荷仅仅分布在导体外表面上。所以腔内的场强和导体内部一样，也处处等于零；各点的电动势均相等，而且与导体电动势相等。因此，如果把空心的导体放在电场中时，电场线将垂直地终止于导体的外表面上，而不能穿过导体进入腔内。这样，放在导体空腔中的物体因空腔导体屏蔽了外电场，而不会受到任何外电场的影响。综上所述，空腔导体（不论是否接地）的内部空间不受外电荷和电场的影响；接地的空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场影响，这种现象称为静电屏蔽，如图5-33所示。

图5-33 空腔导体屏蔽外电场

静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。

空腔导体在外电场中处于静电平衡，其内部的场强总等于零，因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷。如果外壳不接地，则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地。外界对壳内无法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。

这里还须注意：

1）实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。

2）在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。

总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地封闭导体壳外电场不受壳内电荷的影响，这种现象叫静电屏蔽。

2.交变电场屏蔽

交变电场主要是通过分布电容进行耦合的，如图5-34所示。

图5-34 交变电场通过电容耦合

骚扰源1和敏感设备2的对地电位分别为U₁和U₂，则两者间的关系为

式中，C₁为骚扰源1和敏感设备2之间的分布电容；C₂为敏感设备2的对地电容。

从式（5-26）可以明显地看出，要减小U₂就应设法减小C₁或增大C₂；增大1、2间的距离，或在1、2间插入屏蔽板都可以有效地降低C₁；尽量使敏感设备贴近接地面也可以减小C₂。现在假设在1、2间插入屏蔽板（屏蔽板是接地的），如图5-35所示。

由图5-35可见，插入屏蔽板后，C_1S经屏蔽板直接接地，对U₂没有影响。而点2的对地和对屏蔽板的电容C_2S和C_2G实际上是并联的。此时，点2的感应电压U₂是点1电压被1、2之间的剩余电容C₁₂与并联电容C_2S和C_2G的分压，即

又因为1、2间的电场路径变长了，所以C₁₂远小于C₁，而C_2S和C_2G的值也远大于原来的C₂，因此U₂比未屏蔽前小多了。

图5-35 插入屏蔽板后交变电场耦合

通过这个例子可以得知电场屏蔽的几点注意事项：屏蔽板要靠近敏感设备；屏蔽板接地要良好，以便增大C_2S的值；屏蔽板的形状会影响剩余电容的值，对屏蔽性能有很大影响；屏蔽板以良导体为好，对厚度无要求，有一定强度且能保持一定形状就可以了。

3.电磁场屏蔽的原理

电磁场屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽，这也是我们一般意义上屏蔽的俗称。在电场屏蔽和磁场屏蔽的基础上，更利于理解电磁场屏蔽。在物理上，对于电磁场辐射源的周围，常分近场与远场两个范围。辐射源周围称近场，距离辐射源大于λ/2π的范围称远场（λ为波长）。对于近场，若辐射源为高电压小电流，则主要考虑的是电场干扰；若辐射源为低电压大电流，则主要考虑磁场干扰。近场电屏蔽的一种方法就是在感应源与受感器之间加一接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，通过抑制寄生电容耦合，达到电场屏蔽的目的。在远场中，电场与磁场方向相互垂直，但相位相同，以电磁波的形式在空间向四方辐射能量，它对电路的干扰也是以电磁波能量的辐射形式进行的，不能理解为近场中电场与磁场干扰的叠加。远场区辐射的电磁波可以认为是平面波。

屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来衡量，屏蔽效能是指没有屏蔽体时，从辐射骚扰源传输到空间某一点（P）的场强E₁（H₁）和加入屏蔽体后，辐射骚扰源传输到空间同一点（P）的场强E₂（H₂）之比，用dB（分贝）表示。

屏蔽效能表达式为

或

图5-36 屏蔽效能定义示意图

a）屏蔽前 b）屏蔽后

波阻抗与场源和观测点间的距离r的关系如图5-37所示。

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图5-37 波阻抗与场源和观测点间的距离r的关系

4.磁场屏蔽的原理

磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合而引起的干扰。

（1）静磁场的情况 电磁铁或直流线圈产生的磁场均在空间分布磁力线或磁通。磁力线所通过的路径称为磁路。磁力线主要集中在低磁阻（高磁导率）的磁路通过。对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢等，磁力线将“封闭”在屏蔽体内，起到磁屏蔽的作用。

（2）低频交变磁场 磁屏蔽的原理同静磁屏蔽一样，利用高磁导材料作屏蔽体，将磁场约束在屏蔽体材料内，如铁磁性材料。用铁磁性材料将敏感器件包起来后，可以有效地屏蔽直流和低频磁场。因为铁磁性材料的磁导率很高，磁阻很低，从而使外界磁力线很容易集中在该屏蔽材料中，使屏蔽体内的磁场大大减弱。当然实际屏蔽体不可能是完全密封的，这时应注意，缝隙和长条通风孔应顺着磁场方向分布，这样有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻最小。

因此，要想屏蔽外界磁场，似乎磁导率越高、磁阻越低越好。增加屏蔽体的厚度、缩短磁路长度是可以减小磁阻的，但是如果磁导率越高，磁性材料就越容易饱和，在强磁场中会因磁性材料饱和而失去屏蔽性能。一个可行的办法是在铁磁性材料中添加高磁导率、高饱和点的铁合金；另一个常用方法是采用多层甚至多层屏蔽，如图5-38所示。

另外，也可以在垂直磁场的方向上设置金属导体环，环中的感应电流将产生方向相反的磁场，抵消部分外加磁场，达到磁场屏蔽的作用。

磁场的屏蔽不同于电场的屏蔽，屏蔽体接地与否不影响磁屏蔽的效果，但磁屏蔽体对电场也起一定的屏蔽作用，因此一般也接地。电缆屏蔽层的接地情况如图5-39所示。

图5-38 多层屏蔽

图5-39 电缆屏蔽层两端接地

（3）高频磁场 磁屏蔽原理：高频磁场在屏蔽壳体表面感生涡流，根据楞次定律，该涡流将产生一个反磁场来抵消穿过该屏蔽体的磁场，同时增强屏蔽体旁边的磁场，使磁力线绕行而过，起了磁屏蔽作用。高频磁场的屏蔽方法如图5-40所示。

高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好，但应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。频率越高，磁屏蔽效果越好。另外，由于趋肤效应，涡流只会在材料的表面流动，因此，只需一层很薄的金属材料就足以屏蔽高频磁场。

图5-40 高频磁场的屏蔽方法

（4）交变电磁场屏蔽 一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。

综上所述，可以看出，电磁屏蔽材料一定是导电的，这是因为导电材料可以切断电磁波在空气中的传播，起到阻挡电磁干扰的作用，而一个好的电磁屏蔽结构正是在骚扰源或敏感设备周边，根据不同的个体结构特点构建完整的法拉第电笼来实现。其优点是不改变设备本身的电路特性，实现干扰的电磁隔离；其作用效果是两方面的，既阻挡了骚扰源的电磁干扰噪声，又保护了敏感设备不受电磁干扰的特性。应该说这是一种双赢的方案，但其先决条件是必须在骚扰源或敏感设备周围形成完整的导电壁结构。

电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点实现起来颇为困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何使用价值的。一个机壳上会有很多孔缝，屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机壳的其他性能（如美观性、可维修性和可靠性）。如果孔缝尺寸大于λ/2，电磁波就可以毫无衰减地通过。随着孔缝的减小，孔缝对电磁波的衰减作用逐渐显现。通常，工业产品应避免孔缝大于λ/20，在微波环境中甚至要避免大于λ/50。另一方面，由于穿过屏蔽机壳的导体（如电缆）会极大危害屏蔽体，使其屏蔽效能降低，所以妥善处理这些导体是屏蔽设计中的重要内容之一。

在很多场合（如机箱接合面的缝隙长度超过λ/20，或者设备的敏感或发射频率超过100MHz），会使用电磁密封圈。电磁密封圈一般是导电性能良好的衬垫材料，而且足够坚韧，能刺穿金属表面的氧化层。密封圈可以防止缝隙处的高频泄漏，并且降低对机械加工的要求，允许接触面有较低的平整度；可减少接合处的紧固螺钉，增加设备美观性和可维护性。下面对几种密封圈进行比较。

1）金属丝网衬垫：这是一种最常用的电磁密封材料。从结构上分，有全金属丝、空心和橡胶芯三种。常用的金属丝材料为蒙乃尔合金、铍铜、镀锡钢丝等。其屏蔽性能为：低频时的屏蔽效能较高，高频时屏蔽效能较低。一般用在1GHz以下的场合。

主要优缺点：价格低，过量压缩时不易损坏，但高频屏蔽效能较低。

2）导电橡胶：通常用在有环境密封要求的场合。从结构上分，有条材和板材两种。条材又分为空心和实心两种。板材则有不同的厚度，材料为硅橡胶中掺入铜粉、铝粉、银粉、镀铜银粉、镀铝铝粉、镀银玻璃粉等。它在低频时的屏蔽效能较低，而高频时屏蔽效能较高。

主要优缺点：可同时提供电磁密封和环境密封，但较硬，价格高，有时不能刺透金属表面的氧化层，导致屏蔽效能很低。

3）指形簧片：通常用在滑动接触的场合；形状繁多，材料为铍铜，但表面可做不同的涂覆；高频、低频时的屏蔽效能都较高。

主要优缺点：形变大，屏蔽效能高，允许滑动接触，但价格高。

4）螺旋管衬垫：是由铍铜或不锈钢卷成的螺旋管，屏蔽效能高（是所有电磁密封衬垫中屏蔽效能最高的）。

主要优缺点：价格低，屏蔽效能高，但受到过量压缩时容易损坏。

5）导电布衬垫：是由导电布包裹上发泡橡胶芯构成，一般为矩形，带有背胶，安装非常方便。高低频的屏蔽效能均较高。

主要优缺点：价格低，过量压缩时不易损坏，柔软，具有一定的环境密封作用，但频繁摩擦会损坏导电表层。

电磁波屏蔽是对同时存在电场及磁场的高频辐射电磁波的屏蔽，主要用来抑制高频开关干扰。其屏蔽原理如图5-41所示。

首先，当电磁波到达空气与屏蔽体交界面时，由于交界面阻抗不连续，会对入射波产生辐射，从而减少电磁波能量。剩余的电磁波进入屏蔽体后，有一部分能量会转化成热量，导致电磁能损耗。当电磁波到达材料的另一面时，又会遇到屏蔽体与空气的交界面，使阻抗不连续，再次产生反射。经过多项反射和损耗后，只有一小部分电磁场能量能穿过屏蔽体，进入到屏蔽空间。

图5-41 电磁波屏蔽