[讨论] 电磁屏蔽技术的分析研究

摘  要：在现实生活中由于干扰普遍存在，人们为避免干扰而想尽了各种屏蔽方法，但效果并不理想。电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一，大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需对电路做任何修改。本文在分析各种干扰源性质的基础上，分别对电场屏蔽和磁场屏蔽进行了详细的介绍，以实现最佳的抗干扰效果。

关键词：电场屏蔽，磁场屏蔽，耦合干扰

1  引言

随着电子设备的大量使用，由于干扰普遍存在，严重的干扰会使电子设备不能正常工作，因此，控制干扰源，抑制电磁干扰已是现在进行电子电路设计、应用时考虑的主要问题之一。而采用屏蔽技术是抗干扰的有效措施，但对于干扰源的各种不同情况，如不加分析采取千篇一律的屏蔽措施，不但不能收到满意的效果，甚至因为屏蔽方式的不当，会出现弄巧成拙的情况。本文对干扰源进行具体分析，然后“对症下药”，采取恰当的屏蔽方式，最大限度地抑制干扰，以提高电子设备运行的可靠性。

2  电场屏蔽

2.1 理论分析

当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与电子设备之间就存在容性电场耦合，以这种情况下，最有效的抗干扰办法是施行电场屏蔽。如图1（a）所示，图中干扰源对地电压为Ux，电子设备对地阻抗为Zs，两者之间存在耦合电容为图中C，则电子设备上的耦合干扰电压为：

Us＝jωCZsUn/(1+jωCZs)     （1）

(a) 电场屏蔽                      

（b）金属壳体屏蔽

图1 电场耦合及屏蔽示意图

由式（1）可知：耦合干扰的大小与频率有关，频率升高，干扰增加。因此，频率越高，采用屏蔽越有必要，屏蔽效果越明显。

若用金属壳体将干扰源屏蔽起来，如图1（b）所示，图中C₁为干扰源与屏蔽壳体之间的电容，C₂为电子设备与屏蔽壳体之间的电容，Zm为屏蔽壳体对地阻抗。可求得屏蔽后耦合干扰电压为：

Us =ω²C₁C₂ZmZsUn/{(ω²C₁C₂ZmZsUn-1) -jω[(C₁+C₂)Zm+C₂Zs]}        (2)

2.2 屏蔽对策

如果将屏蔽壳体理想接地，即Zm＝0，则Us＝∞，耦合干扰可完全消除。也就是说，要想完全消除上述干扰的必要条件是要求屏蔽壳体良好接地。如果屏蔽壳体不接地，此时Zm＝∞，且C₁>C，C₂>C，比较式（1）与式（2），Us₂>Us₁，可见屏蔽后的耦合干扰，不但不能抑制，反而更加严重了。

同样，如果干扰源不屏蔽，而将电子设备屏蔽，结果与上述屏蔽效果类似。

3 磁场屏蔽

当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对临近信号形成干扰。抑制这类干扰，有效办法是施行磁场屏蔽。

磁场屏蔽首先应注意到干扰源的频率高低，因为随干扰频率的不同，屏蔽原理也不同，它将涉及到屏蔽材料的选用以及屏蔽壳体设计、制作等诸方面的问题，若不加分析就不可能达到抑制干扰的效果。

3.1 低频磁场屏蔽

3.1.1 理论分析

这里所指低频一般在100kHz以下。如图2 所示，设相近的两平行导线1 和导线2。导线1 对导线2的磁场耦合干扰为：

U₂=jωMI₁     （3）

图2  导线的磁耦合

式中：M为两导线间的分布互感，M＝Φ/I₁；I₁为导线1流过的电流；Φ为电流；I₁产生的对导线2交连的磁通。为抑制磁场耦合干扰，应尽量减少分布互感M，也就是减少干扰源与被干扰电路之间的交连磁通Φ。

3.1.2 屏蔽对策

屏蔽此类干扰，建议选用具有高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体，将干扰源屏蔽起来，这样能使干扰源产生的磁通被引导至铁磁材料中，从而不与被干扰的电路交连。同理，也可将被干扰的电路屏蔽起来。有关屏蔽壳体的制作，应注意下列事项：所选用材料磁路的磁阻Rm越小越好Rm＝L/μS（L为磁路长度；S为磁路横切面积；μ为导磁率）。从上式可知：选用μ值高的铁、硅钢片、坡莫合金等；在屏蔽壳体设计时，应使壳体有足够的厚度以增大S，达到增加屏蔽效果的目的；在垂直于磁通方向不能开口，以免增大磁阻；为了更好地提高屏蔽效果，有时采用多层屏蔽，在安装时要注意将屏蔽壳体拧紧。

3.2 高频磁场屏蔽

3.2.1 理论分析

频率在100kHz以上高频磁场的屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到目的。上述铁磁材料在高频情况下，其磁性损耗太大，不利于在屏蔽壳体上形成尽量大的涡流，达不到有效消除高频磁场干扰的目的。图3为一个良导体制成的屏蔽壳体对一个电子线路的屏蔽等效电路图。

图3  电子电路屏蔽等效示意图

图3中，L为电子电路的电感；M为电子电路与屏蔽壳体的互感；Ls为屏蔽壳体的电感；I为电子电路的电流；Rs为屏蔽壳体的电阻。从而可得出屏蔽壳体上形成的涡流为：

Is=jωMI/(Rs+jωLs)    （4）

当频率高时，ωLs>>Rs，此时Rs可忽略不计，则式（4）可简化为

Is≈MI/Ls    （5）

当频率低时，ωLs<<Rs，此时ωLs可忽略不计，则式（4）可简化为

Is≈jωMI/Rs    （6）

3.2.2 屏蔽对策

由式（4）可知，涡流随频率升高而增大，这说明高频磁场屏蔽应选用导电材料。

由式（5）可知，在高频段，涡流大小与频率无关，即涡流随频率升高增大到一定程度后，继续升高频率其屏蔽效果就不再增强了。

由式（6）可知，在低频段，ω低，Is小，其屏蔽效果差；Rs小，Is大，屏蔽效果好，而且屏蔽损耗也少，这就要求屏蔽材料选用良导体。

由于高频集肤效应，涡流仅在屏蔽壳体表面薄层流过，因此，在设计高频屏蔽壳体时，与低频屏蔽壳体不同，无需做得很厚，只需保证一定的机械强度即可，一般为0.2~0.8mm。对于屏蔽导线，通常采用多股线编织网，因其在相同体积下有更大的表面积。

4  结语

在屏蔽技术的使用上，为达到良好的效果，应根据干扰源的实际情况，分别采取不同的方法：

当干扰源产生的干扰是以电压方式出现时，应采取电场屏蔽的方法。要求屏蔽壳体良好接地，接地电阻应小于2mΩ。

当干扰源产生的干扰是以电流形式出现时，应采取磁场屏蔽的方法。

当干扰源的频率低于100kHz时，采用高导磁率的铁磁材料来做屏蔽壳体，屏蔽壳体尽可能厚一些，应注意不能在磁通垂直方向开口。

当干扰源的频率高于100kHz时，应采用良导体的材料来做屏蔽壳体，壳体的厚度只考虑满足机械强度的要求，仅0.2~0.8mm即可。

通过以上的研究与分析，使我们能在以后电磁干扰的屏蔽问题上做到对症下药，处理自如。

参考文献：

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[3] 张建军、宋书善，电磁干扰的途径和抑制技术[J]，济南交通高等专科学校学报，1998（6），Vol.6 No.2：25-29

[4] 怎样做好电磁屏蔽[J]，今日电子，2002（8）：42-44

[5] 赖祖武，电磁干扰防护与电磁兼容[M]，北京：原子能出版社，1993

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