電磁兼容問題解決方案 電磁屏蔽技術
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1 選擇屏蔽材料
屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強E1與有屏蔽時該位置的場強E2的比值,它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時屏蔽效能的定義公式為:
SE = 20 lg ( E1/ E2 ) (dB)
用這個定義式只能測試屏蔽材料的屏蔽效能,而無法確定應該使用什么材料做屏蔽體.要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數(shù)有關.工程中實用的表征材料屏蔽效能的公式為:
SE = A + R (dB)
式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時發(fā)生的,計算公式為:
A=3.34t(fμrσr) (dB)
t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導率,σr = 材料的電導率,對于特定的材料,這些都是已知的.f = 被屏蔽電磁波的頻率.
式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當電磁波入射到不同媒質的分界面時發(fā)生的,計算公式為:
R=20lg(ZW/ZS)(dB)
式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗.
電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值:Zw = E / H.在距離輻射源較近(λ/2π,稱為近場區(qū))時,波阻抗的值取決于輻射源的性質、觀測點到源的距離、介質特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場波.若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場波.關于近場區(qū)內波阻抗的具體計算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關電磁場方面的參考書.當距離輻射源較遠(>λ/2π,稱為遠場區(qū))時,波波阻抗僅與電場波傳播介質有關,其數(shù)值等于介質的特性阻抗,空氣為377Ω.
屏蔽材料的阻抗計算方法為:
|ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)
f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對磁導率,σr=相對電導率
從上面幾個公式,就可以計算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設計,下面給出一些定性的結論.
● 在近場區(qū)設計屏蔽時,要分別考慮電場波和磁場波的情況;
● 屏蔽電場波時,使用導電性好的材料,屏蔽磁場波時,使用導磁性好的材料;
● 同一種屏蔽材料,對于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對電場波的屏蔽效能最高,對磁場波的屏蔽效能最低,也就是說,電場波最容易屏蔽,磁場波最難屏蔽;
● 一般情況下,材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高;
● 屏蔽電場波時,屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場源時,屏蔽體盡量遠離磁場源;
有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場波.這種磁場波一般由大電流輻射源產生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等.對于這種頻率很低的磁場,只能采用高導磁率的材料進行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金.
2 孔洞和縫隙的電磁泄漏與對策
一般除了低頻磁場外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因為許多設計人員沒有了解電磁屏蔽的關鍵.
首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系.這與靜電場的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場.而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關,這是必須明確的.
電磁屏蔽的關鍵點有兩個,一個是保證屏蔽體的導電連續(xù)性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導電體.另一點是不能有穿過機箱的導體.對于一個實際的機箱,這兩點實現(xiàn)起來都非常困難.
首先,一個實用的機箱上會有很多孔洞和孔縫:通風口、顯示口、安裝各種調節(jié)桿的開口、不同部分結合的縫隙等.屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).
其次,機箱上總是會有電纜穿出(入),至少會有一條電源電纜.這些電纜會極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數(shù)十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內容之一(穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大).
當電磁波入射到一個孔洞時,其作用相當于一個偶極天線(圖1),當孔洞的長度達到λ/2時,其輻射效率最高(與孔洞的寬度無關),也就是說,它可以將激勵孔洞的全部能量輻射出去.
對于一個厚度為0材料上的孔洞,在遠場區(qū)中,最壞情況下(造成最大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實際情況下屏蔽效能可能會更大一些)計算公式為:
SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] (dB)
若 L ≥λ/2,SE = 0 (dB)
式中各量:L = 縫隙的長度(mm),H = 縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz).
在近場區(qū),孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關.當輻射源是電場源時,孔洞的泄漏比遠場時小(屏蔽效能高),而當輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏比遠場時要大(屏蔽效能低).近場區(qū),孔洞的電磁屏蔽計算公式為:
若ZC >(7.9/D?f):
SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL?f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
若Zc(7.9/D?f):
SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]
式中:Zc=輻射源電路的阻抗(Ω),
D = 孔洞到輻射源的距離(m),
L、H = 孔洞長、寬(mm),
f = 電磁波的頻率(MHz)
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