屏蔽的概念及屏蔽的原理

2011-06-21 16:27:32来源: 互联网

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。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。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

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。因此,当干扰的频率较高时,这时波长较短,就需要使用电磁密封衬垫。具体说,当干扰的频率超过10MHz时,就要考虑使用电磁密封衬垫。

凡是有弹性且导电良好的材料都可以用做电磁密封衬垫。按照这个原理制造的电磁密封衬垫有:

导电橡胶:在硅橡胶内填充占总重量70~ 80%比例的金属颗粒,如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝粉、镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅橡胶良好弹性的特性,同时具有较好的导电性。

金属编织网:用铍铜丝、蒙乃尔丝或不锈钢丝编织成管状长条,外形很像屏蔽电缆的屏蔽层。但它的编织方法与电缆屏蔽层不同,电缆屏蔽层是用多根线编成的,而这种屏蔽衬垫是由一根线织成的。打个形象的比喻,就像毛衣的袖子一样。为了增强金属网的弹性,有时在网管内加入橡胶芯。

指形簧片:铍铜制成的簧片,具有很好的弹性和导电性。导电性和弹性。

多重导电橡胶:由两层橡胶构成,内层是普通硅橡胶,外层是导电橡胶。这种材料克服了传统导电橡胶弹性差的缺点,使橡胶的弹性得以充分体现。它的原理有些像带橡胶芯的金属丝网条。

选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素:屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。不同衬垫材料的特点比较,如表所示。


屏蔽按机理可分为电场屏蔽磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

1 电场屏蔽【屏蔽机理】:将电场感应看成分布电容间的耦合。【设计要点】: a、屏蔽板以靠近受保护物为好,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,但工程中很难做到! c、屏蔽板的材料以良导体为好,但对厚度无要求,只要有足够的强度就可了。

2 磁场屏蔽磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽,其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差的多。【 屏蔽机理】:主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻,对磁通起着分路的作用,使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。【设计要点】: a、选用高导磁材料,如坡莫合金; b、增加屏蔽体的厚度;以上均是为了减小屏蔽体的磁阻; c、被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上,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,凡接缝、通风空等均可能增加屏蔽体的磁阻,从而降低屏蔽效果。 e、对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的,则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料,如硅钢;而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料,如坡莫合金等。反之,如果要屏蔽内部强磁场时,则材料的排列次序要到过来。在安装内外两层屏蔽体时,要注意彼此间的绝缘。当没有接地要求时,可用绝缘材料做支撑件。若需接地时,可选用非铁磁材料(如铜、铝)做支撑件。

3 电磁场屏蔽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。【电磁场屏蔽的机理】: a、当电磁波到达屏蔽体表面时,由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续,对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度,只要求交界面上的不连续; b、未被表面反射掉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; c、在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量,传到材料的另一表面时,遇到金属-空气阻抗不连续的交界面,会形成再次反射,并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。

总之,电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。

【吸收损耗】不同的材料、不同的材料厚度对于电磁波的吸收效果不一样.可根据材料吸收损耗的列线图得出。【反射损耗】分为三类:低阻抗磁场、高阻抗电场、平面波场。其中低阻抗磁场和高阻抗电场的反射损耗列线图计算方法相同,与金属材料、频率及辐射源到屏蔽体的距离有关。对于平面波,波阻抗为一常数,而与辐射源到屏蔽体的距离无关,在列线图中只需连接金属材料和感兴趣的频率就可求出此时的反射损耗值。

4 实际的电磁屏蔽体 【结构材料】 a、适用于底板和机壳的材料大多数是良导体,如铜、铝等,可以屏蔽电场,主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。 b、对磁场的屏蔽需要铁磁材料,如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。 c、在强电磁环境中,要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分,因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。 d、对于塑料壳体,是在其内壁喷涂屏蔽层,或在汽塑时掺入金属纤维。

必须尽量减少结构的电气不连续性,以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度,减少缝隙长度,在结合面上加入导电衬垫,在接缝处涂上导电涂料,缩短螺钉间距离等。

【搭接】 a、在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好的搭接。最坏的电搭接对壳体的的屏蔽效能起决定性作用。 b、保证接缝处金属对金属的接触,以防电磁能的泄漏和辐射。 c、在可能的情况下,接缝应焊接。在条件受限制的情况下,可用点焊、晓间距的铆接和用螺钉来固定。 d、在不加导电衬垫时,螺钉间距一般应小于最高工作频率的1%,至少不大于1/20波长。 e、用螺钉或铆接进行搭接时,应首先在缝的中部搭接好,然后逐渐向两端延伸,以防金属表面的弯曲。 f、保证紧固方法有足够的压力,以便在有变形应力、冲击、震动时保持表面接触。 g、在接缝不平整的地方,或在可移动的面板等处,必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。 h、选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处所使用的频率。 i、选择硬韧性材料做成的衬垫,以便划破金属上的任何表面。 j、保证同衬垫材料配合的金属表面没有任何非导电保护层。 k、当需要活动接触时,使用指形压簧,并要注意保持弹性指簧的压力。 l、导电橡胶衬垫用在铝金属表面时,要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或monel线性衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。


以下是按优先等级排列的各种衬垫。

1 金属网射频衬垫 容易变形,压力为1.4kg/cm时,衰减为54db。 资料表明,频率较低时衰减最大。 用于永久密封较好,不适宜用于开与关的面板。 

2 铜镀合金 有很高的导电性和很好的抗腐蚀性。弹性好,最适合用于和活动面板配合。可制成指条形、螺旋和锯齿面。衰减为100db。

3 导电橡胶 适用于只需名义上连接和少量螺钉的地方。实现水汽密封和电气密封经1500℃、48小时老化后,体电阻率为10~20mω/cm(max)。变形度限制值为25%。资料表明,频率较高时衰减为最大。

4 导电蒙布 在泡沫塑料上蒙一块镀银编织物,形成一个软衬垫,占去大部分疏松空间,主要为民用,适用于 泡沫衬垫 机柜和门板。 

【穿透和开口】

a、要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时,屏蔽效能降低30db以上。 b、电源线进入机壳时,全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外;若滤波器结构不宜穿出机壳,则应在电源线进入机壳出专为滤波器设置一隔舱。 c、信号线、控制线进入/穿出机壳时,要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器适于这种场合使用。 d、穿过屏蔽体的金属控制轴,应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。也可不用接地的金属轴,而用其它轴贯通波导截止频率比工作频率高的园管来做控制轴。 e、必须注意在截止波导孔内贯通金属轴或导线时会严重降低屏蔽效能。 f、当要求使用对地绝缘的金属控制轴时,可用短的隐性控制轴,不调节时,用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。 g、为保险丝、插孔等加金属帽。 h、用导电衬垫和垫圈、螺母等实现钮子开关防泄漏安装。 i、在屏蔽、通风和强度要求高而质量不苛刻时,用蜂窝板屏蔽通风口,最好用焊接方式保持线连接,防止泄漏。 j、尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽,并对所有引线用穿心电容滤波。 k、在不能从后面屏蔽指示器/显示器和对引线滤波时,要用与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器/显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃,在保持合理透光度条件下,对30~1000m的屏蔽效能可达50~110db。在透明塑料或玻璃上镀透明导电膜,其屏蔽效果一般不大于20db。但后者可消除观察窗上的静电积累,在仪器上常用。 

关键字:屏蔽  电磁场

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0621/article_6214.html
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