電磁屏蔽機(jī)理和設(shè)計(jì)分析

楊 揚(yáng) 張世全

（武警工程學(xué)院，陜西 西安710086）

引言

隨著社會(huì)的疾速發(fā)展，人們的生活也越來(lái)越離不開電氣設(shè)備。因?yàn)殡姽る娮釉O(shè)備的廣泛使用使人類被籠罩在電磁場(chǎng)的環(huán)境下的可能性越來(lái)越大，電工電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾不僅會(huì)擾亂公共安全和通信設(shè)備的正常工作，而且對(duì)于居民日常的生活甚至人身安全都會(huì)造成影響和危害。

1 電磁干擾的形成機(jī)理

電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡(jiǎn)稱EMI，即由電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或傳輸性能的下降。電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降，或者對(duì)有生命或無(wú)生命物產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因可能是外界因素，也可能是自身的變化，它可引起設(shè)備和系統(tǒng)的降級(jí)或損害，但不一定會(huì)形成后果。而電磁干擾則是由電磁騷擾引起的后果，造成電磁干擾的后果須有三個(gè)條件：騷擾源、導(dǎo)致干擾傳播的途徑及受害設(shè)備。因此，要想達(dá)到設(shè)備的電磁兼容，需要消除騷擾源或削弱它的強(qiáng)度，破壞干擾傳播的途徑或減少干擾耦合度，精心設(shè)計(jì)受害設(shè)備的選擇性或提高其抗干擾能力。引發(fā)電磁干擾的原因可能是另一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的有用電磁信號(hào)，也可能是某種電磁噪聲。

2 電磁屏蔽機(jī)理

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。由于電子技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，在人類活動(dòng)的空間無(wú)處不充斥著電磁波，因此，電子設(shè)備不解決電磁波干擾問(wèn)題，就不能兼容工作。在實(shí)際應(yīng)用中，人們?cè)谘芯靠垢蓴_技術(shù)方面也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，不斷地研究出許多實(shí)用的方法來(lái)消除電磁干擾。

電磁屏蔽機(jī)理.主要包括以下幾個(gè)方面：①當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；②未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過(guò)程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；③在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時(shí)，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會(huì)形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個(gè)金屬的交界面上可能有多次的反射。總之，電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。

3 電磁屏蔽的技術(shù)原理

電磁屏蔽是電磁兼容技術(shù)的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來(lái)，使其外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來(lái)，使其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施。

3.1 靜電屏蔽

用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來(lái)，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會(huì)有電場(chǎng)存在，即帶正電導(dǎo)體的電場(chǎng)被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。

3.2 交變電場(chǎng)屏蔽

為降低交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于交變電場(chǎng)電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。電場(chǎng)屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過(guò)大，而以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。

3.3 交變磁場(chǎng)屏蔽

交變磁場(chǎng)屏蔽有高頻和低頻之分。低頻磁場(chǎng)屏蔽是利用高磁導(dǎo)率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場(chǎng)被集中在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導(dǎo)率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場(chǎng)屏蔽的效果越好。當(dāng)然要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)。高頻磁場(chǎng)的屏蔽是利用高電導(dǎo)率的材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來(lái)抵消干擾磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)的。

3.4 交變電磁場(chǎng)屏蔽

一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。屏蔽體的厚度不必過(guò)大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。

4 電磁屏蔽的設(shè)計(jì)措施

為了解決微電技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)在汽車上的應(yīng)用和推廣，根據(jù)需要和實(shí)際要求，可以設(shè)計(jì)出效果良好的濾波電路，置于前級(jí)可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處;可以設(shè)置隔離電路，如變壓器隔離和光電隔離等解決通過(guò)電源線、信號(hào)線和地線進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長(zhǎng)線傳輸而引起的干擾;也可以設(shè)置能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量;或通過(guò)選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng)，使干擾的影響減小。

微機(jī)設(shè)備的軟件抗干擾主要是穩(wěn)定內(nèi)存數(shù)據(jù)和保證程序指針。微機(jī)是一個(gè)可編程控制裝置，軟件可以支持和加強(qiáng)硬件的抗干擾能力。如果微機(jī)系統(tǒng)中隨機(jī)內(nèi)存RAM主要用于測(cè)量和控制時(shí)數(shù)據(jù)的暫時(shí)存放，內(nèi)存空間較小，對(duì)存放的數(shù)據(jù)而言，若將采集到的幾組數(shù)據(jù)求平均值作為采樣結(jié)果，可避免在采集時(shí)因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實(shí)性;如果存放在隨機(jī)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)因干擾而丟失或者數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以在隨機(jī)內(nèi)存區(qū)設(shè)置檢驗(yàn)標(biāo)志;為了減少干擾對(duì)隨機(jī)內(nèi)存區(qū)的破壞，可在隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片的寫信號(hào)線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)。軟件抗干擾的措施也很多，如數(shù)字濾波程序、抗窄脈沖的延時(shí)程序、邏輯狀態(tài)的真?zhèn)闻袆e等。有時(shí)候，必須采用軟件和硬件相結(jié)合的辦法才能抑制干擾，常用的辦法是設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，從而保護(hù)程序正常運(yùn)行。

由于電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，而且各種干擾設(shè)備的輻射很復(fù)雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術(shù)措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)或設(shè)備的兼容性。例如，通信系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該嚴(yán)格進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電波測(cè)試，有針對(duì)性地選擇頻率及極化方式，避開雷達(dá)、移動(dòng)通信等雜波干擾;高壓線選擇路徑時(shí)，應(yīng)盡量繞開無(wú)線電臺(tái)或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽;接收設(shè)備與工業(yè)干擾源設(shè)備適當(dāng)配置，使接收設(shè)備與各種工業(yè)干擾源離開一定距離;在微波通信電路設(shè)計(jì)中，為了減少干擾，可采用天線高低站方式調(diào)整微波電路反射點(diǎn)，并利用山頭阻擋反射波，使之不能對(duì)直射波形成干擾。另外，微波鐵塔是獨(dú)立的高大建筑物，應(yīng)采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁兼容的中心課題是研究控制和消除電磁干擾，使電子設(shè)備或系統(tǒng)與其他設(shè)備聯(lián)系在一起工作時(shí)，不引起設(shè)備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。一個(gè)設(shè)計(jì)理想的電子設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)該既不輻射任何不希望的能量，又不受任何不希望有的能量的影響。但由于電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，而且各種干擾設(shè)備的輻射很復(fù)雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術(shù)措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)或設(shè)備的兼容性。

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