低頻電磁屏蔽效能研究＊

向春清 丁 飛

（91919部隊 黃岡 438000）

1 引言

隨著通信電子、電源技術的高速發(fā)展，設備的靈敏度越來越高，低頻電磁輻射干擾現(xiàn)象越來越受到重視，減少低頻電磁輻射對弱電設備的影響研究也越來越重要。電磁屏蔽作為有效解決電磁波輻射或傳導危害問題的重要手段之一[1]，得到廣泛的重視和運用。為解決低頻段（60Hz～800Hz）的輻射危害問題，應對電磁屏蔽技術進行更深入的理解，研究電磁屏蔽效能與屏蔽體結構、源特性的關系。

2 電磁屏蔽技術原理

電磁屏蔽用于減弱由某些輻射源所產(chǎn)生的空間某個區(qū)（不含源本身）內(nèi)的電磁場結構，以某種材料（導電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，主要利用金屬屏蔽體阻止或衰減電磁騷擾能量的傳輸，形成電磁隔離[2]。根據(jù)輻射源處于屏蔽體的內(nèi)外，電磁屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽指輻射源處于屏蔽體內(nèi)部，限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄露；被動屏蔽指輻射源處于屏蔽體外部，防止或減弱外部輻射的電磁能量對屏蔽體內(nèi)部的影響。電磁屏蔽按屏蔽原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

2.1 電場屏蔽

電場屏蔽主要是為了防止兩個回路間的寄生電容耦合，采用低電阻材料制成屏蔽殼體，切斷屏蔽內(nèi)外的電力線交連。電場屏蔽只能消除電容耦合，防止靜電感應，屏蔽體必須良好接地。電場屏蔽以反射損耗為主。

2.1.1 靜電屏蔽

用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，屏蔽體良好接地，在屏蔽體的內(nèi)側感應出與帶電導體等量的負電荷，外側出現(xiàn)等量的正電荷通過接地體流入大地，實現(xiàn)帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。

2.1.2 交變電場屏蔽

為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾，可在輻射源和敏感電路間設置良好接地的金屬屏蔽體。交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓取決于交變電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻的大小。

2.2 磁場屏蔽

磁場屏蔽是抑制輻射源和敏感設備間由于磁場耦合產(chǎn)生的干擾，把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，阻擋內(nèi)部磁場向外擴散或外部磁力線進入，為屏蔽體內(nèi)外的磁場提供低磁阻的通路來分流磁場。磁場屏蔽以吸收損耗為主。低頻磁場屏蔽利用高磁導率材料構成低磁阻通路，屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽效果越好，通常采用磁性材料如鐵、鋼、坡莫合金等進行屏蔽。高頻磁場的屏蔽利用低電阻率的良導體料產(chǎn)生的渦流的反向磁場來抑制或抵消輻射磁，通常采用鋁、銅及銅鍍銀等材料屏蔽[3]。

2.3 電磁屏蔽

電磁屏蔽是對電場和磁場同時加以屏蔽，一般采用電導率高的材料作為屏蔽體，并將屏蔽體良好接地，利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反向的渦流磁場與原磁場抵消而抑制高頻磁場的干擾，屏蔽體良好接地實現(xiàn)電場屏蔽。良導電材料同時具有對電場和高頻磁場屏蔽的作用，由于高集膚效應，屏蔽體以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。

3 屏蔽效能

屏蔽效能（SE）表現(xiàn)屏蔽體對電磁波的衰減程度，定義為：屏蔽前某點的場強與屏蔽后該點的場強之比[4]。常用分貝（dB）表述。

式中An為吸收損耗，A0為反射損耗，B為多次反射損耗。對于低頻范圍電磁屏蔽主要考慮低頻、低阻抗磁場屏蔽。

3.1 磁場反射損耗

由于空氣和屏蔽金屬的電磁波阻抗不同，使入射電磁波產(chǎn)生反射作用。對于低阻抗場，磁場的反射將完全小于電場的反射，場的阻抗隨距離和頻率而變化，磁場源近場中的反射損耗為

式中f為頻率（Hz），σγ為相對電導率，μγ為相對磁導率，r為輻射源到屏蔽體的距離（cm）。

3.2 吸收損耗

進入金屬屏蔽體內(nèi)的電磁能量邊向前傳輸邊衰減，入射波在金屬體內(nèi)被有效地吸收，吸收損耗與波阻抗無關，與金屬的厚度成正比，與集膚深度成反比，吸收損耗An（dB）為

式中l(wèi)屏蔽材料的厚度（mm）。

3.3 多次反射損耗

當An＞10dB時，多次反射損耗可忽略不計。當An沒有遠大于5時，電磁波在屏蔽體內(nèi)部的多次反射是顯著的，多次反射損耗為

式中Zm為屏蔽金屬的電磁波阻抗，Zw為空氣的電磁波阻抗。

3.4 組合屏蔽體的屏蔽

在屏蔽要求很高的情況下，單層屏蔽往往難以滿足要求，需要采用多層混合結構的組合屏蔽體。雙層屏蔽體的吸收系數(shù)S和反射系數(shù)分別為

式中S1、S2、P1、P2分別為兩層屏蔽體的吸收衰減系數(shù)和反射衰減系數(shù)。雙層屏蔽體的屏蔽效能為

多層屏蔽體的吸收系數(shù)和反射系數(shù)可連續(xù)按照兩層屏蔽體的辦法求取，從而確定多層屏蔽體的屏蔽效能[5]。

4 屏蔽體的主要特性及規(guī)律

由屏蔽效能分析可知，低阻抗磁場屏蔽效果取決于電磁輻射源頻率、屏蔽體厚度，屏蔽材料導電率和導磁率等因素[6]。導磁材料分為強磁材料（鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鋼等金屬）和抗磁材料（如銅等金屬）?？勾牌帘误w和強磁屏蔽體的頻率特性曲線見圖1[5]，在0～f1（3kHz～10kHz）的低頻范圍和f2（1MHz）以上區(qū)域，強磁屏蔽體比抗磁屏蔽體屏蔽效果好，在f1和f2范圍內(nèi)，抗磁屏蔽體比強磁屏蔽體屏蔽效果好。

當采用強磁材料做屏蔽材料時，要考慮其磁飽和特性，不能讓材料處于磁飽和狀態(tài)，否則材料的屏蔽性能會大幅下降。根據(jù)常用碳素鋼磁變化特性，可計算出幾種碳素鋼的H－μr曲線見圖2。

圖1 屏蔽體的頻率特性曲線

圖2 碳素鋼的H－曲線

單層鋼板、銅板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能（dB）見表1。不同間隔的雙層25＃鋼板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能（dB）見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，對于低阻抗磁場屏蔽，多層屏蔽體層間間隔對屏蔽效能影響較小，屏蔽體各層厚度越厚，屏蔽效果越好。電磁屏蔽門和孔隙對屏蔽效能有較大影響[7～9]，在工程實踐中要針對具體要求進行特殊屏蔽技術處理。

表1 鋼板、銅板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能

表2 不同間隔的雙層鋼板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能

5 低頻屏蔽體工程實現(xiàn)及實際效能測試

圖3 低頻磁場屏蔽效能測試結果

為減少大電流高壓調(diào)壓器對周圍設備和人員的輻射危害，對其進行電磁屏蔽處理。輻射源位于屏蔽體中心，屏蔽體采用雙層鋼板方體屏蔽結構，外層殼體與墻面絕緣并良好接地，屏蔽門采用雙層鋼板屏蔽門，通風窗安裝截止波導窗[10]處理。根據(jù)國家標準 GB12190－2006《高性能電磁屏蔽室屏蔽效能的測量》，在60～800Hz低頻范圍采用小環(huán)法測量，輻射信號源與接收天線距離屏蔽體30cm處，接收設備采用數(shù)字示波器和小環(huán)天線，屏蔽體的低頻磁場屏蔽效能測試結果見圖3，實際測試結果與計算模擬值相近。

6 結語

在討論電磁屏蔽技術原理的基礎上，本文分析了低頻范圍內(nèi)（60～800Hz）的電磁屏蔽效能，屏蔽體的主要特性和規(guī)律，單層鋼板、銅板和不同間隔雙層鋼板對60Hz低頻阻抗磁場的屏蔽效能。在工程實踐上運用雙層鋼板屏蔽體屏蔽高壓大電流調(diào)壓器的電磁輻射危害，根據(jù)國家標準GB12190－2006運行小環(huán)法在60Hz～800Hz頻率范圍內(nèi)進行了屏蔽效能測試，有效解決了低頻范圍的電磁輻射危害問題。

隨著屏蔽材料技術的進展[11]，出現(xiàn)了工業(yè)硅鋼、鐵鎳合金、導電高分子聚合物以及非晶型屏蔽材料和納米材料等新型材料，尤其是鐵鎳合金在低頻磁場中的屏蔽效果非常好，由于造價等因素，在工程實踐上使用較少，有些材料還在實驗室研究階段，但應用前景廣闊。本文討論的低頻屏蔽技術可應用于變電站、低頻電磁泄漏、低頻電磁干擾等需要電磁屏蔽的工程場合。

[1]蔡仁鋼.電磁兼容原理、設計和預測技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997

[2]楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京：人民郵電出版社，2004

[3]李雪，劉泰康，姜云.電磁屏蔽分析[J].電子工藝技術，2007，28（1）：49～51

[4]姚淳，郭祥玉.電磁屏蔽技術探討[J].電源技術運用，2005，8（4）：36～41

[5]高攸綱.屏蔽與接地[M].北京：北京郵電大學出版社，2004

[6]張鑫銘，馬燕.電磁屏蔽效能穩(wěn)定性研析[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2001（1）：98～103

[7]盧新科，沈華春，胡超.電磁屏蔽門效能分析與仿真[J].電子質(zhì)量，2008（11）：85～87

[8]顧欣，毛志伋.電子設備的電磁屏蔽[J].北京廣播學院學報，2001（2）：48～54

[9]徐亮.縫隙對屏蔽效能的影響分析[J].信息與電子工程，2008（3）：19～22

[10]吳淑忠，舒志強.截止波導板在電磁屏蔽中的應用[J].電子質(zhì)量，2008（5）：120～122

[11]何和智，方望來，陳哲.電磁屏蔽材料的研究現(xiàn)狀與進展[J].塑料工業(yè)，2008（11）：4～7