九章屏蔽理论及其应用.ppt

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1、第九章 屏蔽理论及其应用,第一节 电磁屏蔽和屏蔽效能,屏蔽（shielding），就是用导电或导磁材料制成的金属屏蔽体（shield）将电磁骚扰源限制在一定的范围内，使骚扰源从屏蔽体的一面耦合或辐射到另一面时受到抑制或衰减。,频率高于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。,屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一。其目的有两方面：一是控制内部辐射区域的电磁场，不使超出某一区域，二是防止外来的辐射进入某一区域。因此，屏蔽的方法也是电磁干扰的空域控制方法。,一、屏蔽效能,1.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型

2、,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,一、屏蔽效能,1屏蔽效能的表示,屏蔽效能（Shielding effectiveness）表示屏蔽体对电磁骚扰的屏蔽能力和效果，它与屏蔽材料的性能、骚扰源的频率、屏蔽体至骚扰源的距离、以及屏蔽体上可能存在的各种不连续的形状和数量有关。,屏蔽系数是指被骚扰电路加屏蔽体后所感应的电压US与未加屏蔽体时所感应的电压U0之比，,传输系数T是指存在屏蔽体时某处的电场强度ES与不存在屏蔽体时同一处的电场强度E0之比，,或者存在屏蔽体时某处的磁场

3、强度HS与不存在屏蔽体时同一处的磁场强度H0之比，即,屏蔽效能是指不存在屏蔽体时某处的电场强度E0与存在屏蔽体时同一处的电场强度ES之比，常用分贝（dB）表示，即,或者不存在屏蔽体时某处的磁场强度H0与存在屏蔽体时同一处的磁场强度HS之比，常用分贝（dB）表示，即,传输系数与屏蔽效能互为倒数,由于屏蔽效能是内吸收损耗和反射损耗及多次反射损耗三部分组成，故传输系数为：,或 SE=A+R+B,A 为吸收损耗，以dB为单俭R 为反射损耗，以dB为单位B 为多次反射损耗,以dB为单位,式中 T吸收、T反射、T多次反射分别代表由于屏蔽体的吸收、反射及多次反射所引起的传输系数，故,屏蔽体通常能将电磁波的强

4、度衰减到原来的百分之一至百万分之一，,一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60B，屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB。100dB以上的屏蔽体是很难制造的，成本也很高。,无屏蔽场强：有屏蔽场强 屏蔽效能SE（dB）10：1 20 100：1 40 1000：1 60 10000：1 80 100000：1 100 1000000：1 120,衰减量与屏蔽效能的对应关系：,2屏蔽效能的计算方法,计算和分析屏蔽效能的方法主要有解析法、数值方法和近似方法。此外，依据电磁骚扰源的波长与屏蔽体的几何尺寸的关系，屏蔽效能的计算又可以分类为场的方法和路的方法。,一、屏蔽

5、效能,1.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,二电磁屏蔽的类型,从屏蔽的电磁场的性质来划分，,从屏蔽体的结构分类，可以分为,一、屏蔽效能,1.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,三静电屏蔽,电磁场理论表明，置于静电场中的导体在静

6、电平衡的条件下，具有下列性质：导体内部任何一点的电场为零；导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体表面垂直；整个导体是一个等位体；导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。,一、屏蔽效能,1.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,四交变电场屏蔽,设骚扰源g上有一交变电压Ug.，接受器s通过阻抗Zs接地，骚扰源对接受器的电场感应耦合等效为分布电容Ce的耦合，形成了由Ug、Zg、Ce和Zs构成的耦合

7、回路。接受器上产生的骚扰电压Us为,为了减小骚扰，可使骚扰源与接受器尽量远离，从而减小Ce,1 交变电场的耦合,为了减少骚扰源与接受器之间的交变电场耦合，在两者之间插入屏蔽体，如图,则屏蔽体上的感应电压为,2 存在屏蔽体的交变电场的耦合,Z1:金属屏蔽体对地阻抗,要使Us比较小，则C1、C2和Z1减小。,接受器上的感应电压为,若Z1=0，U1=0，Us=0。,即：屏蔽体必须良好接地，才能真正将骚扰源产生的骚扰电场的耦合抑制或消除，保护接受器免受骚扰。,交变电场屏蔽的基本原理: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路径。,一、屏蔽效能,1

8、.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能,五 磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,在载有电流的导线、线圈或变压器周围空间都存在磁扬。若电流是时变时，则磁场也是时变的处在时变磁场中的其他导线或线线圈就会受到干扰。另外，电子设备中的各种连接线往往会形成环路。这种环路会因外磁场的影响而产生感应电压，即受到外磁场干扰，若环路中有强电流，则会产生磁场发射，干扰其他设备。减小磁场干扰的方法，除在结构上

9、合理布续、安置元部件外，就是采取磁屏蔽。,采用分离变量法分析无限长磁性材料圆柱腔的静磁屏蔽效能，推导出在一定条件下此屏蔽效能的近似计算表达式,磁标位满足拉普拉斯方程,（i1，2，3）,边界条件：,r=a，Um1=Um2，,r=b，Um2=Um3，,依据假定静磁场B0沿 z 轴不变化，从而磁标位沿 z 轴不变化，简化成,一般解是,A0，B0，An，Bn，Cn，Dn 均为待定常数,如果原点 r=0包含在场域中，为使Um在该点保持有限值,远离圆柱腔处，不计磁化电荷的影响，磁场仍是B0=H0，磁标位则是,所以边界条件,磁标位解可简化成,整理后得,解得,式中,将已经确定的常数F代入式，考虑到，得圆柱腔内

10、的磁标位和静磁场,静磁屏蔽效能分析,令,如果相对磁导率,如果圆柱腔壁厚度t=b-a，平均半径R=(a+b)/2，且满足大半径、薄壁的条件（a2b2R2）时，上式可近似成,圆柱腔的静磁屏蔽效能可分别表示为,满足约束条件屏蔽体相对磁导率r1，且大半径、薄壁时的近似,例:钢（steel）、坡莫合金（78 Permalloy）及铁氧体（Maganese-Zinc ferrite），它们的相对磁导率分别依次为500、3000及5000。计算结果示于图,是内半径a=5 mm 时，屏蔽效能随厚度t和相对磁导率r变化的关系曲线。,表明：1.磁导率越高，屏蔽效能越大；2.屏蔽效能随厚度从零开始增加。但是当厚度增

11、加到某一值时，继续增加屏蔽体厚度屏蔽效能增加非常缓慢。,同一种屏蔽材料，不同厚度（平均半径远大于厚度）时屏蔽效能随内半径a变化的关系曲线,在大半径、薄壁条件下：壁厚度比平均半径对屏蔽效能的影响要大；同一厚度时，屏蔽空间的扩大将使屏蔽效能降低。但是，屏蔽效能降低的速率非常慢。,2 低频磁场的屏蔽,低频（100kHz以下）磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡膜合金等），其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对骚扰磁场进行分路。,如果磁路横截面是均匀的，且磁场也是均匀的,Rm为磁路中两点a、b间的磁阻,Um为磁路中两点间的磁位差，m为通过磁路的磁通量，即,采用高磁导率材料对低频磁场进行磁屏

12、蔽，主要靠屏蔽体的高磁导率对骚扰磁场的分路作用来达到磁屏蔽的目的。,（1）.矩形截面屏蔽盒的低频磁屏蔽效能,盒壁空气绝大部分磁通经盒壁通过减少了磁场对盒内空间的骚扰，达到低频磁场屏蔽的目的。,屏蔽盒：高磁导率材料,3 低频磁屏蔽效能的近似计算,式中、分别为空气的磁导率及屏蔽材料的磁导率；HS、Ht分别为屏蔽盒壁中的磁场强度及屏蔽盒内部空间的磁场强度。,设在单位长度所构成的（a1）内0流入屏蔽盒体，s流经盒壁t流经盒壁内的空间，,且,得：,流经屏蔽盒壁的磁阻,磁压降为,流经屏蔽盒内部空间的磁阻,磁压降,磁压降与计算路径无关,即,屏蔽效能为,得：,又,所以,又,得：,又:,表明：屏蔽材料的磁导率越

13、大，屏蔽盒的厚度t越大，则屏蔽效果越好。屏蔽盒垂直于磁场方向的边长a越小，屏蔽效能越大。低频磁屏蔽要求厚度t很大，这使屏蔽体既笨重又不经济。所以要得到好的磁屏蔽效果，最好采用多层屏蔽。,铁磁材料作屏蔽体时：越高、屏蔽罩越厚（即S越大），则磁阻Rm越小，磁屏蔽效果越好。选用高磁导率材料（如坡膜合金），并使屏蔽罩有足够的厚度，有时需用多层屏蔽。,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。,用铁磁材料作的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应开口或又缝隙。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。,（2）.圆柱形及

14、球形壳体低频磁屏蔽效能的近似计算,圆柱形磁屏蔽壳体的内半径a、外半径b平均值为，,且，骚扰磁场方向垂直圆柱形磁屏蔽壳体的轴向时，屏蔽效能,当球形磁屏蔽壳体的内半径a、外半径b平均值为,且,(3)磁屏蔽材料的频率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金属,镍钢,冷轧钢,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r 103,磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多是直流情况下的，随着频率增加，导磁率会下降，一般直流磁导率越高，其随着频率下降越快。高导磁率材料通常应用在10kHz以下。,钢的相对磁导率 频率（MHz）r 0.0001 1000 0.001 1000 0.01 1000 0.1 100

15、0 1.0 700 10.0 500 100.0 100 1000.0 50,(4)磁导率随场强的变化,磁通密度 B,磁场强度 H,饱和,起始磁导率,最大磁导率,=B/H,在场强适中的部分，磁导率最高，这时屏蔽效能最高。,在场强大或小时，磁导率都较低。,当场强超过饱和点时，磁导率迅速下降。,(5)屏蔽强磁场时的问题：,高导磁率材料：饱和,低导磁率材料：屏效不够,低导磁率材料,高导磁率材料,当要屏蔽的磁场很强时，需要使用导磁率较高的材料，但这种材料容易饱和。如果用比较不容易饱和的材料，往往由于=较低，屏蔽性能又达不到要求。,解决方法：采用双层屏蔽可以解决这个问题。先用导磁率较低，但不容易饱和的材

16、料将磁场强度衰减到较低的程度，然后用高导磁率材料提供足够的屏蔽。多层屏蔽的屏蔽效能要比单层屏蔽（即使没有饱和）的屏蔽效能高，因为多了两层反射界面。,加工的影响,20,40,60,80,100,10 100 1k 10k,跌落前,跌落后,对高导磁率材料进行机械加工，如焊接、折弯、打孔、剪切、敲打等，都会降低高导磁率材料的磁导率。工件受到机械冲击也会降低磁导率。从而影响屏蔽体的屏蔽效能。,解决方法：按照材料生产厂商的要求进行热处理。,4高频磁场的屏蔽,高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料，如铜、铝等。其屏蔽原理是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,由于良导体金属

17、材料对高频磁场的屏蔽作用是利用感应涡流的反磁场排斥原骚扰磁场而达到屏蔽的目的，所以屏蔽盒上产生涡流的大小直接影响屏蔽效果,把屏蔽盒看成是一匝的线圈，I为线圈的电流，M为屏蔽盒与线圈之间的互感，、为屏蔽盒的电阻与电感，为屏蔽盒上产生的涡流。,讨论:,(1)频率频率高时，。,可忽略不计，则有,说明：a.在高频情况下，感应涡流产生的反磁场已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。b.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。,式中k为线圈与屏蔽盒之间的耦合系数；n为线圈的圈数；

18、ns为屏蔽盒的圈数1，,在频率低时，,低频时，产生的涡流也小，因此涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场。故利用感应涡流进行屏蔽在低频时效果是很小的，这种屏蔽方法主要用于高频。,（2）屏蔽材料屏蔽体电阻越小，则产生的感应涡流越大，而且屏蔽体自身的损耗也越小。所以，高频磁屏蔽材料需用良导体，常用铝、铜及铜镀银等。,（3）屏蔽体的厚度由于高频电流的集肤效应，涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，而屏蔽盒的内层被表面涡流所屏蔽。所以高频屏蔽盒无需做的很厚.一般取屏蔽盒的厚度为0.2 0.8mm。（4）屏蔽盒的缝隙或开口屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口。因为垂直于涡流的方向上有缝隙或开口时，将切断涡流

19、，而这意味着涡流电阻增大，涡流减小，屏蔽效果变差。屏蔽盒上的缝隙或开口尺寸一般不要大于波长的1/501/100。（5）接地磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。,一、屏蔽效能,1.屏蔽效能的表示,2.屏蔽效能的计算方法,二.电磁屏蔽的类型,三.静电屏蔽,四.交变电场屏蔽,五.磁场的屏蔽,1 静磁屏蔽,2 低频磁场的屏蔽,3 低频磁屏蔽效能近似计算,4 高频磁场的屏蔽,六电磁屏蔽,电磁屏蔽和屏蔽效能,六电磁屏蔽电磁屏蔽:指同时抑制或削弱电场和磁场从广义角度，所有屏蔽均属电磁屏蔽。从狭义角度，电磁屏蔽是指从110kHz到40GHz频率范围的屏蔽.电磁屏蔽的机理:外界交变电流的作用 感应电流在屏蔽空间产生与外界电磁场方向相反的电磁场抵消了外界电磁场产生屏蔽效果,(1）电磁屏蔽较适用于高频，低频时感应电流小，屏蔽效果较差。(2)应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续，使感应电流能在壳体中畅流，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。,