视频在线视频

欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

今天讲第7讲

电磁屏蔽的原理

我们在前面已经介绍了骚扰源传播途径

接下来的几节课我们将介绍

电磁兼容的防护技术

对于一个电子设备

电磁干扰防护的基本方法

就是全方位的包围这样一个敏感的设备

电磁干扰防护的方法可以划分为

空域法

包括隔离、屏蔽 、避雷针和避雷线

疏导法

包括滤波、接地

还有抑制法

包括了限压、限流和保护技术

概括起来可以分为两类

一类是传导的防护技术

包括了滤波、接地、隔离和保护装置

其次是辐射的防护技术

就是电磁屏蔽

屏蔽是电磁干扰防护的最基本的方法

是对电磁干扰进行空域控制的一个基本方法

一个强的电磁干扰经过屏蔽体之后会受到削弱

屏蔽的目的就是防止外部的辐射传入

同时控制内部的辐射传出

因此屏蔽体具有双向性

采用屏蔽的目的就是削弱干扰电场

我们可以看出

屏蔽体它是具有天性效应

外界的电磁场经过屏蔽体

虽然削弱了

但是还有一部分会传到内部

形成电磁干扰

屏蔽效果

它的决定因素有哪些呢

屏蔽效果与材料的性能

它的电导率、磁导率、厚度、频率

以及电磁场的性质和结构有关

一般采用金属导体来作为屏蔽的材料

屏蔽体的材料及结构

取决于屏蔽的性质、类别以及要求

对不同电磁场的屏蔽

有其不同屏蔽机理

下面介绍一个概念

电磁拓普的概念

一个电气设备

由于它具有不同的金属外壳

和内部的金属的屏蔽

这样的话在空间上面

就可以把它的电磁区域划分成不同的区域

以往里面的区域

它受到的外界的电磁辐射就会弱

这样的话我们采取措施时

根据不同的分区来采取相应的措施

这个图给出了电磁拓普的概念

金属屏蔽层

形成了一个围墙

区分于不同的电磁区域

但是砖墙它不具有屏蔽电磁场的功能

所以它不能作为界面

另外一个电气设备系统

它是由各种管线相连的

这些管线会穿透屏蔽层

让外界的电磁干扰引入到不同的区域之内

下面我们介绍电磁场的屏蔽的原理

首先介绍电场的屏蔽的原理

电场屏蔽

是消除或抑制由于电场耦合引起的干扰

一个A物体如果带正电

就会在附近的B物体上产生负电荷

这就是静电感应现象

如果我在A、B之间插入一个金属屏蔽层

我们发现

仍然会在导体B上面产生负电荷

只有当屏蔽层接地的时候

我们发现才会像静电感应耦合把它切除

B上面没有负电荷的产生

因此电场屏蔽的条件

就是完善的屏蔽加良好的接地

屏蔽体不完善或接地不良

则不能起屏蔽作用

或者屏蔽效果差

其次是

静磁场的屏蔽

静磁场的屏蔽

它是消除或抑制磁场耦合引起的干扰

对于静磁场来说

磁力线通过路径称为磁路

磁力线分布的特点是

集中在低磁阻的磁路通道

这样对于静磁场的屏蔽

我们要用高磁导率材料

将磁力线封闭在屏蔽体内

如采用铁、镍钢、坡莫合金等

同时低频的交变磁场的屏蔽的原理

也跟静磁场屏蔽相同

对于静磁场屏蔽来说

屏蔽的接地如何

并不影响它的磁屏蔽的效果

但磁屏蔽体接地也能够对电场

起到一定的屏蔽作用

对于一个好的磁屏蔽来说

必须保证磁路的畅通

即磁阻小

当屏蔽盒需要开一个狭缝的时候

狭缝不能切断磁路

只能与磁通的方向一致

而不能与磁通的方向垂直

对于高频磁场采用的屏蔽原理是涡流效应

高频磁场作用下在导体内会产生涡流

涡流会产生一个反向的磁场

来抵消我们施加的磁场

涡流越大

屏蔽效果就越好

涡流随频率的增加

磁屏蔽效果也越好

当涡流的反向磁场完全排斥干扰磁场时

涡流就不再增大而保留常数

由于趋肤效应

涡流只在材料的表面产生

高频磁场屏蔽

只需要很薄的金属材料

这里问一个问题

高频磁场屏蔽体的厚度由什么决定的呢

实际上是由它的机械强度决定的

对于高频磁场屏蔽的材料

良导体材料

像铜、铝、铜铸银等都可以

最后一个问题就是电磁场的屏蔽

电磁场属于电磁波

电磁场的屏蔽要从波出发

电磁波到达金属屏蔽体时

会产生反射与吸收作用

反射损耗指

不同媒质分界面发生反射

穿过界面的电磁能量受到削弱

等于一个屏蔽体的

两个界面反射损耗的总和

而吸收损耗是指

电磁波在屏蔽体内传播

发热而导致电磁能量的损耗

因此涡流一方面产生反向磁场

抵消原来的干扰磁场

同时会产生热损耗

频率越高

屏蔽体越厚

涡流损耗也就越大

屏蔽体的屏蔽效果用什么来衡量

我们一般采用屏蔽效能

来衡量屏蔽体的屏蔽效果

屏蔽体的屏蔽效果有几种表示方法

第一种是屏蔽系数

屏蔽系数指被干扰的导体

在加屏蔽后

感应的电压Vₛ

与未加屏蔽时的感应电压V₀的比值

可以看出屏蔽系数越小

它的屏蔽效果就会越好

第二个是传输系数

传输系数的话

它是有屏蔽时的电场

和没有屏蔽时的电场的比值

或者是有屏蔽时的磁场

与没有屏蔽磁场的一个比值

可以看出传输系数是越小

它的屏蔽效果就越好

第三个是屏蔽效能

屏蔽效能是用对数来描述的

它是无屏蔽时候的电场

与有屏蔽时的电场的一个比值

可以看出

屏蔽效能是与传输系数成反比的

下面来介绍一个完整屏蔽体的屏蔽效能的计算

一个电磁波在一个屏蔽体内会产生折射和反射

当电磁波入射到

一个屏蔽体的左边的分界面的时候

有折射波进去

折射波到了另外一个界面就会产生反射

反射回来到左边的界面又产生反射

一部分折射出去

一部分反射回去

这样的话

就会形成多次这反射

而右边分界面的多次折反射的结果

就是入射电磁场通过屏蔽体透射后

作用在内部的电磁场

如果入射电磁波经过一个屏蔽体

它会发生衰减

它是以衰减常数a按指数规律来进行衰减

衰减常数

实际上它是趋肤深度的倒数

因此经过一个趋肤深度之后

电磁波剩下了0.37

也就是说63%被衰减了

系数传输系数为e⁻ᵗˡᵟ

δ就是我们的趋肤深度

吸收损耗就是传输系数的倒数

用分贝来描述

可以看出吸收损耗与屏蔽体的厚度成正比

与趋肤深度成反比

对于高频

一般厚度除以趋肤深度是大于10的

因此它的吸收损耗可以达到80分贝以上

厚度每增加一个趋肤深度

吸收损耗可以增加大约9个分贝

电磁骚扰源V₀

在空气的波阻上的电压是V₁

入射波在金属界面的电压是V₂

界面处因为反射它的电压会下降

反射的电压是V₃

这样我们可以计算得到V₁ V₂ V₃

从空气到金属的反射系数

Pam可以由这个公式计算

而从金属到空气表面的反射系数

Pma可以由这个公式计算

它们都是金属波阻抗Zm

和空气的波阻抗Za函数

电磁波通过屏蔽体后

有反射引起的传输系数

是等于1-Pma乘上1-Pam的

它的反射损耗就是

反射传输系数的导数用对数来描述

当空气的波阻抗

与金属波阻抗的比值q远远大于1时

反射损耗R

是等于

20倍的lg(Za/4Zm)

反射损耗与波阻抗有关

电磁波在空气中的波阻抗

可以用平面波的波阻抗Z₀乘上一个系数K

对于远场

电磁场为平面电磁波

与源的性质无关

可以是等于1

对于近场

高阻抗源或电场

它的K系数是与距离和频率成反比的

而对于低阻抗源或磁场

它是与距离和频率成正比的

这样的话根据波阻抗的公式

我们就可以得到

平面波近场的电场

近场的磁场

它对应的反射损耗R的计算公式

这个图给出了

电场、磁场以及电磁场对应的反射损耗

电场的反射损耗

随着频率的增加而降低

近区磁场的反射损耗

随着频率的增加而增加

近区场和远区场的分界面

随着频率的不同而不同

不是一个固定的常数

同一种材料在同一频率下

不同性质的电磁波

它的反射损耗是不一样的

近场的电场反射损耗最大

平面波次之

近场的磁场最小

对于不同材料的反射损耗

它们之间的差值可以由这个公式计算

可以发现它们的差值

是与两种材料的磁导率与电导率的比值相关

因此无论近场或远场

不同材料的反射损耗都相差一个常数

如铜比铁的反射损耗要大37.7分贝

前面我们介绍了

电磁波在一个屏蔽体内部的多次折反射

电磁波在屏蔽体内的多次反射

会引起附加的电磁泄露

因此要在前面的公式进行修正

电磁波穿透屏蔽体总的传输系数可以推导如下

最终它是由三部分构成

包括了吸收损耗

反射损耗

以及多次反射损耗

我们可以推导多次反射损耗

它是与吸收损耗相关的

多次反射损耗的B它是一个负值

它的作用是减小屏蔽效能

当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时

可忽略不计

在高频时

由于屏蔽的厚度与趋肤深度的比值很大

或者吸收损耗A很大

B趋于0可以不考虑

但在低频条件下

我们必须要考虑多次反射损耗

屏蔽体的屏蔽效能

可以用这样一个公式来总体的描述

eᵗˡᵟ是代表的吸收损耗

q/4q代表了反射损耗

后面这一项代表了多次反射

除了极低频之外

多次反射都可以不考虑

这个图给出了

0.5毫米厚的铝板的一个综屏蔽效能

它的吸收损耗随着频率的增高增大

而反射损耗对于电场将随着频率急剧下降

但对于磁场

随着频率增大而增大

因此从综合效能来说

电场是一个u型曲线

平面波也是一个u型曲线

而对于磁场它是一个单调上升的曲线

对于电场 磁场 屏蔽电磁波

在高频时

它的总的屏蔽效能与电磁波的种类

并没有很大的关系

再有一个问题

怎么来屏蔽低频磁场

电场屏蔽

只要厚度大于30微米

在全频率范围内屏蔽效能都会大于120分贝

但是铜对低频磁场的屏蔽效能很差

厚度30μm对50Hz的磁场

几乎是完全透明的

没有任何屏蔽作用

如果要求50Hz的磁场屏蔽效果达到40分贝

则厚度就超过1cm

对于低频磁场来说

它是低频

因此它的吸收损耗很小

它是磁场

它的反射损耗又很小

对于低频磁场的话

我们可以采用组合的屏蔽方式

用高导电的材料把高磁通材料夹在中间

利用高导电材料形成的反射

增加它的屏蔽的效果

这个图给出了磁屏蔽材料的频率特性

我们可以看出

坡莫合金在低频时

具有很高的磁导率

但是随着频率的增加

它的磁导率急剧下降

磁屏蔽材料手册上

给出的指导率大多是在直流情况下获得的

这些材料在高频下它的导磁力也是很低的

另外磁导力具有饱和特性

随着磁场的增加

磁导力也会出现急剧降低的现象

我们可以问一个问题

对于强磁场怎么来进行屏蔽呢

我们仍然可以采用组合结源

我们可以利用一个

低导磁材料和高导磁材料的复合体

低导磁材料虽然它的屏蔽效果不够

但是可以削弱外加的磁场

这样的话

后面这一层高导磁材料就不会发生饱和现象

最后我们总结一下

屏蔽效能

它是由是反射损耗、吸收损耗

多次折返射损耗构成的

电场和平面电磁波的反射损耗都很大

距离电场越远

反射损耗就越大

磁场的反射损耗较低

距离磁场源越近

反射损耗就越小

吸收损耗与电磁波的种类无关

与电磁波的频率有关

频率越高

吸收损耗就越大

材料越厚

吸收损耗也越大

磁场比电场屏蔽更难

低频磁场要用高导磁材料来屏蔽

而对于电场、平面波和高频磁场

使用高导电的材料

就能够实现很好的屏蔽

好

以上就是本讲内容

谢谢各位同学