什么是静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽？

前言：总所周知，电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段，合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备，而静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽，都属于电磁屏蔽，这三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中，原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响，但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。1什么是静电屏蔽？静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽依据的原理是：在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布，直到导体内部总场强处处为零为止。接地的封闭金属壳是一种良好的静电屏蔽装置。如图所示，接地的封闭金属壳把空间分割成壳内和壳外两个区域，金属壳维持在零电位。根据静电场的唯一性定理，可以证明：金属壳内的电场仅由壳内的带电体和壳的电位所确定，与壳外的电荷分布无关。当壳外电荷分布变化时，壳层外表面上的电荷分布随之变化，以保证壳内电场分布不变。因此，金属壳对内部区域具有屏蔽作用。壳外的电场仅由壳外的带电体和金属壳的电位以及无限远处的电位所确定，与壳内电荷分布无关。当壳内电荷分布改变时，壳层内表面的电荷分布随之变化，以保证壳外电场分布不变。因此，接地的金属壳对外部区域也具有屏蔽作用。在静电屏蔽中，金属壳接地是十分重要的。当壳内或壳外区域中的电荷分布变化时，通过接地线，电荷在壳层外表面和大地之间重新分布，以保证壳层电势恒定。从物理图像上看，因为在静电平衡时，金属内部不存在电场，壳内外的电场线被金属隔断，彼此无联系，因此，导体壳有隔离壳内外静电相互作用的效应。2如果金属壳未完全封闭，壳上开有孔或缝，也同样具有静电屏蔽作用。在许多实际应用中，静电屏蔽装置常常是用金属丝编织成的金属网代替闭合的金属壳，即使一块金属板，一根金属线，亦有一定的静电屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金属壳。在外电场的作用下，电荷在导体上的重新分布，在10－19秒数量级时间内就可完成，因此对低频变化的电场，导体上的电荷有足够长的时间来保证内部场强为零．所以静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果，屏蔽物的电导率应大，接地线要短，与地的接触要良好。身穿高压作业服的人，由于被铜丝编织的衣服所包裹，人体内的场强保持为零，因此没有电流从人体中流过，人体是安全的。不过在作业者刚刚接触高压线的一瞬间高压服上的电荷有一个瞬时分布的过程，在这极小的时间内人体会有短暂的微弱电场作用，一般作业者都能经受住这考验。静电屏蔽的特点是一般只考虑到对静电场的屏蔽，封闭导体的屏蔽作用是完全的（即内部场强可达到真正等于零），对屏壁壳的厚度和电导率也无要求。只有在把低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时，总是希望屏蔽壳的电导率愈高愈好。3什么是静磁屏蔽？静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域，这时必须用磁性介质做外壳。静磁屏蔽依据的原理可借助并联磁路的概念来说明。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中，则铁壳壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路。由于空气的磁导率接近于1，而铁壳的磁导率至少有几千，所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大的多。这样一来，外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”，“进入”空腔内部的磁通量是很少的，这就达到了磁屏蔽的目的。4外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响：外壳越厚、磁导率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和体积受到限制的情况下，常常采用磁导率高达几万的坡莫合金来做屏蔽壳，而且壳的各个部分要尽量结合紧密，使磁路畅通。如果要制造绝对的“静磁真空”，则可以利用超导体的“迈斯纳效应”。即将一块超导体放在外磁场中，其体内的磁感应强度永远为零。超导体是完全抗磁体，具有最理想的静磁屏蔽效果，但目前还不能普遍应用。5什么是高频电磁场屏蔽？高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。由于电磁场的变化频率很高（例如百万赫兹或更高），场中导体上的感应电荷已不能再看作静止的了（导体不再处于静电平衡状态），因此必须用电磁波在导体中的“贯穿深度”来说明屏蔽的原理：当高频电磁波射向一导体表面，并进入表面后，它会在导体中感应出一个高频交变电流，此电流会激发一个新的电磁波，新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生还导致入射波场能的消耗，结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减，可以用“贯穿深度”来表示衰减的程度。“贯穿深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率及磁导率都有关系：频率越高、电导率越大、磁导率越大“贯穿深度”就越小。当壳罩壁的厚度大于贯穿深度时，壳罩就具有良好的电磁屏蔽作用。高电导率或高磁导率材料制成的壳罩是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳罩材料的电导率或磁导率，增加壳壁的厚度，可以提高电磁屏蔽的效果。6像铝、钢、铁这样的金属，1兆赫左右的电磁波在其中的“透入深度”约百分之几毫米，所以这些金属只要一张纸那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的电磁波，尤其是铁，因为它的磁导率很高，故屏蔽效果特别好。如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界电磁场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理，示波管用铁皮包着，也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。高电导率材料制成的屏蔽物对低频磁场的屏蔽效果比较差。例如，在工频50赫时，铜的贯穿深度约为9.4毫米，薄壁铜壳的屏蔽作用很小。在实际应用中，常采用静磁屏蔽措施来屏蔽低频磁场。电磁屏蔽物接地后也可以屏蔽静电干扰。电磁屏蔽物上不能随意开缝，因为电磁屏蔽还利用了涡电流的作用，若缝隙割断了涡电流的通路，屏蔽效果要降低。7电屏蔽、磁屏蔽的原理：“电屏蔽”的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。“磁屏蔽”的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。“电磁屏蔽”的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点，相同点是都应用高电导率的金属材料来制作；不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，屏蔽必须接地。而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁场的干扰，这种屏蔽体可不接地。但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，也还是接地为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。8电磁屏蔽的材料参数因电磁波在良导体中衰减很快，把由导体表面衰减到表面值的1/e（约36.8％）处的厚度称为趋肤厚度（又称透入深度），用d表示，有其中μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率。若电视频率f=100MHz，对铜导体（σ=5.8×107／·m，μ≈μo＝4π×10-7H／m）可求出d=0．00667mm。可见良导体的电磁屏蔽效果显著。如果是铁（σ＝107／·m）则d=0.016mm。如果是铝（σ＝3.54×107／·m）则d＝0.0085mm。为了得到有效的屏蔽作用，屏蔽层的厚度必须接近于屏蔽物质内部的电磁波波长（λ=2πd）。如在收音机中，若f＝500kHz，则在铜中d＝0.094mm（λ=0.59mm）。在铝中d＝0.12mm（λ=0.75mm）。所以在收音机中用较薄的铜或铝材料已能得到良好的屏蔽效果。因为电视频率更高，透入深度更小些，所需屏蔽层厚度可更薄些，如果考虑机械强度，要有必要的厚度。在高频时，由于铁磁材料的磁滞损耗和涡流损失较大，从而造成谐振电路品质因素Q值的下降，故一般不采用高磁导率的磁屏蔽，而采用高电导率的材料做电磁屏蔽。在电磁材料中，因趋肤电流是涡电流，故电磁屏蔽又叫涡流屏蔽。在工频（50Hz）时，铜中的d＝9.45mm，铝中的d＝11.67mm。显然，采用铜、铝已很不适宜了，如用铁，则d＝0.172mm，这时应采用铁磁材料。因为在铁磁材料中电磁场衰减比铜、铝中大得多。又因是低频，无需考虑Q值问题。可见，在低频情况下，电磁屏蔽就转化为静磁屏蔽。9电磁屏蔽的技术要求电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。（1）屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防治静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。因而为了满足电磁兼容性要求，常常用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。（2）在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能的要求。通风口可使用穿孔金属板，只要孔的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。10（3）通风量的要求高时，必须使用截止波导通风板（蜂窝板），否则不能兼顾屏蔽和通风量的要求。如果对屏蔽要求不高，并且环境条件较好，可以使用铝箔制成的蜂窝板。这种产品的价格低，但强度差，容易损坏。如果对屏蔽的要求高，或环境恶劣（如军用环境），则要使用铜制或钢制蜂窝板，这种产品各方面性能优越，但价格高昂。诸如计算机显示屏等，即要满足视觉需要，又要满足防电磁泄漏要求。通常在显示屏前加装高性能屏蔽视窗。屏蔽机箱上绝不允许有导线直接穿过。（4）当导线必须穿过机箱时，一定要使用适当的滤波器，或对导线进行适当的屏蔽。干扰抑制滤波技术滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。（5）同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。11（6）电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率(50Hz，60Hz，400Hz)通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。（7）电源线上的干扰电路以两种