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电磁屏蔽详解

发布时间:2021/01/04

    一、电磁屏蔽概述

  电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility)缩写EMC,就是指某电子设备既不干扰其它设备,同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样,是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产,而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。

  电子元件对外界的干扰,称为EMI(ElectromagneticInterference);电磁波会与电子元件作用,产生被干扰现象,称为EMS(ElectromagneticSusceptibility)。例如,TV荧光屏上常见的“雪花”,便表示接受到的讯号被干扰。

  因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波)的作用,所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。⑴当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率的金属材料中产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。⑵当干扰电磁波的频率较低时,要采用高导磁率的材料,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去。⑶在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。

  电磁屏蔽一般可分为三种(分类)_电磁屏蔽详解

  电磁屏蔽的原理

  许多人不了解电磁屏蔽的原理,认为只要用金属做一个箱子,然后将箱子接地,就能够起到电磁屏蔽的作用。在这种概念指导下结果是失败。因为,电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素:一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的,另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。

  屏蔽体上有很多导电不连续点,最主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏,如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料,消除不导电点。

  这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。在许多文献中将电磁屏蔽体比喻成液体密封容器,似乎只有当用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能够防止电磁波泄漏。实际上这是不确切的。因为缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波,取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时,并不会产生明显的泄漏。

  屏蔽体

  根据屏蔽目的的不同,屏蔽体可分为静电屏蔽体、磁屏蔽体和电磁屏蔽体三种。

  静电屏蔽体:由逆磁材料(如铜、铝)制成,并和地连接。静电屏蔽体的作用是使电场终止在屏蔽体的金属表面上,并把电荷转送入地。

  磁屏蔽体:由磁导率很高的强磁材料(如钢)制成,可把磁力线限制于屏蔽体内。

  电磁屏蔽体:主要用来遏止高频电磁场的影响,使干扰场在屏蔽体内形成涡流并在屏蔽体与被保护空间的分界面上产生反射,从而大大削弱干扰场在被保护空间的场强值,达到了屏蔽效果。有时为了增强屏蔽效果,还可采用多层屏蔽体,其外层一般采用电导率高的材料,以加大反射作用,而其内层则采用磁导率高的材料,以加大涡流效应。

  如果屏蔽体上出现洞穴或缝隙,将会直接降低屏蔽效果。频率愈高,这种现象愈显著。

  屏蔽效能

  屏蔽体的屏蔽技能可用屏蔽系数或屏蔽衰减来表示。

  在空间防护区内,有屏蔽体存在时的场强(E0或H0)与无屏蔽体存在时的场强(E或H)的比值,即E0/H0或H0/H就称为屏蔽系数。屏蔽系数愈小,说明屏蔽效果愈好。

  屏蔽效果也可用屏蔽衰减来表示,屏蔽衰减代表干扰场强通过屏蔽体受到的衰减值。屏蔽衰减可由电磁屏蔽一般可分为三种(分类)_电磁屏蔽详解求得-单位分贝(dB)。屏蔽衰减值越大,屏蔽效果越好。

  二、电磁屏蔽一般可分为三种(分类)

  1、 静电屏蔽

  静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽依据的原理是:在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布,直到导体内部总场强处处为零为止。接地的封闭金属壳是一种良好的静电屏蔽装置。如图所示,接地的封闭金属壳把空间分割成壳内和壳外两个区域,金属壳维持在零电位。根据静电场的唯一性定理,可以证明:金属壳内的电场仅由壳内的带电体和壳的电位所确定,与壳外的电荷分布无关。当壳外电荷分布变化时,壳层外表面上的电荷分布随之变化,以保证壳内电场分布不变。

  因此,金属壳对内部区域具有屏蔽作用。壳外的电场仅由壳外的带电体和金属壳的电位以及无限远处的电位所确定,与壳内电荷分布无关。当壳内电荷分布改变时,壳层内表面的电荷分布随之变化,以保证壳外电场分布不变。因此,接地的金属壳对外部区域也具有屏蔽作用。在静电屏蔽中,金属壳接地是十分重要的。当壳内或壳外区域中的电荷分布变化时,通过接地线,电荷在壳层外表面和大地之间重新分布,以保证壳层电势恒定。从物理图像上看,因为在静电平衡时,金属内部不存在电场,壳内外的电场线被金属隔断,彼此无联系,因此,导体壳有隔离壳内外静电相互作用的效应。

  如果金属壳未完全封闭,壳上开有孔或缝,也同样具有静电屏蔽作用。在许多实际应用中,静电屏蔽装置常常是用金属丝编织成的金属网代替闭合的金属壳,即使一块金属板,一根金属线,亦有一定的静电屏蔽作用,只是屏蔽的效果不如金属壳。

  在外电场的作用下,电荷在导体上的重新分布,在10-19秒数量级时间内就可完成,因此对低频变化的电场,导体上的电荷有足够长的时间来保证内部场强为零.所以静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果,屏蔽物的电导率应大,接地线要短,与地的接触要良好。

  身穿高压作业服的人,由于被铜丝编织的衣服所包裹,人体内的场强保持为零,因此没有电流从人体中流过,人体是安全的。不过在作业者刚刚接触高压线的一瞬间高压服上的电荷有一个瞬时分布的过程,在这极小的时间内人体会有短暂的微弱电场作用,一般作业者都能经受住这考验。静电屏蔽的特点是一般只考虑到对静电场的屏蔽,封闭导体的屏蔽作用是完全的(即内部场强可达到真正等于零),对屏壁壳的厚度和电导率也无要求。只有在把低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时,总是希望屏蔽壳的电导率愈高愈好。

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  2、静磁屏蔽

  静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域,这时必须用磁性介质做外壳。静磁屏蔽依据的原理可借助并联磁路的概念来说明。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中,则铁壳壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路。由于空气的磁导率接近于1,而铁壳的磁导率至少有几千,所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大的多。这样一来,外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”,“进入”空腔内部的磁通量是很少的,这就达到了磁屏蔽的目的。

  外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响:外壳越厚、磁导率越高,屏蔽的效果就越好。因此,在重量和体积受到限制的情况下,常常采用磁导率高达几万的坡莫合金来做屏蔽壳,而且壳的各个部分要尽量结合紧密,使磁路畅通。

  如果要制造绝对的“静磁真空”,则可以利用超导体的“迈斯纳效应”。即将一块超导体放在外磁场中,其体内的磁感应强度永远为零。超导体是完全抗磁体,具有最理想的静磁屏蔽效果,但目前还不能普遍应用。

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  3、高频电磁场屏蔽

  高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。由于电磁场的变化频率很高(例如百万赫兹或更高),场中导体上的感应电荷已不能再看作静止的了(导体不再处于静电平衡状态),因此必须用电磁波在导体中的“贯穿深度”来说明屏蔽的原理:当高频电磁波射向一导体表面,并进入表面后,它会在导体中感应出一个高频交变电流,此电流会激发一个新的电磁波,新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生还导致入射波场能的消耗,结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减,可以用“贯穿深度”来表示衰减的程度。

  “贯穿深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率及磁导率都有关系:频率越高、电导率越大、磁导率越大“贯穿深度”就越小。当壳罩壁的厚度大于贯穿深度时,壳罩就具有良好的电磁屏蔽作用。高电导率或高磁导率材料制成的壳罩是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳罩材料的电导率或磁导率,增加壳壁的厚度,可以提高电磁屏蔽的效果。

  电磁屏蔽一般可分为三种(分类)_电磁屏蔽详解

  三、电磁屏蔽的应用范围

  笔记本电脑、GPS、ADSL和移动电话等3C产品都会因高频电磁波干扰产生杂讯,影响通讯品质。另若人体长期暴露于强力电磁场下,则可能易患癌症病变。因此防电磁干扰已是必备而且势在必行的制程。导电漆.EMI导电漆喷涂技术具有高导电性、高电磁屏蔽效率、喷涂操作简单(同表面喷漆操作一样只须要在塑胶外壳内喷上薄薄一层导电漆)等特点,广泛应用于通讯制品(移动电话)、电脑(笔记本)、便携式电子产品、消费电子、网络硬件(服务器等)、医疗仪器、家用电子产品和航天及国防等电子设备的EMI屏蔽。


电磁屏蔽一般可分为三种(分类)_电磁屏蔽详解

  屏蔽导电漆就是能用于喷涂的一种油漆干燥形成漆膜后能起到导电的作用,从而屏蔽电磁波干扰的功能。

  屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲,就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。

  导电漆就是用导电金属粉末添加于特定的树脂原料中以制成能够喷涂的的油漆涂料。