屏蔽技术
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电磁屏蔽技术是应用电磁波屏蔽材料对产品及其所处环境进行保护的技术，是抑制电磁辐射的三大关键技术之一，它用导电或导磁材料制成的盒壳、屏板等，将电磁能限制在一定的空间范围内，使其在经过屏蔽体时受到很大的衰减，以减小外界环境中的电磁干扰对产品的影响，同时减小产品对空间的电磁辐射，使产品稳定可靠地工作。电磁屏蔽设计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、连续的导电体，另外是不能有直接穿过屏蔽体的导体。屏蔽体上有很多导电不连续点，最主要的是屏蔽体不同部分接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。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，这种弹性导电材料就是电磁密封衬垫，已经被广泛使用，解决电磁泄漏问题。3)增大吸收值，使电磁波能量在屏蔽材料中吸收转化为热量。与屏蔽相关的测试一般都是在电波暗室里进行的，因为电波暗室可以认为是一个理想的测试场地，外界的电磁干扰不会进入室内影响系统，暗室里通常进行辐射发射、辐射抗扰度、传导发射三项测试。半电波暗室如图1所示，四周及顶部都安装有吸波材料。在屏蔽技术的使用上，为达到良好的效果，应对干扰源进行分析，根据干扰源的实际情况，分别采取不同的方法。（1）当干扰源产生的干扰是以电压方式出现时，应采取电场屏蔽的方法。要求屏蔽壳体良好接地，接地电阻应小于2mΩ。（2）当干扰源产生的干扰是以电流形式出现时，应采取磁场屏蔽的方法。（3）当干扰源的频率低于100kHz时，采用高磁导率的铁磁材料来做屏蔽壳体，屏蔽壳体尽可能厚一些，应注意不能在磁通垂直方向开口。（4）当干扰源的频率高于100kHz时，应采用良导体的材料来做屏蔽壳体，壳体的厚度只考虑满足机械强度的要求，仅0.2～0.8mm即可。屏蔽通常会与辐射联系在一起，因为屏蔽是处理辐射问题最有效的方式，辐射问题一般有辐射发射和辐射抗扰度问题。大多数的产品都采用机箱或机柜结构，影响产品屏蔽性能的主要是产品结构上的孔缝电磁泄漏。由于屏蔽的不连续，导致系统的屏蔽性能成倍下降，甚至影响产品的正常工作。机箱的孔缝会使屏蔽效能损失严重，如图2所示，当电磁场入射到屏蔽体表面时，金属表面会产生电流，当表面电流遇到孔缝时，必须改变流向绕过这个孔缝，电流流向改变会产生电感，随之产生的磁场会恰巧穿过这个孔缝，从而降低屏蔽体的屏蔽效能。在某些频率上还可能出现谐振现象，谐振会将通过孔缝泄漏的电磁信号放大。孔泄漏与多种因素有关，如场源的特性、离开场源的距离、电磁场的频率、孔的大小和形状等。对于某一固定的场源而言，泄漏将随孔面积的增加而增加，在开孔面积相同的情况下，矩形孔比圆孔的泄漏大。通过对屏蔽体孔缝泄漏本质的理解，可以发现，如果将细长的孔缝排成一排，且孔缝的长边与表面电流的流向一致，则孔缝的泄漏会降低很多。当必须在屏蔽体上开设孔洞时，首先，要尽量选择小孔，所谓小孔是指最大尺寸远小于信号波长的孔；其次，孔洞的形状和布置要尽可能地不增加屏蔽体的磁阻和电阻。即使我们使用电焊或者使用螺钉等连接方式将两块金属板固定到一起，认为实现了良好搭接，也不能说明固定点之间有非常低的搭接阻抗。固定点之间的间隙也是一种孔缝，在进行产品设计时，应考虑该孔缝泄漏带来的影响。对于电子设备的通风散热孔，为了尽可能减小通风孔洞的电磁泄漏，可以覆盖金属丝网,金属丝网采用焊接式安装，也可采用环形压圈通过紧固螺钉把金属网安装在屏蔽体的通风孔上。安装配合表面的绝缘涂层、氧化层、油垢等不导电物质一定要除去，目前，市场上已销售自带金属锁边及安装孔的金属丝网，不但安装方便也使结构设计简单化。用穿孔金属板做通风孔，孔洞尺寸越小，屏蔽效能越好，在设计时要以多个小圆孔代替大孔。（1）减少孔缝数量，只允许必须使用的孔缝存在；开孔位置要远离控制CPU区域和电磁波发射区域，减小孔缝对系统的影响。（2）减小孔缝尺寸，将必须存在的孔缝分割成多个尺寸更小的孔缝，使其谐振频率高于所关注信号的最高频率；增加导电接触点，减小缝隙的宽度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度。应使接触面尽量平整，以减小接触阻抗。（3）刮掉接触面之间的绝缘漆，保证良好接触；实行凹凸对接的安装方式，以加大两块金属板之间的重叠面积，提高系统屏蔽性能，如图3所示。（4）减小近场泄漏，保证导线、电缆、PCB元件等远离孔缝，尤其是对于产生噪声的设备、电磁场敏感设备（如模拟放大器等）。（5）减小屏蔽腔体的尺寸，使其谐振频率高于所关注的频率。（6）使用吸波材料抑制机箱谐振；使用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料，对减少孔缝电磁泄漏有良好的作用，已经在很多产品中广泛应用。线缆是产品中不可缺少的组成部分，每个系统都少不了线缆，电源线更是每个系统必不可少的。由前面的介绍可知，系统的孔缝会影响系统的屏蔽性能，而系统的线缆必定产生孔缝，因此如何减小线缆的孔缝泄漏干扰，是线缆设计的重点。线缆在工作中会产生辐射干扰，主要有两方面：共模辐射和差模辐射。对系统屏蔽性能影响最大的是引出线缆和孔缝，其容易产生电磁泄漏，线缆通过传导和辐射对系统形成干扰，如何降低线缆干扰及减小孔缝泄漏，是解决此类干扰问题的主要途径。电缆进、出屏蔽体主要有以下几种形式，其处理措施分别如下。通常情况下需要使用屏蔽电缆，这时的屏蔽效果主要取决于插头的屏蔽效果。连接器屏蔽设计一般是在插针接通以前，连接器的屏蔽环先接地，而在断开时，插针应在连接器外壳脱开以前断开；接到负载线路的插针应该是阴性的或者是凹形的，以避免和连接器外壳上的其他部分发生接触。金属丝编织层由于其质软、实用性强，因此使用在屏蔽电缆上的机会最多。一般屏蔽效能随着编织密度的增加而提高，随着频率的升高而降低。应该注意在系统和分系统设备内使用屏蔽电缆，在系统外使用时一定要两端接地，以减小不必要的电磁耦合和串扰的不良影响。对于电缆可以采用多点接地的方法，即将电缆的屏蔽层两端接地，也可以考虑在中间加一个接地连接器，以便于接地。通过EMI滤波器连接，即电源线通过电源滤波器连接，信号线采用信号线滤波器如滤波连接器、馈通滤波器等转接。此种方式既可滤波，又可实现屏蔽。这种出线方式中滤波器的安装（滤波连接器类似）至关重要。使用滤波器连接既可满足滤波的要求，同时也满足了屏蔽的要求，是对线缆引入/引出孔比较好的处理方法。安装时需要注意将滤波器的外壳紧紧地与设备外壳连接在一起，如果不容易压紧，可以使用导电衬垫进行处理。对于屏蔽电缆，要求电缆在出屏蔽体时屏蔽层必须与屏蔽体进行360°的接触，保证阻抗足够小，而不能仅仅是接通。对于非屏蔽电缆，可以采取套金属编制网、缠金属丝网等方式将电缆出屏蔽体的部分长度变成屏蔽电缆的形式，并按屏蔽电缆的要求将丝网与屏蔽体可靠接触。丝网缠绕的长度与屏蔽要求、线缆直径有关，通常为2～3m。总之，一般情况下不允许直接将电缆从屏蔽体内穿出，而需要将屏蔽层可靠接地。实际应用中主要采取以下方法降低线缆对设备屏蔽效能的影响。（1）线缆的屏蔽层采用360°搭接方式在机箱连接处搭接在机箱屏蔽体上。360°搭接方式是指在线缆与系统连接处，用导电铜带以360°搭接线缆屏蔽层，然后将铜带压接在系统的外壳上，避免“猪尾巴”搭接方式，因为这种接法不但屏蔽效果不好，而且有可能引入新的干扰。（2）对线缆进行滤波。在机箱连接处安装对应的馈通式或贯穿式滤波器。（3）对线缆进行屏蔽。在机箱连接处采用导电衬垫进行360°搭接，减小孔缝电磁泄漏。系统的屏蔽性能直接关系到系统能否长期稳定可靠工作，产品的安装现场环境比较复杂，因此在设计之初，就应该考虑系统屏蔽处理。在产品设计中，应根据产品应用现场具体的干扰进行设计，电屏蔽一般的设计要点如下。（1）屏蔽体必须良好接地。接地质量对屏蔽效能的影响极大，一般要求接触电阻小于2mΩ，在严格的场合下，要求接触电阻小于0.5mΩ。（2）必须正确选择接地点。接地点应靠近被屏蔽的低电平元件的入地点，在电路布置和地线设置时应避免低电平电路的地线中流过强电流。（3）必须合理设计屏蔽体的形状。盒状屏蔽体比板状要好，全封闭的要优于开有窗口和缝隙的，为了获得高屏蔽效能，要尽量缩小开孔面积和减少开孔数量。有研究称，机箱散热孔最好采用直径小于3mm的圆孔，并且均匀分布，这样不利于电磁泄漏，对系统的屏蔽效能影响很小。对通风孔处理的另一种方法是采用截止波导通风板，截止波导通风板是用截止波导管做成的，而截止波导管是一种高通滤波器，具有确定的截止频率，当电磁波的频率低于截止频率时，不能穿过波导管，从而可起到屏蔽的作用，如图5所示。（4）必须合理选择屏蔽材料。在电屏蔽分析中，往往把屏蔽体当作理想导体，但实际屏蔽体具有一定的阻抗，屏蔽体自身阻抗越大，其屏蔽效能就越差，所以屏蔽材料应选择良导体，如铜、铝等。（5）对机箱上的电源线、信号线、控制线等出入孔，另加一块屏蔽板，既可减少这些孔洞的电磁泄漏，又能给这些导线形成一个走线槽，使机箱内布局整齐。（1）屏蔽体的壁厚在满足刚性与强度的要求下，不宜超过2.5mm，一般选择1.0～1.5mm。屏蔽体内壁与被屏蔽对象要留有一定间隙，以防短路。（3）屏蔽体的接缝与通风孔洞的配置要注意方向，尽可能使孔缝的长边平行于磁通流向，圆孔的排列要使磁路的长度增加量最小。屏蔽体接缝尽量避免安排在转角处，因为转角处的电流分布不均匀。（4）要选用高磁导率的铁磁材料，低频磁屏蔽是以屏蔽体的高磁导率所起到的磁分路作用来抑制电感耦合的干扰的。（5）多层屏蔽能显著提高屏蔽效果，在单层屏蔽不能满足要求时，可采用多层屏蔽。（7）必须注意所用的铁磁材料的特性，铁磁材料的磁导率和所处磁场的强度有关，它的最大磁导率发生在中等场强下。根据电磁屏蔽的原理，在设计中，应根据设备的具体要求和生产工艺条件对屏蔽进行整体设计。考虑干扰源的性质、频率，区分是近场区还是远场区，分析仪器本身的辐射发射及耦合方式，找出敏感组件，确定屏蔽要求，再开始电磁屏蔽的设计。对于电子仪器的屏蔽，主要考虑以下因素。系统结构采取哪种结构形式，应根据屏蔽要求进行选择，对于屏蔽要求较高的系统，可选用双层屏蔽，系统的结构应注意整体的电气连续性。在结构设计中，一些结构细节对系统的力学性能也许没有影响，但对屏蔽效果却很重要。对中间装置，以前往往采用底板和盖板薄板形式，用螺钉将它们与框架连接起来，为了密封在它们与框架之间垫上橡胶垫，这样不但底板和盖板与框架之间增加了一道缝，而且其间的电气连续性也只能通过螺钉来联系，大大降低了屏蔽效果，如果底板与盖板之间采用金属接触或者使用导电衬垫，则缝隙宽度会降到最小，屏蔽效果将得到提高，如图6所示。材料的电导率、磁通率越高，屏蔽效果越好，但材料的选用还受到强度、重量、散热性、工艺性等因素的制约。当屏蔽效果不太好时，可考虑对其进行表面处理。壁厚增大，对电磁流的吸收损耗增大，屏蔽效果好，但壁厚受重量等因素的制约，应综合权衡。缝隙会引起电磁波的泄漏，缝隙越长，泄漏越多，设计时主要考虑：（1）减少缝隙数量。采用合理的结构使缝隙数量最小。（2）增加缝隙深度。增加缝隙深度可增大缝隙的传输损耗。（4）改变缝隙的形式。如将平缝改为坡缝，可增大电磁波的反射损耗和传输损耗。（5）用导电垫代替普通垫。导电垫的变形量控制在15%左右，可发挥较好的作用。表面处理直接影响壳体表面的导电性，影响接触面的接触电阻，影响整体壳体的电气连续性,从而影响系统的屏蔽效果。接插件和电缆是传导干扰的重要途径，插座孔还是电磁泄漏的重要部位。因此对于电磁兼容要求高的系统，除选用屏蔽电缆外，还应选用具有屏蔽效果和滤波能力的接插件。系统壳体要具有完好的屏蔽效果，还必须接地良好，这对电屏蔽来说尤为重要。当抑制外界对同轴电缆线的干扰时，应采取屏蔽层一端接地，另一端悬空的连接方法。当同轴电缆中心导线是干扰源时，应采取屏蔽层一端接地，另一端串联一个电阻的方法。这时无论是高频还是低频，对磁屏蔽都能收到良好的效果。这种改进的电磁屏蔽，屏蔽效果可大大改善。当一层屏蔽无法解决问题时，可以考虑多重屏蔽，多重屏蔽的各屏蔽层之间不能连接在一起，其间应该隔以空气或者填充其他介质，否则就失去了多层屏蔽的作用，各层屏蔽体的材质也不应该相同。除了要考虑磁导率外，还要考虑饱和电平。有时由于需要不得不对系统/分系统进行双重甚至更多层的电磁屏蔽。有些系统设备内部电磁环境非常恶劣，使得对外壳屏蔽效能的要求也很高。一般设备中最大的干扰源是振荡电路、电磁器件，这种电路应该用辅助分屏蔽体屏蔽后再装入系统主屏蔽体中。这些分屏蔽体和主屏箱、外屏蔽体/其他分屏蔽体之间只有一个必要的连接点，其余地方必须分开，不能连接。某监控设备，有显示线、鼠标线、键盘线需要引出机柜，进行射频场感应的传导骚扰抗扰度测试时，显示器出现黑屏、闪屏现象，特别是在低频时问题严重，几乎看不到图像。射频场感应的传导骚扰抗扰度测试主要通过耦合方式对线缆进行干扰，线缆的屏蔽性能对测试有很大的影响，如果线缆屏蔽性能好，则电磁干扰就会大部分通过屏蔽层进行泄放，对线缆内部的信号线影响有限。找来屏蔽性能较好的显示线进行对比测试，发现有一定的改善效果，在某些频率下有波纹，但是还是不能完全消除干扰的影响，因此对这些线缆进行二次屏蔽处理，并在线揽的两端进行良好接地。再次进行测试，发现干扰对显示信号没有任何影响了，显示信号在整个测试频率下均正常。（1）屏蔽是射频场感应的传导骚扰抗扰度测试常用的有效方法，对线缆进行屏蔽处理，可使干扰信号在设备的外壳或线缆外屏蔽层被泄放，不对设备内部产生影响，提高线缆及整个系统的抗干扰能力，收到满意的测试效果。（2）根据现象来看，系统主要解决了低频干扰。低频干扰（10MHz以下）最好采用屏蔽处理，高频干扰（10MHz以上）可以通过高频吸收器件（如铁氧体磁环）处理。屏蔽需要注意的地方有屏蔽材料的选取和屏蔽接地的处理，屏蔽材料选取屏蔽效能高的材料，接地采用端头360°搭接技术。
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