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第5章屏蔽技术5.1电磁屏蔽原理为了保证电设备的正常工作，需要对电磁波辐射进行控制，在通常采取的技术中，比较有效的技术均是基于以下3项技术的：•一是优化电路设计技术；•二是配线分离技术(该技术包括线路板设计的相关技术)；•三是屏蔽技术。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个区域感应和辐射传播的方法。电磁屏蔽的机理是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场对屏蔽体内电路的影响，产生了屏蔽效果。5.2屏蔽效能电场强度与磁场强度之比称为波阻抗。对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数，因为它决定了耦合效率，也决定了导体的屏蔽效能。π对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽，电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量：SE=20lg(E1/E2)dB或SE=20lg(H1/H2)dB其中E1为屏蔽前的场强，E2为屏蔽后的场强，Ｈ1为屏蔽前的磁场强度，Ｈ2为屏蔽后的磁场强度。5.3电磁屏蔽的类型电磁屏蔽一般分为：电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽。•电场屏蔽又分为静电屏蔽和交变电场屏蔽•磁场屏蔽又分为低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽5.3.1电场屏蔽1.静电场屏蔽静电干扰分为静电场感应产生的干扰和静磁场耦合产生的干扰。它们都可以用屏蔽方法来抑制。静电场主动屏蔽设在带正电荷的导体A附近有导体B，则导体B靠近导体A时，A的一侧将会由于静电感应而带负电。如果用金属屏蔽体将导体A包围起来，此时在屏蔽体的内侧就感应出与导体A等量的负电荷，在外侧出现等量的正电荷，电力线继续到达导体B，而且使感应电场更为复杂；如若将金属屏蔽体接地，使屏蔽体的外侧电场消失，导体B就不会受到感应干扰。这就是静电屏蔽的原理。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。静电场主动屏蔽2.交变电场屏蔽5.3.2磁场屏蔽1.低频磁场屏蔽磁场主动屏蔽和磁场被动屏蔽2.高频磁场屏蔽5.3.3电磁屏蔽5.4屏蔽效能的计算5.4.1金属平板屏蔽效能的计算屏蔽效能包括吸收损耗A、反射损耗R与多次反射损耗B三部分组成。下图是最常见的3种屏蔽体在厚度为1毫米时的吸收损耗随频率变化的曲线。由曲线可以看出，金属屏蔽体的吸收损耗与材料本身的特性密切相关。金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特性(电导率、磁导率)有关，而且与金属屏蔽体所在的位置有关，还与场源特性有关。5.5电磁屏蔽材料覆膜类电磁屏蔽材料与工艺在机箱内外壁上覆盖一种或多种具有导电导磁的电磁波屏蔽膜，是对设备进行屏蔽的一个非常重要的方法。其主要手段有：涂覆导电导磁涂料、金属溅射、真空镀铝、电镀、化学镀以及粘贴金属箔或复合箔等。电磁辐射防护涂料包括：屏蔽涂料、吸波涂料和屏蔽吸收型涂料。屏蔽涂料屏蔽涂料又称为导电涂料，根据其组成和导电机理又可分为两大类：结构型导电涂料和掺杂型导电涂料。掺杂型导电涂料可大致分为三类：金属系和碳素系及二者的结合系即复合系，•金属系导电涂料主要是以银、铜、镍等为填料的涂料。•碳素系主要指以高导电性和高结构性碳黑做填料的导电涂料，•复合系主要是以贵金属对金属粉末、非金属及金属氧化物等粉末进行包裹后做填料的涂料。吸波涂料吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量、并通过材料的损耗转变成热能的一类材料。电磁波吸收材料的研究最早开始于军事信息安全技术。目前国内外正在研制和已经实用化的吸波材料和吸波体主要有以下几种：•铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等)。•微粉吸波材料。•多晶铁磁性金属纤维。•希克夫盐基视黄脂。•电介质陶瓷吸波材料。•导电高分子材料•手性吸波材料实际应用中一般较少采用单一的材料做吸收体，并很少直接使用，而是采用电磁波吸收体的形式。电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料，它可以以商品的形式出现。目前已获得实用化的吸收体结构有：•单层结构：表现为复合材料的单涂层和单层吸收体。•多层结构：由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等组成。设计中经常要用到入射波与反射波相互抵消技术，此时虽然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到影响。从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点：(1)无反射(即完全吸收)；(2)吸收频带尽可能的宽。化学镀化学镀的程序不应与常规的电镀混淆，电镀需要用直流电流使金属镀覆。化学镀或自动催化镀是化学镀覆均匀的固态金属涂层，它将减小零件表面的微电池反应。火焰喷涂金属电弧喷涂，通常用来镀锌，它比导电漆和箔屏蔽更有效。金属电弧喷涂工艺为：在两条金属导线之间产生电弧，将金属汽化，利用空气吹在塑料基体上。当熔融金属的粒子撞击塑料表面时，这些粒子因温度较高而将塑料表面的塑料融化，金属离子流也被塑料表面展平并被嵌入，冷却后，形成连续的金属薄膜。胶箔和胶带在机壳的实际应用时，有时需要改变机壳的等效形状，此时可采用背胶金属箔来实现屏蔽。背胶金属箔主要用于塑料的表面。然而，此项技术存在两个固有的问题：(1)生产时，必须手工在基体易损的表面上安放箔片；(2)由于两基体连接时，两基体的材质和过度区的形状很少能够完全吻合，特别是在覆盖复杂的圆角时，这一问题尤其突出。填料、粘合剂和导电润滑脂影响选择填充物材料的3个因素是：①成本；②要求导电填充物所占百分数：高百分数填充物不仅增加设备的磨损，还影响模压件的表面光洁度和物理性能；③纤维将按照处理时的熔液流动方向排列，而使角形和截面变化区域的屏蔽不均匀性增加，同时还会不定期地引起机械强度的损失。不同材料被用作塑料中的导电填充物，包括铝粉和纤维、石墨、不锈钢、镍粉和涂银玻璃珠。导电粘合剂与填料相比，填料仅需具有合适的性，能密封空隙即可，而粘合剂除了导电性外，还要有足够的机械接合强度，它们用于连接、密封或焊接两个导电表面。导电粘合剂的溶剂有环氧树脂和硅树脂两种，其导电成分主要是银。导电润滑脂的功能之一就是能在涂有润滑剂的配件之间提供很小的接触电阻，如开关。导电漆迄今为止，性能较好的导电漆都是基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯树脂或环氧树脂等衬底的。(1)银漆银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木质表面上，它有良好的抗磨损特性和可焊接性。(2)镍漆镍通常与聚丙烯组成镍漆，理想情况下以ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯为衬底。(3)铜漆在近20年的时间内，专家们为开发出有效的铜填充导电涂层进行了各种试验。由于铜填充物的易腐蚀性，铜漆没能得到广泛使用。要克服这个问题，只能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层，但使用的结果是，在一种工作条件下铜漆的性能比较稳定，而在另一种工作条件下，铜漆将更容易失效。(4)底漆导电漆的性质一般都与基底材料不相容，特别是在胶质物质中更是如此，所以要用专门的底漆。导电玻璃导电薄膜技术还广泛应用于在光学玻璃、有机玻璃基片上喷涂导电屏蔽层，这种既透光又能导电的玻璃称为导电玻璃，常用它来制作各种观察窗口的屏蔽材料，在航空航天领域应用较广。2.编织类电磁屏蔽材料编织类屏蔽材料是目前应用最广泛的屏蔽材料，特别是在电缆的屏蔽方面，编织类屏蔽材料表现出比其他屏蔽材料更优越的性能。EMI屏蔽网构成织物的基材可以是各种可镀或可涂覆的非导电材料，甚至是导电材料。纺织的方法也有多种形式。两种主要的纺织方式：一种是单线纺织，另一种是多线纺织。导电壁纸导电纤维编织的壁纸，可以提供某种程度的电磁干扰屏蔽，其效果接近昂贵和笨重的金属屏蔽技术。编织丝网衬垫编织丝网衬垫为在接缝处恢复屏蔽体完整性以及其他壳体的连续性，提供了简便的方法。机壳、机柜或机箱材料，无论是塑料喷涂导电漆的，还是用全金属的，都有密封要求。在接头和缝隙处，导电衬垫是补救屏蔽裙带性被破坏的方法之一。硅橡胶衬垫在硅橡胶中掺入均匀分布的金属颗粒，形成导电的弹性化合物，既可屏蔽RFI，又可气密。硅橡胶衬垫之所以具备上述性能，是由于材料中金属颗粒和弹性体的联合作用的结果。硅橡胶系统通常用于模压成形、薄片冲压成形、印制板屏蔽衬垫和模制零件等，硅橡胶衬垫现已得到广泛应用。3.截止波导与蜂窝板波导是简单的管状金属结构，它在电气上呈现高通滤波器的特性。波导允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减，这与高通滤波器的频率特性相似。在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起，构成截止波导阵列，这样可以形成很大的开口面积，同时能够防止电磁波泄漏。由于这里的截止波导截面是六角形的，形成阵列后很像蜂巢，因此称为蜂窝板，见下图所示。使用蜂窝板材料时需要注意的问题同样是蜂窝板周边与屏蔽基体的搭接问题。4.磁屏蔽材料对许多人而言，低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。低频磁场往往随距离的增大衰减很快，因此在很多场合，将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的十分有效的措施。但当由于空间限制无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效的措施。当需要屏蔽的磁场很强时，仅用单层屏蔽材料，不是达不到屏蔽要求，就是会发生饱和。这时，一种方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非磁导率材料做支撑，如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体高得多，因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。5.6屏蔽完整性在屏蔽的设计中需要考虑以下的一些因素：盖板、通风孔、测量仪表的指示窗、显示窗、电位器轴、指示灯、保险丝、开关、门、各种线、电源线和信号线连接器。盖板为了仪器的维护、测试或校准，需要一次一次地打开仪器带孔的盖板。对于金属盖板来说，最常采用的方法是使用导电填料或硅树脂填料。通风孔通风孔的处理一般采用两种方法，一种是采用屏蔽盖板；另一种是采用蜂窝状盖板。缝隙屏蔽体上的接缝处由于结合表面不平、清洗不干净、有油污或焊接质量不好、紧固螺钉之间、铆钉之间存在空隙等原因会在接缝处造成缝隙。当金属屏蔽体缝隙的缝长大约等于三倍金属板的集肤深度时，缝隙的吸收损耗和金属板的吸收损耗相等，缝隙基本上不降低屏蔽效能。若缝长大于三倍金属板的集肤深度时，则缝隙屏蔽效能就会减小，因此我们可以采用以下几种方法来提高屏蔽效能。(1)增加缝隙深度(2)提高接合面加工精度(3)加装导电衬垫(4)在接缝处涂导电涂料(5)增加接缝处的重叠尺寸指示灯、表盘的处理指示灯、保险管、开关及表盘等设备必备器件一般安装在外壳上，而这些外壳往往是主要的屏蔽体，很显然，这些屏蔽性能很差的器件将显著降低屏蔽体的屏蔽效能。为了最大限度地减少这些器件的影响，我们必须采取一些补救措施。常用的措施有以下几条：采用金属网与电磁密封衬垫相互配合的方法，如下图所示。采用滤波器加隔离舱的屏蔽方法，如下图所示。采用截止波导，如下图所示。穿过屏蔽体的导线穿过屏蔽体的导线既可以将屏蔽体外部的干扰信号传导至屏蔽体内部，造成屏蔽体屏蔽效能的下降，又可能将屏蔽体内部的信号传导到屏蔽体外部，对其他设备造成干扰。解决此问题的方法一般是将屏蔽电缆作为屏蔽体的延伸，屏蔽体与屏蔽电缆构成如下图所示的哑铃式的全封闭体。屏蔽电缆端接屏蔽电缆的屏蔽层必须将芯线完整地覆盖起来，两端也不例外。因此电缆两端的连接器外壳必须能够与电缆所安装的屏蔽机箱360°电气搭接。矩形连接器护套中的床鞍夹紧方式能够满足大多数场合对搭接的要求。绝对要避免使用小辫连接，再短也不行。下图给出了典型D形连接器的屏蔽端接方式。再见