电线电缆屏蔽理论及其应用

电线电缆屏蔽理论及其应用电流-磁场-电场-感应电压.电流-寄生耦合骚扰——导致不能正常工作，极为有害频率100kHz以上时，电路、元件的电磁辐射能力增强，电气、电子设备或系统中就存在着辐射电磁场的寄生耦合骚扰。屏蔽——电磁兼容工程中广泛采用的抑制电磁骚扰的有效方法之一。一般而言，凡是电磁骚扰都可以采用屏蔽的方法来抑制。1、屏蔽的概念：屏蔽是防止辐射干扰的主要手段。所谓屏蔽（Shielding）就是采用一定的技术手段（用导电或导磁的材料制成的金属屏蔽体Shield），把电磁骚扰源限制在一定的空间范围内，使骚扰源从屏蔽体的一面耦合或当其辐射到另一面时受到抑制或衰减。2.屏蔽的目的是：1）采用屏蔽体包围电磁骚扰源，以抑制电磁骚扰源对其周围空间存在的接受器的干扰；2）采用屏蔽体包围接受器，以避免骚扰源对其干扰。3.屏蔽的关键点：1）屏蔽材料的选择；2）实际屏蔽体的设计。§5.1电磁屏蔽原理§5.1.1电磁屏蔽的类型1.按采取屏蔽措施的对象分为：①主动屏蔽：把干扰源置于屏蔽体之内，防止电磁能量和干扰信号泄漏到外部空间。②被动屏蔽：把敏感设备置于屏蔽体内，使其不受外部干扰的影响。2、屏蔽按场的类型可分为①电场屏蔽：静电屏蔽/交变电场屏蔽②磁场屏蔽：静磁屏蔽（恒定磁场屏蔽）/交变磁场屏蔽③电磁场屏蔽§5.1.2静电屏蔽电磁场理论表面，置于静电场中的导体，在静电平衡的条件下，具有下列性质：①导体内部任何一点的电场为零；②导体表面任何一点的电场强度方向与该点的导体表面垂直；③整个导体是一个等位体；④导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。内部存在空腔的导体，在静电场中也具有上述性质。1）把有空腔的导体置入静电场中，由于空腔导体的内表面无静电荷，空腔空间中也无电场，所以空腔导体起了隔离外部静电场的作用，抑制了外部静电场对空腔空间的骚扰。2）空腔导体接地，见主动屏蔽１、屏蔽静电场或变化缓慢的交变电场（例如工频电场，高压带电作业的均压服）２、屏蔽体：良导体壳（金属板、网）３、主动屏蔽：屏蔽干扰源，导体壳接地。只有将空腔屏蔽体接地，其外表面感应出的等量正电荷沿接地导线泻放进入接地面，其产生的外部静电场就会消失，才能将静电场源产生的电力线封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到静电屏蔽的作用。３、主动屏蔽：屏蔽干扰源，导体壳接地。如右图所示原理：⑴、对于静电场：B电位为0，外表面没有电荷分布……，屏蔽是完全的。⑵、A所带的电荷变化时（变化缓慢的交变电场），接地线中出现电流，这时：①B外表出现电荷分布，②接地电阻不可能完全为0，B的电位也不为零，∴B外仍有残留的电场，屏蔽是不完全的。返回４、被动屏蔽：屏蔽敏感设备，原理上导体壳可以不接地，实际上一般也接地，如右图所示。原理：空腔屏蔽导体是等位体，其内部场强为0，不会出现电力线，从而实现静电屏蔽。外部存在电力线且终止在屏蔽体上不接地，导体上的缝隙，孔洞都可能引起电力线的泄漏，降低屏蔽效果。接地，导体壳内、外静电位都为０，可防止电力线的泄漏，提高屏蔽效果。实际的空腔屏蔽体不可能是完全封闭的理想屏蔽体，如不接地，就会引起外部电力线的入侵，造成直接或间接静电耦合。为了防止这种现象，空腔屏蔽体仍需接地。综上可见，静电屏蔽必须具有两个基本要点：1.完整的屏蔽导体；2.良好的接地。５（§5.1.3）交变电场的屏蔽骚扰源A和接受器B之间加入屏蔽体S，如右图所示。交变电压源UA，直接耦合电容C3很小，可以忽略，屏蔽体上的感应电压：接受器上的干扰电压：要使UB减小，必须使C1、C2、ZS减小，只有使ZS＝0，才能使US＝0，UB＝0，即屏蔽体必须良好接地，才能提高屏蔽效果。111SSASjCZUUjCZ221BBSsBjCZUUjCZZ如果屏蔽导体没有接地或接地不良，那么接受器上的感应骚扰电压比没有屏蔽导体时的骚扰电压还要大，此时骚扰比不加屏蔽体时更为严重。（C1Ce、C2Ce）从以上分析可以看出，交变电场屏蔽的基本原理是：采用接地良好的金属屏蔽体将骚扰源产生的交变电场限制在一定的空间内，从而阻断了骚扰源至接受器的传输途径。必须注意，交变电场屏蔽要求：1.屏蔽体必须是良导体（金、银、铜、铝等）；2.必须有良好的接地。§5.1.4低频磁场屏蔽１、屏蔽恒定磁场或变化缓慢（100kHz以下）的交变磁场。２、屏蔽体：高磁导率材料［例如：硅钢片、铁板（网）、坡莫合金(含镍45～80％，少量钼、铜、铬、钒、锰……)３、屏蔽原理：利用铁磁材料的高磁导率对骚扰磁场进行分路。磁力线是连续闭合曲线，磁通构成的闭合回路，称为磁路。磁路中两点间的磁阻空气μ0＝1，屏蔽壳μr＞103。∴Rm壳＜＜Rm空气，磁力线集中在屏蔽壳的壁内（聚磁作用），磁通主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大大减小，从而起到磁场屏蔽效果。磁屏蔽不可能把磁力线完全集中在屏蔽体内，总有一些泄漏，采用双层屏蔽，可以提高屏蔽效果。0mrlRS图5-7低频磁场屏蔽（a）线圈所产生的磁通主要沿屏蔽罩通过，即被限制在屏蔽体内，从而使线圈周围的元件、电路和设备不受线圈磁场的影响或骚扰。（b）外界磁通将通过屏蔽体而很少进入屏蔽罩内，从而使外部磁场不致骚扰屏蔽罩内的线圈。使用铁磁材料作为屏蔽体时要注意下列问题：①所用铁磁材料的磁导率u越高，屏蔽罩越厚（即s越大），则磁阻Rm越小，磁屏蔽效果越好。为了获得更好的磁屏蔽效果，需要选用高磁导率材料，并要使屏蔽罩有足够的厚度，有时需用多层屏蔽。所以，效果良好的铁磁屏蔽往往是既昂贵又笨重。②用铁磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或有缝隙。因为若缝隙垂直于磁力线，则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。③铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场屏蔽。因为高频时铁磁材料中的磁性损耗(包括磁滞损耗和涡流损耗)很大，导磁率明显下降。§5.1.5高频磁场屏蔽1.屏蔽原理：利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的。即利用了涡流反磁场对于原骚扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。见P80图5-8高频情况下，感应涡流产生的反磁场足以排斥原骚扰磁场，从而起到了磁屏蔽作用，所以导电材料适于高频磁场屏蔽。感应涡流产生的反磁场任何时候都不可能比感应出这个涡流的那个原磁场还大，所以涡流随频率增大到一定程度后，频率继续升高，涡流就不会再增大了。频率低时，产生的涡流也小，涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。所以该屏蔽方法主要用于高频。2.屏蔽材料屏蔽体电阻越小，产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身的损耗也越小。所以，高频磁屏蔽材料需要用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。3.屏蔽体厚度高频磁屏蔽一般无须从屏蔽效能考虑屏蔽盒的厚度。实际中，一般取屏蔽盒的厚度为0.2～0.8mm。4.屏蔽盒的缝隙或开口在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。否则会切断涡流。这意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差。若必须有缝隙或开口，则缝隙或开口应沿着涡流方向。正确的开口或缝隙对削弱涡流影响较小，对屏蔽效果的影响也较小。尺寸一般不要大于波长的1/50～1/100。5.接地磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。——与电场屏蔽不同。当如果将金属导电材料制造的屏蔽盒接地，则它就同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用。所以，实际中屏蔽体都应接地。磁屏蔽材料的频率特性§5.1.6电磁屏蔽通常所说的屏蔽，多半是指电磁屏蔽。所谓电磁屏蔽是指同时抑制或削弱电场和磁场。电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽。交变场中，电场和磁场总是同时存在的。但频率较低范围内，干扰一般发生在近场，近场中随着干扰源的特性不同，电场分量和磁场分量有很大差别。高电压小电流骚扰源以电场为主；…低电压高电流骚扰源以磁场为主。…随着频率增高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋向于远场骚扰。需要将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体，就能同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用。对于良导体而言其集肤深度很小，因此电磁屏蔽体无须做得很厚。当频率在500kHz～30MHz范围内，屏蔽材料可选用铝；当频率大于30MHz，则可选用铝、铜、铜镀银等。一、用于屏蔽高频电磁场二、屏蔽体：导体壳(金属板、网、膜)原理：以单层金属板为例，电磁波入射在导体板上。1、在导体板表面发生反射（S2）和透射，2、透射波在导体板中产生感应电流，引起电磁能量的损耗（S1），3、透射波在导体板内发生多重反射（S3），所以，总的损耗（屏蔽效果）包括反射损耗S2、吸收损耗S1和多重反射损耗S3S＝S1＋S2＋S3dB⑴设入射波为10E111010000101=(2)rEREER、反射系数导体中振幅衰减，衰减常数：δ是透入深度。211101010022=(3)2ETETE、透射系数222113,diEEe、1(4)f222021221210321012210001002042254(5)()riididEREEETEEeeE、、6、经导体板吸收衰减后到达界面1，反射和透射……，再经导体板吸收衰减后到达界面2，反射和透……，……――从开始……，称为导体板内的多重反射损耗S3。7、总的透射场强221rE221rE33312212201202222021200122220,14(1)(6)11()ddddEEENTTeERmRemeETTmme递减的等比数列20200307()120lg(9)4377,22.81103.6910rrrSdBjff、反射损耗对于平面波良导体(10)fG1220232222131(7)(1)dB20lg(1)20lg20lg1(8)ddddEmeSEmeSmemeSSS屏蔽效果（总的损耗）用表示：反射损耗吸收损耗多重反射损耗7070220000002G,5.8101,1,3.69101()1944420lg4cucucucucurGGGfS是某种金属相对于铜的电导率，可以证明，对于良导体：例：铜（）式中：10()168.210lg108.210lg(11)rrffMHzdBGG把（）式代入2737321,1,108.210lg()10110,=5.8105.8108.210lg[5.810()]108.210lgrrfGSfMHzdBGSfMHz例：一定，铜板铁板11()37.6220lg8.6862131.4131.4()()(1drrfMHzdBSeddSdfGdmmfMHzGdB铜板的反射损耗比铁板大。、吸收损耗：导体板的厚度，：衰减常数，对于良导体2)例：f一定，铜板：μrG＝1、铁板：μrG＞＞1∴铁板的吸收损耗大。3、导体板内的多重反射损耗①图5中，经反射、吸收后，已经很小……，一般，若吸收损耗S1＞15dB时，S3可以忽略。②当S1较小时（例如：导体板很薄，f很低时……），可以利用上式计算导体板内的多重反射损耗。４、几点说明①由于电磁屏蔽的基本原理，本质上是利用导体板中所产生的感应电流的作用，所以屏蔽体上不能在垂直于电流的方向上开缝，这样就切断了感应电流，降低屏蔽效果。同时，屏蔽体上的孔洞或缝隙，当有电流从22320lg1dSme221rE其边上流过时，会产生天线效应，同样会导致屏蔽效果下降。②为了保证总的屏蔽效果，屏蔽层的厚度应接近（或大于）屏蔽层内电磁波的波长．良导体内例：f＝5×105Hz（0.5MHz），铜板内λ＝0.59mm，f＝1MHz,铜板内λ＝0.066mm，f＝100MHz，铜板内λ＝0.0066mm，f＝50Hz，铜板内λ＝59mm，铁板内