电磁兼容中有关电磁屏蔽的设计及工程计算方法的研究

Vol.30No.12010.1船电技术|应用研究35电磁兼容中有关电磁屏蔽的设计及工程计算方法的研究张立伟1李雪花2（1.南京全信传输科技股份有限公司，南京211113；2.南京埃斯顿数字技术有限公司，南京211100）摘要：为了确定电磁屏蔽的屏蔽设计效能，本文采用电磁场传播理论和原理，计算了吸收损耗、反射损耗、二次或多次反射损耗修正系数等以及铜金属板和铁磁金属板的不同频率下的屏蔽效果、多层屏蔽体的屏蔽效果。计算结果显示：屏蔽效能值除了与屏蔽体的材料、结构形式等有关外，还与电磁场源的类型、场源到屏蔽体的距离、电磁场源的频率等有关。关键词：电磁兼容电磁屏蔽屏蔽效能场源工程计算中图分类号：TM774文献标识码：A文章编号：1003-4862(2010)01-0035-06DesignandComputationalMethodofEngineeringElectromagneticshieldinginEMCZhangLiwei1,Lixuehua2(1.NanjingQuanxinCableTechnologyCo.,Ltd，Nanjing211113,China;2.NanjingEstunDigitalTechnologyCo.,Ltd，Nanjing211100,China)Abstract:Inordertoconfirmtheefficiencyofelectromagneticshielding,thispaperusesthespreadingtheoryoftheelectromagneticfieldtocalculateabsorbingloss,reflectingloss,secondaryorrepetitiousreflectinglosscorrectionalquotietyandsoon.Italsocalculatesshieldingeffectivenessofthecopperboardandironboardinthedifferentfrequencyandthescreeningcapabilityofmultilayerobject.Calculatingresultshowsthatinadditiontoshieldingmaterialandthestructureform.etc,shieldingeffectivenessalsoisrelatedtothetape,distanceandfrequencyoffieldsource.Keywords:electromagneticcompatibility(EMC);electromagneticshielding;shieldingeffectiveness;fieldsource;computationalmethodofengineering1引言接地、屏蔽、滤波是抑制电磁干扰的三大技术，这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法[1，2]。屏蔽是利用屏蔽体进行阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。屏蔽作用是通过一个将上述区域封闭起来的壳体实现的[3，4]。这个壳体可以做成实心板式，网状眼孔式以及金属编织式，结构形状可以是平面体状，圆柱体，球壳形或几种组合形状。其所有材料可以是导电的，导磁的，介质的，也可以是带有非金属吸收填料的。2屏蔽的分类根据屏蔽的对象不同，可以把屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽的对象是干扰源，限制由干扰源产生的有害电磁能量向外扩散。被动收稿日期：2009-07-28作者简介：张立伟（1976－），男，高级工程师。研究方向：特种电缆，传输系统、舰船传输线，机车传输线等。船电技术|应用研究Vol.30No.12010.136屏蔽的对象是敏感体，以防止外部电磁干扰对它产生有害影响。根据屏蔽的作用原理，可以分为静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽[5，6]。静电屏蔽的屏蔽体用良导体制作，并有良好的接地。这样就把电场终止于导体表面，并通过地线中和导体表面上感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰。磁屏蔽主要用于低频下，屏蔽体用于高导磁率材料构成低磁阻通路，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，有效防止低频磁场的干扰。电磁屏蔽主要用于高频下，利用电磁波在导体表面上的反射和导体中传播的急剧衰减来隔离时变电磁场的相互耦合，从而防止高频电磁场的干扰。3屏蔽效能工程计算3.1定义各种屏蔽体的性能，均用该屏蔽体的屏蔽效能来定量评价。在电线电缆行业中的电磁屏蔽效果，一般称为屏蔽衰减。屏蔽效能定义为空间某点上未加屏蔽时的电场强度E0（或磁场强度H0）与加屏蔽后该点的电场强度E1（或磁场强度H1）的比值，一般用对数形式表示为：屏蔽效能：10lg20EESE=或10lg20HHSE=（dB）3.2材料的特性阻抗（即本征阻抗）任何均匀材料的特性阻抗（有的参考文献定义为本征阻抗）定义为：ωεσωµjjZi+=其中：ω—角频率（rad/s）；fπω2=f—频率（Hz）；µ—材料的相对导磁率；0µµµ⋅=rµr—材料的相对导磁率；µ0—自由空间的导磁率；（mH/10470−×=πµ）σ—材料的电导率（s/m）；ε—材料的介电常数；εr—材料的相对介电常数；ε0—自由空间的介电常数；（mF/1085.8109411290−×≈××=πε）对于绝缘介质，电导率极地，即ωεσ，如果是空气，00,εεµµ==于是Ω≈==+=37712000πεµωεσωµjjZd对于金属高导电率材料，即ωεσ，于是()σµπσµπωεσωµfjfjjjZm+==+=12其模为：rrmffZσµσµπ71069.32−×=⋅=其中：σ—金属材料电导率，0σσσ⋅=r(s/m)；σ0—铜金属材料电导率，70108.5×=σ（s/m）；σr—材料的相对电导率，即与标准铜材料的比值；表1列举一些典型金属材料的本征阻抗的模值。表1金属本征特性阻抗模值（10－3Ω）f/Hz铜钢铝铅1040.0371.0440.0480.1326×1040.0912.5580.1180.3241050.1183.3030.1530.4182×1050.1664.6710.2160.5915×1050.2637.3850.3410.3951060.37210.440.4831.3221071.1833.031.534.181083.72104.434.82613.22计算公式(Ω)f610372.0−×f61044.10−×f610483.0−×f61032.1−×Vol.30No.12010.1船电技术|应用研究373.3空间中电磁波的波阻抗波阻抗是电磁波的一个重要特性参数，其定义是构成电磁能量传播的电场和磁场分量之比：HEZw=根据基本辐射源的场方程，按以下三种情况下分别计算波阻抗：(1)平面波，即远场区（rλ/2π）自由空间的波阻抗：00120377()wZµπε==≈Ω(2)电场，近场区高阻抗场的波阻抗自由空间远区场的波阻抗为120π，而在近场区时，对于电偶极子作为干扰源的感应场区间，则将出现高阻抗场，并且干扰场主要是电场发生源起主要作用。见图1所示。当rλ/2π时：rjZw01ωε=rfrrjZw0002111επωεωε===其中：r——场源到屏蔽体的距离（m）；(3)磁场，近场区低阻抗场的波阻抗同理，近场区，磁流元作为干扰源的感应场区间，即磁场源发生器近距场区间，则将出现低阻抗场，见图2所示。图1高阻抗场的电场发生源和电磁波图2低阻抗场的电场发生源和电磁波图3空间阻抗和距发生源的距离当rλ/2π时：rjZwωµ=rfrrjZw002µπωµωµ===根据以上所述，分析绘制波阻抗与发生源之间距离的关系图如图3所示。3.4屏蔽效能计算实心平板型屏蔽是把屏蔽体看成一个结构上完整的、电气上连续均匀的无限金属板。如图4船电技术|应用研究Vol.30No.12010.138所示，无限大均匀屏蔽体对平面电磁波进行半空间屏蔽的情况。图4实心平板结构的屏蔽体假设金属平板左右两侧均为空气，因而在左右两个界面上出现波阻抗突变，入射电磁波在界面上就产生反射和透射。在左边的界面上，入射波的一部分被反射回空气中。从电磁屏蔽的作用看，一部分电磁能量被反射，就是屏蔽体对电磁波衰减的第一种机理，称为反射损耗，用R表示。剩余部分就透射入金属板内继续传播，而电磁波在金属中传播时，其场量振幅要按指数规律衰减。从电磁屏蔽的作用看，场量的衰减反映了金属板对透射入的电磁能量的吸收，就是屏蔽体对电磁波衰减的第二种机理，称为吸收损耗，用A表示。在金属板内尚未衰减掉的剩余能量达到金属板的右界面上时，又要发生反射，并在金属板的两界面之间来回反射。只有剩余的一小部分电磁能量透过右边界进入被屏蔽的空间。从电磁屏蔽的作用看，电磁波在金属板的两个界面之间的多次反射现象，就是屏蔽体对电磁波衰减的第三种机理，称为多次反射修正因子，用B表示。屏蔽效能的计算是分析与设计的重要步骤，屏蔽效能计算公式如下：BARSE++=（dB）其中：R—反射损耗；A—吸收损耗；B—多次反射修正项。(1)吸收损耗：rrftAσµ⋅⋅⋅×=131.0（dB）其中：t—金属屏蔽板的厚度（mm）；f—频率（Hz）；(2)反射损耗：()mwwmZZZZR4lg202+=（dB）其中：Zm——金属的本征阻抗（Ω）；ZW——入射波在空间的波阻抗（Ω）；前面讨论了，在不同的场区，电磁波的波阻抗不同，而在近场区波阻抗为复数值，反射损耗表达式可以分类进一步表示为：①远场区时⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=rrfRσµlg101.168（dB）②近场区，以电场为主时⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=rrrfRσµ23lg107.321（dB）其中：r——场源到屏蔽体的距离（m）；③近场区，以磁场为主时⎟⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎜⎝⎛++⋅=354.035.50117.0lg20rrrrfrfrRµσµσ（dB）(3)多次反射修正项：()20.120lg110cos0.23sin0.23AmwmwZZBAjAZZ−⎛⎞−=−−⎜⎟+⎝⎠（dB）令两界面的多次反射系数：2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=ΓwmwmZZZZ。因为入射波阻抗Zw为复数，反射系数Γ也是复数，工程计算可以分类按三种情况计算反射系数：①近场区，以磁场为主时，即低阻抗场()()()222222121122214⎥⎦⎤⎢⎣⎡++−+−−×=Γmmmjmm；其中：rrfrmσµ⋅×=−2107.4②近场区，以电场为主时，即高阻抗场()()()222222121122214⎥⎦⎤⎢⎣⎡++−−−−×=Γmmmjmm其中：rrfrmσµ3151005.2−×=③远场区，即平面波Vol.30No.12010.1船电技术|应用研究39()()()222222121122214⎥⎦⎤⎢⎣⎡++−−−−×=Γmmmjmm其中：rrfmσµ⋅×=−101077.9此时，对于平面波，m一般非常小，Γ基本为1。多次反射修正项B并不是任何时候都必须计入的。当频率较高或金属较厚时，吸收损耗较大。入射波能量进入屏蔽体后，在第一次到达金属板右边的界面之前已经被大幅度衰减，多次反射现象不显著。一般只要A10dB，就可不考虑多次反射的影响。工程设计人员一般关心的是屏蔽体的总屏蔽效能，包括吸收损耗，反射损耗及多次反射修正项三者之和，上述公式意义在于对不同屏蔽形式屏蔽效能的预测。表2中除平面波外，近场区的电场和磁场按场源到屏蔽体的距离r=30cm计算的各种干扰波源的屏蔽效能情况。这里并没有考虑出入孔、通风孔及电源线通孔的影响。在许多应用场合，贯通孔及连接屏蔽材料的工艺措施都会显著降低整个屏蔽体的实际效果。表20.254mm厚铜材料屏蔽体的屏蔽效能（dB）f/Hz近场区，磁场近场区，电场平面波503.44————1k24.89————10k50.16212.73128.73