屏蔽技术基础
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屏蔽是考量产品外壳性能的一个重要参数，是产品能否抵御外界辐射干扰的一个重要指标，屏蔽性能的好坏直接影响设备的整体性能。电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。电磁屏蔽主要解决系统辐射发射及辐射抗扰度相关问题。在电子或电气设备中，如果导体中有电流或电压的周期性的突变，必将产生较大的di/dt、dv/dt，这些周期性的脉冲信号可以通过电场耦合、磁场耦合、传导耦合、公共阻抗耦合等形成电磁干扰，电磁屏蔽就是处理此类干扰的主要措施之一，即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值。屏蔽是一种近似完美的干扰抑制技术，由于屏蔽不需要与设备进行电气连接，因此不会对设备增加新的故障点，唯一不足的是被屏蔽的电路不是理想的电路，电路在工作中产生热能，使屏蔽体内温度升高，这些热量必须及时地散去，否则会影响设备的正常工作。散热方式主要有三种：辐射、传导和对流。三者之中最有效的方式是对流，它可以是空气的自然对流，也可以是借助于内部排风扇产生的强迫对流。强迫对流的冷却效果更好。屏蔽和散热是互相矛盾的，散热孔一般是一组孔洞，利用风扇进行强迫对流，这些孔洞将会引起电磁泄漏，使屏蔽效果下降，孔洞越大，屏蔽效果越差。通常系统的外壳都配置了散热孔，这种散热孔会影响整个系统的屏蔽性能。为了解决通风散热与屏蔽效能之间的矛盾，使机箱既能达到预期的屏蔽效能，又能确保良好的通风散热，可在箱体的通风孔处采用铝制蜂巢式截止波导通风板，它利用截止波导原理解决通风和屏蔽这对矛盾，具有极好的通风性能和极高的屏蔽性能。屏蔽的作用一方面是对空气中或产品所处的任何环境中（如真空、油等）不需要的信号进行衰减，使绝大部分的能量被反射或吸收，保证产品稳定可靠工作，另一方面屏蔽可以阻止产品向外辐射电磁波，对空间环境起到净化的作用。屏蔽被界定在线缆与线缆之间、系统与系统之间，大到一整套系统，小到一个电子元器件（如微控制器、晶振）。屏蔽是为了保护电子产品系统设备、提高整个系统稳定可靠性的一项技术，一般屏蔽可以处理空间辐射和静电放电干扰。屏蔽技术有两层含义，一是起阻断作用，阻止设备内部和设备工作环境中的干扰通过屏蔽壳体，二是为接触类干扰（如静电等）提供可靠的泄放路径。有资料称屏蔽效能在30dB以上才可以称得上有效屏蔽，屏蔽的理想状态是将系统产品放置在一个完全屏蔽的壳体内，实现完全屏蔽。但是这是不现实的，实际屏蔽的要求是如何提高系统的屏蔽效能，减小电磁泄漏，降低系统因孔缝而产生的电磁泄漏，使系统达到近似完全屏蔽。电磁波能量的衰减程度以屏蔽效能（SE）来表征，屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比，常用分贝数（dB）表示。其值由式（1）求出，分贝值越大，表明屏蔽效果越好，如表1所示。式中，Ei和Et分别为入射和透射电场强度。进行屏蔽设计之前总体指标的分配至关重要，有30dB与70dB准则之说：一般而言，在同一环境中的一对设备，骚扰电平与抗扰度之差小于30dB，设计阶段可不必专门进行屏蔽设计；若两者之差超过70dB，则单靠屏蔽已难保证两者兼容，即使能达到指标，设备成本也将急剧增加。较为可行的办法是对总体指标或方案做出适当调整，30～60dB之间，则是屏蔽设计的常用期望值。屏蔽要求高于上述期望值时，最常用的措施是在整体屏蔽之后内部再加第二重屏蔽。较大的金属平面能够为距其较近的元器件和导线提供足够的屏蔽，为了增强屏蔽效应，金属平面的面积要远大于元器件或导线的尺寸，两者的间距要小于信号最高频率对应波长的1/10，且间距越小越好，但当间距小于1/6波长时，屏蔽效能会变成负的，使电磁发射和抗扰度性能变得更差。金属屏蔽如图1所示，设备在一个金属机壳中，其输入/输出线经过馈线端子引出，保证了机箱的整体屏蔽性能。立体屏蔽有时也叫整体屏蔽，就是将产品放置在一个屏蔽体中，如图2所示。屏蔽也可以在产品内部使用，使产品的某个区域免受其他区域的辐射。一个屏蔽体能够在辐射电磁波传播的路径上产生阻抗的不连续性，将电磁能量反射或吸收，这种立体屏蔽的概念类似于滤波，在电磁波传播的路径上产生阻抗的不连续性。如图3所示，屏蔽体的波阻抗能够在导体的外表面将入射波能量反射回去，剩余能量会作为透射波沿着屏蔽体内部继续传播，由于屏蔽材料的电阻特性，透射波的一部分能量会被屏蔽材料吸收，转化为热量，当透射波到达导体的另一面时，又有一部分能量反射回去，最终穿过屏蔽体的一部分透射波就是经过屏蔽体衰减的电磁波，会剩下很小的一部分，这就是屏蔽的原理。机箱外部的电磁波会被屏蔽体吸收和反射，提高了产品的抗扰度，机箱内部的电磁波也被屏蔽体吸收，减小了产品的电磁发射。当电磁波入射到金属表面时，会在金属上产生表面电流，当透射波穿过屏蔽体时，会在屏蔽体内产生涡流，这就是所谓的“集肤效应”，其性能取决于电磁信号的频率和屏蔽材料的电导率与磁导率。该涡流会消耗一部分能量，将电磁能转化为热量。按照屏蔽的机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。电场屏蔽是用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来（如图4所示），在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。电场屏蔽也称为静电屏蔽。由于金属屏蔽壳接地，外界电场的电力线垂直终止于导体的表面，不能穿过导体，使壳体上电场干扰电压为零，隔断了电场干扰的通道。在高压电场的高阻回路中，电场干扰是一种主要方式，可以用电场屏蔽的方法进行解决。电源变压器的初级和次级之间的屏蔽层也属于这种屏蔽。电场屏蔽主要是为了防止电子元器件或设备间的电容耦合，用于消除回路之间由于分布电容耦合而产生的干扰，它采用金属屏蔽层包封电子元器件或设备，其屏蔽体采用良导体制作并有良好的接地，这样就使电场终止于导体表面，并通过地线中和导体表面的感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰。屏蔽机理：将电场感应看成分布电容间的耦合。静电屏蔽用来防止静电耦合产生的感应。屏蔽壳体采用高导电率材料制作并良好接地，以隔断两个电路之间的分布电容耦合，达到屏蔽作用。静电屏蔽的屏蔽壳体必须接地。如果孤立导体A带有电荷量是Q，则它在空间要产生电场。为消除导体A在空间产生的电场，可用密封的金属球壳把带电体包围起来。若金属壳体不接地，该电荷在球壳外部空间产生电场，就起不到屏蔽作用。如果将金属球壳接地，则球壳外壁的正电荷被引入大地，球壳外壁电位为零，不存在静电场，电场被局限在金属球壳内的空间，起到了屏蔽作用。这是对静电场干扰源的屏蔽，也叫静电场的主动屏蔽。如果空间存在静电场干扰测量电路，可将测量电路用金属球壳罩住，与静电场隔开。不论球壳接地与否，其内部都不存在由外界感应的静电场，阻止了干扰静电场进入球壳内部，起到屏蔽外界静电场的作用。这是对被干扰对象的屏蔽，也叫静电场的被动屏蔽。在实际应用中，屏蔽壳体不可能是全封闭的，如果不接地，电力线会通过未封闭的孔缝侵入屏蔽壳体内部，影响屏蔽性能。所以金属屏蔽体接地是静电场屏蔽的必要条件。静电场是由静止电荷产生的，电荷量不随时间的变化而变化。在实际应用中，电路的电荷是流动的且外电场环境也是随时间变化的，因此不管是由带电导体产生的电场还是空间电场，一般都是交变的。所以交变电场的屏蔽更有实际意义。为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性能好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素，如图5所示。a. 屏蔽板以靠近被保护物为宜，而且屏蔽板的接地必须良好。b. 屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响。全封闭的金属盒最好，但是实际情况做不到。c. 屏蔽板的材料以良导体为好，对厚度无要求，只要有足够的强度就可以了。磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比电场屏蔽要差得多。磁场屏蔽的机理是电磁感应现象。所谓电磁感应，即回路与回路之间的电磁耦合。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而该感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场，产生屏蔽效果。磁场屏蔽用于抑制噪声源和敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。磁场屏蔽是把磁力线封闭在屏蔽体内，从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入，为屏蔽体内外的磁场提供低磁阻的通路来分流磁场。磁场屏蔽的实质是依赖高磁导率材料所具有的小磁阻起磁分路作用，使屏蔽体内部空间的磁场大大减小。磁场屏蔽是为了消除或抑制磁场干扰源与敏感设备间由磁场耦合引起的干扰，对不同频率应当采用不同的磁场屏蔽措施。在磁场频率较低（100kHz以下）时，通常采用铁、硅钢片和坡莫合金材料进行屏蔽。如图6所示，将线圈绕在由铁磁材料制成的闭合环中，则磁力线主要在该闭合环的磁路中通过，向空气中发散的漏磁通很少，抑制了磁场源对附近敏感设备的干扰，起主动屏蔽作用；同样，铁磁材料制成的屏蔽箱置于干扰磁场中，磁力线被集中在屏蔽体通过，不会泄漏到屏蔽体包围的内部空间中去，保证屏蔽箱内的电路、设备不受外部磁场的干扰，起被动屏蔽作用。同时，也把内部磁场封闭在屏蔽体内，阻止其向外发散。所以屏蔽箱同时起主动屏蔽和被动屏蔽的双重作用。低频磁屏蔽技术是利用高导磁率的材料构成磁力线的低磁阻通路，使大部分磁场被封在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好，它是利用铁磁性物质的磁导率高、磁阻小、对干扰磁场进行分路来实现的。屏蔽材料的屏蔽效能主要由吸收损耗和反射损耗两部分构成，低频磁场由于其频率和波阻抗较低，故吸收损耗和反射损耗都很小。为了提高屏蔽材料的屏蔽效能，应重点考虑材料的吸收损耗和反射损耗。为了获得高额的吸收损耗，可以使用磁导率高的材料；但是，磁导率高的材料通常导电性不是很好，这导致了反射损耗减小。为了增加反射损耗，可在高磁导率材料的表面增加一层高导电率的材料。通常采用铁磁性材料如铁、硅钢片、坡莫合金等进行磁场屏蔽。对于低频干扰磁场，由于频率低，感生的涡流电流小，采用导体屏蔽不太有效，一般采用高磁导材料做屏蔽壳体，利用其磁阻小的特点，给干扰源磁通提供低阻回路，从而实现磁场屏蔽。为了提高屏蔽效果，应选择具有一定厚度的材料或采用双层屏蔽，以减小磁阻。变压器铁芯周围用电工钢板包封，可为漏磁提供回路，起到很好的磁场屏蔽作用。低频磁场的屏蔽采用高磁导率的铁磁性材料，利用铁磁性材料的高磁导率对干扰磁场进行分路，使通过空气的磁通大为减少，从而降低对被干扰源的影响，起到磁场屏蔽的作用。由于是磁分路，所以屏蔽材料的磁导率μ越高，屏蔽罩越厚，磁分路流过的磁通就越多，屏蔽效果越好。因此，在铁磁材料一定的条件下，实际应用中采用多层屏蔽提高磁屏蔽的效能。如图7所示，高频磁场屏蔽是利用良导体在入射高频磁场作用下产生涡流，并由涡流的反磁通抑制入射磁场，是利用高导电率材料产生涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。低频磁场屏蔽的方法在高频时不适用，主要原因是铁磁性材料的磁导率随频率的升高而下降，从而使屏蔽效能变差，并且高频时铁磁性材料的磁损增加。因此需要良导体，可以产生很强的感应涡流，常用的屏蔽材料有铝、铜及铜镀银等。高频磁场屏蔽的原理是：屏蔽材料使用铜、铝等金属良导体，如果用金属壳将磁场源（如线圈）包围，则线圈电流产生的高频磁场在金属壳内壁产生涡流，将磁场限制在金属壳内，不向外泄漏，起到主动屏蔽作用；金属壳体外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属壳体，不能进入金属壳体内，又起到了被动屏蔽的作用。磁场的屏蔽与电场的屏蔽不同，屏蔽体接地与否不影响磁屏蔽的效果，但磁屏蔽体对电场起一定的屏蔽作用，因此一般接地。在实际工作中，我们遇到的多是交变电磁场，电场分量和磁场分量同时存在。在低频时，电磁辐射能力不强，主要发生近场干扰。在近场中，根据干扰源性质的不同，电场和磁场分量差别很大，我们一般只考虑主要分量。通常，若辐射源为大电流、低电压，则产生的电磁波中的磁场分量远大于电场分量，称为磁场波；若辐射源为小电流、高电压，则产生的电磁波中的电场分量远大于磁场分量，称为电场波。对于1MHz以下的电子设备中的电磁辐射是近场感应，只需根据场源性质考虑其电场或磁场即可。在高频时，电磁辐射能力加强，发生远场干扰，远场中的电场和磁场都不能忽略，此时需要进行电磁屏蔽。屏蔽机理：主要依靠高导磁材料所具有的低磁阻对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内的磁场大为减弱。当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰。抑制这类干扰，有效的方法是进行磁场屏蔽。磁场屏蔽首先应注意到干扰源的频率高低，因为随干扰频率的不同屏蔽原理也不同，它将涉及屏蔽材料的选用及屏蔽壳体设计、制作等诸多方面的问题，若不进行分析则不可能达到抑制干扰的效果。c. 被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置，以尽量减小通过被屏蔽物体体内的磁通；d. 注意屏蔽体的结构设计，接缝、通风孔等均可能增加屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果；电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。在实际的干扰源中，单纯的电场或磁场是很少见的，通常所说的电磁干扰均是电场和磁场同时存在的高频辐射电磁场。电磁场屏蔽用于抑制干扰源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰，它必须同时屏蔽电场和磁场，通常采用电阻率小的良导体材料。空间干扰电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被衰减，从而起到屏蔽作用。如图8所示，经过屏蔽体的反射和吸收，只有一小部分干扰电磁波进入系统内部，不会对产品造成影响，从而保护了设备不受电磁波的影响。电磁场屏蔽是利用屏蔽体对电场和磁场同时加以屏蔽，一般用来对高频电磁场进行屏蔽。对于频率较高的干扰电压，选择良导体制作屏蔽体，且有良好的接地，则可起到对电场和磁场同时进行屏蔽的效果。但是必须注意，对高频磁场屏蔽的涡流不仅对外来干扰产生抵制作用，同时还可能给被屏蔽体保护的设备内部带来不利的影响，从而产生新的干扰。电磁屏蔽较适用于高频。低频时感应电流小，屏蔽效果差；应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续性，确保感应电流在壳体中流畅，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。当导体上流过高频电流时，导体周围的空间便产生相应变化的电磁场，变化的电磁场一方面向外辐射，另一方面又引起邻近部件的电磁感应，产生干扰信号。电磁场屏蔽技术利用导体上产生的涡流来防止或减弱电磁场的辐射干扰。电磁场屏蔽针对高频电流干扰，并且以屏蔽罩上产生足够的涡流场来抵消干扰磁场，所以屏蔽罩必须以铜、铝等良导体做材料。由于频率很高，屏蔽罩上感生的涡流有集肤效应，所以电磁场屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大，但是屏蔽罩是否连续及开孔大小，能直接影响感生涡流大小，从而影响屏蔽效果。电磁屏蔽的设计要点则是综合上面所述电屏蔽和磁屏蔽的特点，做到既达到电屏蔽要求又达到磁屏蔽要求。① 当电磁场到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续性，对入射波产生反射。这种反射不要求屏蔽材料有一定厚度，只要求交界面上的阻抗不连续。② 未被表面反射而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中被屏蔽材料所衰减，也就是所谓的吸收。③ 在屏蔽体内尚未衰减掉的能量，传到材料的另一面时遇到金属与空气阻抗不连续的交界面，会再次形成反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属交界面上可能产生多次。
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