EMC之電磁屏蔽讀書筆記

電磁輻射有兩個(gè)必要條件：天線；有交變電流流過天線。

常見的有天線模型有兩種，電流環(huán)和偶極子。

1.天線模型

1.1 電流環(huán)天線

電磁輻射區(qū)域根據(jù)到輻射源的距離，可以劃分為近場和遠(yuǎn)場。

近場（距離D<波長/2π）下的磁場和電場輻射強(qiáng)度如下所示，

磁場：

從上式可知，近場下的磁場的輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān)，交流或者直流沒有區(qū)別，且磁場強(qiáng)度隨著距離的三次方衰減，因此增加距離可以有效減小磁場強(qiáng)度。

電場：

Z0為自由空間的特征阻抗，即空氣中的特征阻抗為377歐姆。

從上式可知，近場下的電場的輻射強(qiáng)度隨波長的減?。l率的升高）而增加，隨距離的平方而減小。

電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度兩者均和電流環(huán)面積A成正比。

近場下電流環(huán)天線所產(chǎn)生的電磁波的波阻抗為：

遠(yuǎn)場（D>波長/2π）下的磁場和電場輻射強(qiáng)度如下所示，

磁場：

電場：

從上述兩式可知，遠(yuǎn)場下的磁場和電場輻射強(qiáng)度都隨頻率的平方增加，方波脈沖信號(hào)由于包含大量的高頻分量，所以干擾特別強(qiáng)。

1.2 偶極子天線

偶極子天線只有交流電才能產(chǎn)生輻射，因?yàn)槠洳皇情]合回路，類似電容模型，需要交變電流才可形成電流回路。

近場（距離D<波長/2π）下的磁場和電場輻射強(qiáng)度如下所示，

磁場：

電場：

近場下偶極子天線所產(chǎn)生電磁波的波阻抗為：

遠(yuǎn)場（D>波長/2π）下的強(qiáng)度如下所示，

磁場：

電場：

以上各式中，L為電偶極長度。

實(shí)際電路設(shè)備中，只要有電流環(huán)路，或者兩個(gè)導(dǎo)體之間有交變電壓驅(qū)動(dòng)，就存在上述的寄生天線。根據(jù)上述的天線模型原理，我們就能知道各個(gè)因素對(duì)于輻射強(qiáng)度的影響，這為我們的電磁屏蔽措施提供了理論指導(dǎo)。

2.屏蔽效能

電磁波在穿過屏蔽材料時(shí)產(chǎn)生的損耗有兩部分，反射損耗和吸收損耗，屏蔽效能就是兩者之和，當(dāng)然實(shí)際上由于電磁波會(huì)有泄漏，屏蔽效能需要進(jìn)行修正。

SE=R+A+B

SE為屏蔽效能，R為反射損耗，A為吸收損耗，B為修正因子。當(dāng)屏蔽材料厚度達(dá)到一個(gè)趨膚深度時(shí)，多次反射泄露的修正可以忽略不計(jì)；對(duì)于電場波，也可以忽略修正因子。

2.1 反射損耗

電磁波在穿越一個(gè)屏蔽體時(shí)由于要經(jīng)過兩個(gè)界面，所以會(huì)發(fā)生兩次反射，如圖1所示。

圖1

反射損耗公式如下：

Zw為入射到屏蔽體的電磁波的波阻抗；

Zs為屏蔽材料的特性阻抗。

f為入射電磁波的頻率；

根據(jù)上述公式可知，在屏蔽材料確定后，反射損耗與電磁波的波阻抗有關(guān)。電磁波的波阻抗越高，反射損耗越大。而電磁波在近場和遠(yuǎn)場下的波阻抗又不同。

在近場下，電磁波的波阻抗與輻射源種類特性有關(guān)。磁場輻射源的阻抗較低，因此具有較低的波阻抗，其反射損耗也較??；電場輻射源的阻抗較高，因此具有較高的波阻抗，其反射損耗也較大。

在遠(yuǎn)場下，電磁波的波阻抗與輻射源特性沒有關(guān)系，僅與電磁波的傳播介質(zhì)有關(guān)，比如空氣中電磁波傳播的波阻抗為377Ω，因此其反射損耗為。根據(jù)屏蔽材料的阻抗公式可知，屏蔽材料磁導(dǎo)率越小，電導(dǎo)率越大，其特性阻抗越小，反射損耗越大。

將電流環(huán)天線和偶極子天線分別在近場下的波阻抗帶入反射損耗公式可得如下各式，

電流環(huán)產(chǎn)生的主要是磁場輻射，反射損耗為：

偶極子產(chǎn)生的主要是電場輻射，反射損耗為：

上述的損耗曲線繪制如圖2所示，

圖2

根據(jù)上述各式和損耗曲線圖，可得到以下幾個(gè)明顯的結(jié)論：

（1）近場屏蔽時(shí)，需要考慮電磁波的種類，電場波的波阻抗較大，反射損耗較大；磁場波的波阻抗較小，反射損耗較小。

（2）隨著頻率升高，反射損耗與輻射源特性無關(guān)。

（3）屏蔽體和輻射源之間的距離對(duì)反射損耗的影響與輻射源的特性有關(guān)。對(duì)于電場源，距離越近，反射損耗越大，而磁場源則剛好相反。

2.2 吸收損耗

電磁波在屏蔽材料中的吸收損耗為：

L為屏蔽體的厚度，為趨膚深度。將趨膚深度公式帶入上式可得，

根據(jù)上式可得以下結(jié)論：

（1）吸收損耗和電磁波種類無關(guān)；

（2）吸收損耗和電磁波頻率有關(guān)，頻率越低，吸收損耗越小，即低頻電磁波具有很強(qiáng)的穿透力；

（3）頻率材料越厚，吸收損耗越大；

（4）屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大。

根據(jù)圖3所示的屏蔽效能曲線，可以總結(jié)得到如下有用的工程結(jié)論：

（1）低頻時(shí)的屏蔽效能與電磁波種類有關(guān)。低頻時(shí)，吸收損耗很小，屏蔽效能主要取決于反射損耗，而反射損耗與電磁波的波阻抗有關(guān)。即低頻時(shí)，電場波的屏蔽效能高于磁場波。

（2）高頻時(shí)的屏蔽效能與電磁波的種類基本無關(guān)。頻率升高，電磁波的吸收損耗增加，屏蔽效能主要取決于吸收損耗，而吸收損耗與電磁波種類無關(guān)。

（3）屏蔽效能與電磁波種類有關(guān)。電場波最容易屏蔽，磁場波最難，尤其是低頻磁場波，因?yàn)榈皖l，所以吸收損耗很小，而電磁波的波阻抗很小，所以反射損耗也很小，因此總的屏蔽效能很低。

圖3

根據(jù)上述的結(jié)論，可以簡單歸納如下的屏蔽措施：

（近場）電場屏蔽：靜電屏蔽、低頻交變電場屏蔽——使用良好接地的金屬導(dǎo)體制作；

（近場）磁場屏蔽：靜磁屏蔽、低頻交變磁場屏蔽——使用高磁導(dǎo)率材料（鐵鎳合金材料）構(gòu)成低磁阻通路；

（近場）高頻交變磁場屏蔽——利用低電阻的導(dǎo)體中形成的渦流產(chǎn)生反向磁通抑制入射磁場；由于磁導(dǎo)率隨著頻率增加而下降，磁性損耗很大，高頻磁屏蔽都使用低阻的良導(dǎo)體。鐵磁材料不適于高頻磁場屏蔽。

（遠(yuǎn)場）電磁屏蔽：高頻電磁場的屏蔽（高頻的交變電場產(chǎn)生高頻交變的磁場，而磁場又產(chǎn)生電池，形成電磁場）——使用低阻的良導(dǎo)體屏蔽材料來反射和吸收電磁波，從而隔離電磁場耦合；