电磁屏蔽一般可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽三种类型。三种屏蔽的目的是防止外部电磁场进入需要保护的区域。原理是利用屏蔽对外场的感应来抵消外场的影响。但由于屏蔽场的特点不同,屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也不同。
一、 静电屏蔽
静电屏蔽的目的是防止外部静电场进入需要保护的区域。静电屏蔽的原理是导体表面电荷在外部静电场的作用下重新分布,直到导体内部总场强度为零。接地封闭金属壳是一种很好的静电屏蔽装置。如图所示,接地封闭金属壳将空间分为壳内外两个区域,金属壳保持在零电位。根据静电场的唯一定理,可以证明金属壳体内的电场仅由壳体内的带电体和壳体的电位决定,与壳体外的电荷分布无关。壳体外电荷分布发生变化时,壳体外表面的电荷分布发生变化,以确保壳体内电场分布不变。因此,金属壳可以屏蔽内部区域。壳体外的电场仅由壳体外的带电体、金属壳的电位和无限远处的电位决定,与壳体内的电荷分布无关。当壳体内的电荷分布发生变化时,壳体内表面的电荷分布发生变化,以确保壳体外的电场分布不变。因此,接地金属壳也能屏蔽外部区域。金属壳接地在静电屏蔽中非常重要。当壳体内外区域的电荷分布发生变化时,电荷通过接地线重新分布在壳体外表面和地面之间,以确保壳体电势的恒定。从物理图像的角度来看,由于金属内部没有静电平衡电场,壳体内外的电场线被金属隔断,相互无关,导体壳具有隔离壳体内外静电的相互作用。 如果金属外壳未完全关闭,则外壳上有孔或接缝,也具有静电屏蔽功能。在许多实际应用中,静电屏蔽装置通常用金属丝编织的金属网代替封闭的金属外壳。即使是金属板和金属线也有一定的静电屏蔽效果,但屏蔽效果不如金属外壳。 在外电场的作用下,导体上电荷的重新分布可以在10-19秒的数量级时间内完成。因此,对于低频变化电场,导体上的电荷需要足够长的时间来确保内部场强度为零。因此,静电屏蔽装置也可以屏蔽变化缓慢的电场。为提高变化电场的屏蔽效果,屏蔽电导率应大,接地线应短,与地面接触应良好。
身穿高压作业服的人,因为被铜丝编织的衣服包裹,人体内的场强保持在零,所以没有电流流过人体,人体是安全的。然而,当操作人员刚刚接触到高压线时,高压服装上的电荷有一个瞬时分布的过程。在这个很短的时间内,人们会体验到短暂的弱电场效应,一般操作人员可以经受住这个测试。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。只有当低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时,屏蔽壳的电导率总是越高越好。
二、静磁屏蔽
静磁屏蔽的目的是防止外部静磁场和低频电流磁场进入需要保护的区域,必须使用磁介质作为外壳。并联磁路的概念可以解释静磁屏蔽的原理。将高磁导率材料制成的球壳放入外磁场中,铁壳壁与空腔内的空气可视为并联磁路。由于空气的磁导率接近1,而铁壳的磁导率至少有几千,空腔的磁阻大于铁壳壁。这样,绝大多数外磁场的磁感应通量将沿铁壳壁通过,进入腔内的磁通量很少,从而达到磁屏蔽的目的。
外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有明显的影响:外壳越厚,磁导率越高,屏蔽效果越好。因此,当重量和体积有限时,通常使用高达数万的坡莫合金作为屏蔽外壳,外壳的各部分应尽可能紧密结合,使磁路畅通。
如果你想创造一个绝对的静态磁真空,你可以使用超导体的迈斯纳效应。将超导体放置在外部磁场中,其磁感应强度将永远为零。超导体是一种完全抗磁体,具有最理想的静态磁屏蔽效果,但不能广泛使用。
为了防磁,手表在运动外安装了铁衬套 也是一种屏蔽。
在火车车厢里,打开半导体收音机几乎收不到广播,因为车厢的大部分蒙皮都是铁皮做的,起到了屏蔽作用。
高频电磁场屏蔽是为了防止外部高频电磁场进入某一区域。由于电磁场变化频率高(如百万赫兹或更高),场内导体上的感应电荷不再视为静态(导体不再处于静电平衡状态),屏蔽原理必须用电磁波在导体中的贯穿深度来说明:当高频电磁波射入导体表面并进入表面时,会在导体中感应到高频交变电流,会刺激新的电磁波。新刺激的电磁波在导体内与入射电磁波相反,导体内电流的产生也导致入射波场能量的消耗。因此,导体内的总电磁场基本上随着深度呈指数衰减,衰减程度可以用贯穿深度来表示。贯穿深度与入射电磁波的频率、导体的电导率和磁导率有关:频率越高,电导率越大,磁导率越大,贯穿深度越小。穿透深度与入射电磁波的频率、导体的电导率和磁导率有关:频率越高,电导率越大,磁导率越大,穿透深度越小。当外壳壁厚度大于穿透深度时,外壳具有良好的电磁屏蔽效果。由高电导率或高磁导率材料制成的外壳是一种很好的电磁屏蔽装置。提高壳盖材料的电导率或磁导率,增加壳壁厚度,提高电磁屏蔽效果。
铝、钢、铁等金属的渗透深度约为1兆赫电磁波的几毫米,所以这些金属只要纸这么厚,基本上就可以阻挡I兆赫电磁波。特别是铁,由于其磁导率高,屏蔽效果特别好。例如,在收音机中,在线圈外面覆盖空芯铝壳,以避免噪音,而不受外部电磁场的干扰。屏蔽线也是如此。示波管用铁皮包裹,使杂散电磁场不影响电子射线扫描。金属屏蔽壳内部元件或设备产生的高频电磁波不会透过金属壳而影响外部设备。
由高电导率材料制成的屏蔽物对低频磁场的屏蔽效果较差。例如,在工频50赫时,铜的贯穿深度约为9.4毫米,薄壁铜壳的屏蔽效果很小。静磁屏蔽措施常用于屏蔽低频磁场。接地后,电磁屏蔽物也可以屏蔽静电干扰。由于电磁屏蔽随意打开,因为电磁屏蔽也利用涡流的作用,如果间隙切断涡流通路,屏蔽效果应降低。
远近场的划分 根据两种基本源的场随1/r(场地到源点的距离)的变化分为远近场,远近场的场地特征和传播特征不同。因此,远近场的划分符合以下原则: 近场:
远场:
在选择使用什么类型的电磁密封垫时,应考虑屏蔽效率要求、环境密封要求、安装结构要求和成本要求四个因素。根据机制,可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 屏蔽机理:将电场感应视为分布式电容器之间的耦合。 【设计要点】: a、屏蔽板最好靠近受保护物,屏蔽板必须接地良好! b、屏蔽板的形状对屏蔽效率有明显影响。最好是全封闭的金属盒,但在工程中很难做到! c、只要有足够的强度,屏蔽板的材料最好是良好的导体,但不需要厚度。
有通风需求的屏蔽板
铝蜂窝通风板
镀层 | 磁场dB | 电场dB | 平面波 | 镀层 | 磁场dB | 电场dB | 平面波 | ||
100KHz | 10MHz | 1GHz | 10GHz | 100KHz | 10MHz | 1GHz | 10GHz | ||
铬酸盐 | 40 | 80 | 60 | 40 | 铬酸盐 | 65 | 110 | 95 | 85 |
镉 | 75 | 125 | 105 | 85 | |||||
锡 | 70 | 125 | 105 | 85 | |||||
镍 | 80 | 135 | 115 | 95 |
钢铜蜂窝通风板 | 磁场100KHz | 电场10MHz | 平面波1GHz | 平面波10GHz |
镀 锡 | 85dB | 135dB | 115dB | 110dB |
防尘屏蔽通风板 | 磁场100KHz | 电场10MHz | 平面波1GHz | 平面波10GHz |
镀铬酸盐 | 70dB | 120dB | 80dB | 60dB |
超薄型防尘屏蔽通风板 | 磁场100KHz | 电场10MHz | 平面波1GHz | 平面波10GHz |
镀 铬 酸 盐 | 60dB | 125dB | 75dB | 55dB |
磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽,其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差的多。
【 屏蔽机理】:主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻,对磁通起着分路的作用,使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。 【设计要点】: a、选用高导磁材料,如坡莫合金; b、增加屏蔽体的厚度; 以上均是为了减小屏蔽体的磁阻; c、被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上,以尽量减小通过被屏蔽物 体体内的磁通; d、注意屏蔽体的结构设计,凡接缝、通风空等均可能增加屏蔽体的磁阻,从 而降低屏蔽效果。 e、对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。
典型的交流磁性能
对要屏蔽外部强磁场的,则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料,如硅钢;而内 部可选用容易达到饱和的高导磁材料,如坡莫合金等。 反之,如果要屏蔽内部强磁场时,则材料的排列次序要到过来。 在安装内外两层屏蔽体时,要注意彼此间的绝缘。当没有接地要求时,可用绝 缘材料做支撑件。若需接地时,可选用非铁磁材料(如铜、铝)做支撑件。
电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。 【电磁场屏蔽的机理】: a、当电磁波到达屏蔽体表面时,由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续,对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度,只要求交界面上的不连续; b、未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量,在体内向前传播的过程中,被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收; c、在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量,传到材料的另一表面时,遇到金属-空气阻抗不连续的交界面,会形成再次反射,并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。 总之,电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。 【吸收损耗】不同的材料、不同的材料厚度对于电磁波的吸收效果不一样.可根据材料吸收损耗的列线图得出。 【反射损耗】分为三类:低阻抗磁场、高阻抗电场、平面波场。 其中低阻抗磁场和高阻抗电场的反射损耗列线图计算方法相同,与金属材料、频率及辐射源到屏蔽体的距离有关。 对于平面波,波阻抗为一常数,而与辐射源到屏蔽体的距离无关,在列线图中只需连接金属材料和感兴趣的频率就可求出此时的反射损耗值。 【结构材料】 a、适用于底板和机壳的材料大多数是良导体,如铜、铝等,可以屏蔽电场,主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。 b、对磁场的屏蔽需要铁磁材料,如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。 c、在强电磁环境中,要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分,因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。 d、对于塑料壳体,是在其内壁喷涂屏蔽层,或在汽塑时掺入金属纤维。 必须尽量减少结构的电气不连续性,以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度,减少缝隙长度,在结合面上加入导电衬垫,在接缝处涂上导电涂料,缩短螺钉间距离等。 【搭接】 a、在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好的搭接。最坏的电搭接对壳体的的屏蔽效能起决定性作用。 b、保证接缝处金属对金属的接触,以防电磁能的泄漏和辐射。 c、在可能的情况下,接缝应焊接。在条件受限制的情况下,可用点焊、晓间距的铆接和用螺钉来固定。 d、在不加导电衬垫时,螺钉间距一般应小于最高工作频率的1%,至少不大于1/20波长。 e、用螺钉或铆接进行搭接时,应首先在缝的中部搭接好,然后逐渐向两端延伸,以防金属表面的弯曲。 f、保证紧固方法有足够的压力,以便在有变形应力、冲击、震动时保持表面接触。 g、在接缝不平整的地方,或在可移动的面板等处,必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。 h、选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处所使用的频率。 i、选择硬韧性材料做成的衬垫,以便划破金属上的任何表面。 j、保证同衬垫材料配合的金属表面没有任何非导电保护层。 k、当需要活动接触时,使用指形压簧,并要注意保持弹性指簧的压力。 l、导电橡胶衬垫用在铝金属表面时,要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或monel线性衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。 以下是按优先等级排列的各种衬垫。 1 金属网射频衬垫 容易变形,压力为1.4kg/cm时,衰减为54db。 资料表明,频率较低时衰减最大。 用于永久密封较好,不适宜用于开与关的面板。 2 铜镀合金 有很高的导电性和很好的抗腐蚀性。 弹性好,最适合用于和活动面板配合。可制成指条形、螺旋和锯齿面。衰减为100db。 3 导电橡胶 适用于只需名义上连接和少量螺钉的地方。 实现水汽密封和电气密封经1500℃、48小时老化后,体电阻率为10~20mω/cm(max)。变形度限制值为25%。资料表明,频率较高时衰减为最大。 4 导电蒙布 在泡沫塑料上蒙一块镀银编织物,形成一个软 衬垫,占去大部分疏松空间,主要为民用,适用于泡沫衬垫 机柜和门板。