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欢迎各位同学回到电磁兼容课堂

我们接着讲第8讲

电磁屏蔽的分析及其及其设计

我们来看一个电机设备的箱体

它的屏蔽结构是不完整的

可以看出在机箱上面有很许多泄漏源

有通风口、有显示窗、操作按键

以及电源线、信号线进入这个设备的入口

这些都破坏了总体的屏蔽效果

假设有一个无限长的缝隙间g

通过屏蔽体后

泄漏的磁场为

Hg等于H₀e的-πt/g

t屏蔽体的厚度

我们可以看出

缝隙窄而深它的泄露就很小

缝隙宽而浅

泄露就严重

缝隙的衰减量Sg可以用这个式子表达

它是等于27.27乘以t除以g的

因此当缝隙的宽度与屏蔽体的厚度相等时

衰减量Sg大约是27分贝

我们有一个问题

这个缝隙能够做到像不存在一样吗

我们来看看

没有缝隙时屏蔽体的吸收衰减的情况

Hg是等于H₀乘以e⁻ᵗˡᵟ

δ是趋肤深度

因此我们比较这两个公式

当有缝隙时的电磁场的泄露

与无缝隙时电磁场

经过屏蔽体吸收衰减之后的值相等时

这个缝隙是相当于不存在的

g=πδ

也就是说

开的缝隙约等于3.14倍趋肤深度时

小于这样一个值

这个缝隙是相当于不存在的

对于铜来说

当频率是1MHz

它的趋肤深度是0.067mm

三倍的δ大约是0.2mm

在设备的表面会有各种各样的孔

这些孔可以是

电缆的进出线 旋钮

以及操作键形成的

假设孔洞的面积是S

屏蔽体的面积是A

当A远远大于S

且孔洞尺寸比波长小很多的时候

电磁场通过孔洞的传输系数为T

T是等于4倍的S除以A的3/2次方

这里H₀和Hg分别为

屏蔽体孔洞前后的磁场

如果屏蔽体上有几个孔洞

那传输系数要乘上一个n

因此

有孔洞后金属屏蔽体的总的传输系数TS

就是金属板的传输系数

加上n个孔的传输系数

下一个概念是截止波导管

这个图给出了一个孔

也就是我们所谓的波导管

它的损耗的频率特性

频率高的电磁波

能够通过波导管

频率低的电磁波损耗很大

我们可以从这个图上可以看出

它的损耗特性存在一个截止频率

我们把工作在截止区的波导管

叫做截止波导管

也就是说当一个波导管工作在这一个频段时

电磁波是不能通过这个孔的

就相当于这个孔是不存在的

这样的话我们就可以得到波导管的衰减损耗

对应于圆形波导管

矩形波导管

六角形波导管

我们可以得到它的截止频率

截止波长以及对应的衰减损耗

孔洞的直径小于屏蔽板的厚度时

可以看作波导

它的长度为屏蔽板的厚度

而仪器面板上波导管的结构

可以起到旋钮的电磁波的抑制作用

另外在通风板上

通常用蜂窝状的结构

作为波导管来抑制电磁干扰

这个图给出了截止波导管的设计步骤

首先要确定孔洞的泄露

是不是能够满足屏蔽体的要求

来确定截止波导管的截面的形状

然后确定屏蔽体的最高的频率f

然后取5倍的f作为波导管的截止频率fc

然后计算截止波管的截面尺寸

由屏蔽效能

确定截止波导管的长度

另外一种屏蔽体是金属网

金属网有两种结构

一种是网孔金属丝的交叉点焊牢的结构

另外一种是将编织的细金属丝

夹在两块玻璃或者有机玻璃之间

金属网的每个网眼可看作一个小的波导管

频率高于波导管的截止频率

它的电磁波可以自由通过

它的屏蔽效能主要是由反射损耗贡献的

吸收损耗很小

另外多次折反射及其它修正项也很小

一般不予考虑

金属屏蔽网的屏蔽效能

可以按照下面的步骤来定时的估计

当λ小于2b

b是屏蔽网孔的直径

它对应的屏蔽效能是为0的

当λ大于2b时

它的屏蔽效能可以由这样一个公式来计算

它随着频率以20dB/10倍频的速率下降

直至频率达到截止频率为止

下降为0

频率越低

金属网的屏蔽效能就越大

但也存在一个极限值

对于铜和铝网最大的屏蔽效能为110分贝

对于镀锌钢丝网

最大的屏蔽效能为140分贝

电场屏蔽效能高于平面波

磁场是低于平面波的

在电磁干扰的频率范围内

1~100MHz这样一个范围内

金属屏蔽网的屏蔽效能

大概在60~100cm之间

而玻璃夹层的金属屏蔽网

也可以有较大的屏蔽效能

大概在50~90分贝之间

我们知道

电缆的屏蔽一般采用金属编织层

编织屏蔽它比较柔软

容易弯曲

比金属网的屏蔽效果会更好

它主要用在电缆屏蔽

或者屏蔽套管

屏蔽效能很难准确计算

主要要靠实测

单层金属编织屏蔽

屏蔽效能大概是50~60分贝

双层大概增加30分贝

为80~90分贝

另外电气设备

也可以采取薄膜和导电玻璃的屏蔽体

薄膜屏蔽是指厚度远远小于λ/4的屏蔽体

它主要是靠反射损耗

它没有吸收损耗

但多次反射不能完全忽略

导电屏蔽是在透明的玻璃上

喷涂一层导电的金属作为屏蔽体

厚度为μm级

对于导电屏蔽来说

它的电磁屏蔽主要靠反射损耗

大于1MHz以上

屏蔽效能以20dB/10倍频降低

在1GHz左右降到0

最后介绍一下屏蔽体的设计原则

首先我们要确定电磁环境

包括电磁场的类型

强度、频率以及屏蔽体到源的距离等

其次确定敏感设备对屏蔽体的要求

然后我们来选择材料

包括它的电导率

磁导率以及厚度之后

最后我们进行屏蔽体的结构设计

对于电场屏蔽我们要选择高电导率的材料

对于磁场屏蔽

选择铁或者其它高磁导率的材料

如果不能达到要求

在条件的允许下

我们可以增加它的厚度

对于透明的屏蔽室

可以采用金属网

或者采用双层屏蔽

另外所有开口处均按特殊要求来进行设计

同时我们要注意屏蔽室的谐振效应

当单层屏蔽体不能满足要求时

我们可以采用双层屏蔽

另外电屏蔽一般不需要双层实壁屏蔽结构

对于多层屏蔽

用于磁场和电磁场屏蔽

可以选择高磁导率的材料

另外屏蔽层之间不能连在一起

用空气隔开或者填充一些介质材料

各种屏蔽体的材料也不应该相同

电场和磁场混合的双层屏蔽

外层可以采用铜

内层采用铁

最后介绍一下

一些专门的屏蔽元件及接缝的屏蔽

第一类是电磁密封衬垫

包括金属网丝衬垫

指形簧片 螺旋管衬垫以及导电布

另外还有导电胶

可以将这些密封衬垫用在一些屏蔽的缝隙里面

来消除这些缝隙带来的电磁的泄露

当存在缝隙时

如果屏蔽不好

这个缝隙就可以看作

电阻与电容的一个并联的结构

电阻在低频起削弱的作用

电容在高频起主要的削弱的作用

因此我们可以采用这种柔性的电池材料

把缝隙把它填满

来起到电磁屏蔽的效果

另外也可以用机械加工的手段

通过增加紧固件的密度

使用电磁密封衬垫等来改善它的效果

对于显示窗和显示器件的处理方法

显示窗

一般我们可以在前面加一层透明的玻璃

对于显示器件

我们可以把显示器放在内部

则用一个透明的屏蔽层

让光透出来

当然也可以把显示器件放在外部

而穿过屏蔽层

在屏蔽层穿透时采用一些滤波的方法

最好的方法是采用隔离舱的形式

通过滤波器进入到内部

表面用导电的玻璃来进行显示

对于操作器件

可以在屏蔽屏体上开小孔

形成截止波导管

如果屏蔽体比较薄的话

我们要增加一个台阶

来形成截止波导管

当然比较理想的方式也可以采用隔离舱的形式

对于通风口的处理

我们会发现通风口都是开一些小孔

从来没有看到一个通风口开一个很大的孔

它的原理

就是让每一个小孔形成了截止波导管

最后面来介绍一下

屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的一个好的做法

也就是说屏蔽电缆要在接头处与连接件

形成360度的完整的连接

同时在穿透的时候

也可以加用滤波的措施来改善它的效果

这是一种新型的屏蔽材料

可以用于导线穿透屏蔽层时采用

实际上它是一种导电的橡胶

可以很容易地

满足不同导线的要求

形成很好的一个屏蔽的过渡的效果

最后总结一下

决定屏蔽效能的关键因素

是屏蔽体的导电的连续性

和有无导线穿过屏蔽体

所有进出屏蔽体的电缆都需要屏蔽或者滤波

缝隙的泄漏与辐射源距离孔洞缝隙的距离有关

距离越近则泄露越严重

电磁密封衬垫是解决缝隙泄漏的有效的方法

在通风口我们要使用截止波导管

同时要注意保证波导管确实处在截止区

截止波导管内

绝对不能有导体穿过

另外密码上的指示灯 显示窗 操作器件等

都可以采用隔离舱的方式来进行处理

另外也可以在塑料壳上

用导电喷涂的方法来形成屏蔽

以上就是这一讲的内容

谢谢各位