電磁干擾的屏蔽技術(shù)研究*

宋凱平 彭德強(qiáng) 王一飛 徐宗航 陳中青

(中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心 揚(yáng)州 225001)

電磁干擾的屏蔽技術(shù)研究*

宋凱平 彭德強(qiáng) 王一飛 徐宗航 陳中青

(中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心 揚(yáng)州 225001)

簡(jiǎn)單描述電磁干擾源、電磁干擾的傳播途徑和敏感接收器三要素,研究適當(dāng)?shù)钠帘渭夹g(shù)、相應(yīng)的工藝及抑制電磁干擾的有效手段。

電磁干擾; 屏蔽技術(shù)

Class Number TN03

1 引言

電磁干擾源、電磁干擾的傳播途徑和敏感接收器構(gòu)成了電磁兼容各個(gè)領(lǐng)域都要涉及的課題。屏蔽室利用具有低阻抗和磁性(μr)金屬材料,將電磁干擾源全部地包裹起來,是抑制電磁干擾源的有效措施。全部包裹起來,在具體的設(shè)計(jì)中會(huì)遇到種種問題:各類電源線、信號(hào)線、控制線和網(wǎng)絡(luò)線的進(jìn)出,環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與電磁兼容性設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌、設(shè)計(jì)、制造、工藝、管理與實(shí)施,都給電磁干擾屏蔽造成誤差[1]。

2 與屏蔽相關(guān)的微波概述

1) 電磁屏蔽原理:使用有屏蔽殼體的傳輸線時(shí),當(dāng)輻射場(chǎng)通過金屬殼體,電磁干擾能量由于趨膚效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)體損耗,同時(shí)殼體內(nèi)的反射還會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗。在微波傳輸線(平行雙導(dǎo)線、帶狀線、同軸線)中,電磁波傳輸?shù)闹髂闄M電磁波(TEM

波),這種傳輸線的特性阻抗Z0和傳輸參數(shù)r:

(1)

α=αc+αd

屏蔽體應(yīng)參考同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間的尺寸與特性阻抗的公式來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)

圖1 同軸電纜的內(nèi)外徑尺寸

圖中,a為屏蔽殼體虛擬的內(nèi)導(dǎo)體外徑,b為屏蔽殼體的外導(dǎo)體內(nèi)徑。

在同軸線中導(dǎo)體銅損耗引起的衰減為

2) 平行耦合帶狀線的電力線分布圖

這里介紹平行耦合帶狀線的電力線分布圖,幫助理解在屏蔽殼體內(nèi)電磁干擾源的電磁場(chǎng)分布。

圖2 微波帶狀線電力線分布

上面提到了傳導(dǎo)損耗中的介質(zhì)損耗αd,它與線的結(jié)構(gòu)形式無關(guān),而與支撐傳輸線的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)相關(guān):

當(dāng)μr=1時(shí),tanδ=0.0001～0.05

如果介質(zhì)是空氣,εr≈1。

3) 波導(dǎo)中的小孔耦合

波導(dǎo)壁上開的小孔,小孔上電場(chǎng)的激勵(lì)所產(chǎn)生的電偶極子與小孔上磁場(chǎng)的激勵(lì)所產(chǎn)生的磁偶極子,在小孔內(nèi)畸變場(chǎng)導(dǎo)致了再輻射的電磁場(chǎng)。依據(jù)麥克斯韋方程組中的安培定律公式:

(3)

4) 傳輸線諧振器

圖3 天線振子諧振

在微波技術(shù)中常用一段開路傳輸線或短路傳輸線作為諧振器,把諧振器作為天線。經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計(jì)才能制作方向性天線。天線上的電流分布圖如圖4所示。

傳輸線的長(zhǎng)度集中參數(shù)R、L、ω響應(yīng)電路

圖4 傳輸線諧振器的等效電路

3 理想的屏蔽體

表1 金屬材料相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率[8]

均勻屏蔽理論是把金屬板屏蔽體看成為無洞、無孔、無縫隙、接地又是無限大的均勻的平面,其屏蔽效能由屏蔽材料所決定。橫電磁波垂直投射無限大的金屬屏蔽板,其厚為t,此板的屏蔽效能為

=A1+A2+A3

(4)

4 實(shí)際應(yīng)用的屏蔽體

屏蔽體一般都采用在儀器儀表、系統(tǒng)控制、計(jì)算機(jī)外殼,其目的是為抑制干擾源的輻射擴(kuò)散,達(dá)到在局部空間內(nèi)的各類電氣電子設(shè)備與環(huán)境相適應(yīng)的電磁兼容性,各種電氣電子設(shè)備的騷擾源降至容許的范圍以下,抑制干擾能力在敏感閾值之上。各類電氣電子設(shè)備的殼體的應(yīng)用都要實(shí)現(xiàn)自身的功能和任務(wù)。在有限殼體上分布有輸入/輸出端子孔,顯示或指示窗、縫隙,將有限殼體的金屬板人為地設(shè)置各式各樣的不連續(xù)斷點(diǎn)(或線、或面),使殼體的屏蔽效能大大降低。

1) 開孔影響屏蔽效能

為防止縫隙電磁干擾的泄漏,設(shè)計(jì)、工藝和制造者都應(yīng)給與高度重視?？p隙泄漏要比孔泄漏嚴(yán)重得多,整改十分艱難,嚴(yán)重者會(huì)顛覆原來的設(shè)計(jì)。這里提出幾點(diǎn)建議:(1)設(shè)計(jì)縫隙盡可能的深一些,縫隙接觸面盡量大一些,間隙越小越好;(2)縫隙的導(dǎo)電性能優(yōu)良,縫隙之間無涂層;(3)焊接縫隙要保證金屬板的連續(xù)性?？p隙的長(zhǎng)度為無限長(zhǎng)度時(shí),t為屏蔽殼體金屬板的厚度,g為縫隙的間隙,縫隙對(duì)磁場(chǎng)的衰減為

(5)

5 設(shè)計(jì)屏蔽殼體的見解

屏蔽殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、內(nèi)部器件和部件對(duì)象決定屏蔽設(shè)計(jì)及屏蔽殼體材料的選擇。

圖5 非導(dǎo)磁金屬材料屏蔽體的電磁場(chǎng)分布圖

1) 屏蔽殼體材料的選擇

(1)當(dāng)屏蔽殼體內(nèi)的部件工作頻率在30MHz以上可選用銅和鋁材料。

(2)當(dāng)屏蔽殼體內(nèi)的部件是開關(guān)電源,控制部件工作頻率在30MHz以下,以屏蔽磁場(chǎng)干擾應(yīng)選用μr?1的金屬材料。

眼下，社交電商發(fā)展得風(fēng)生水起。近期，某社交電商企業(yè)陷入了輿論漩渦，被貼上山寨產(chǎn)品聚集地、“碰瓷”大牌、銷售假冒偽劣商品、涉嫌虛假宣傳等諸多標(biāo)簽，讓人不禁為其發(fā)展前景捏把汗。然而，該平臺(tái)創(chuàng)始人接受采訪時(shí)透露，相關(guān)負(fù)面輿情曝出后，銷售額沒受影響，受關(guān)注度明顯變高。這就有點(diǎn)“我們銷量好著呢，你們吐槽不頂用”的意思。輿論場(chǎng)中也有不少類似含義的翻版表述，比如“這是一種市場(chǎng)營(yíng)銷策略，無可厚非”“賣家與買家是一個(gè)愿打一個(gè)愿挨，并無不妥”等。其商業(yè)邏輯，一言以蔽之：存在即合理。

(3)屏蔽殼體必須具有良好的導(dǎo)電率,對(duì)電場(chǎng)的屏蔽主要應(yīng)用其導(dǎo)體損耗。

(4)選用磁性材料(μr?1)目的是要減小屏蔽殼體的尺寸[9]。

2) 屏蔽殼體開孔的建議

開孔應(yīng)建立在電磁波傳輸?shù)闹鄙浠A(chǔ)上,并應(yīng)用多層屏蔽結(jié)構(gòu),對(duì)低磁場(chǎng)的傳播應(yīng)對(duì)磁騷擾源采用局部屏蔽。

填料函孔開制建議:金屬填料函插座外表面應(yīng)與屏蔽殼體連續(xù)的導(dǎo)體接觸;填料函插頭的電纜外部屏蔽網(wǎng)與插頭內(nèi)表面應(yīng)連續(xù)的導(dǎo)體接觸;填料函插座孔與屏蔽體安裝有L型折管(或板),避開電磁波的直射泄漏,但也存在散射泄漏。

帶調(diào)節(jié)桿的器件安裝孔,可選擇波導(dǎo)管讓桿穿過,增加孔的深度,減少泄漏。

帶透光指示孔,窗口可選擇平板顯示或采用透光屏蔽膜、玻璃或編織網(wǎng),降低電磁干擾的程度。

3) 屏蔽殼體縫隙的處理意見:

屏蔽殼體(箱、柜)的開啟或關(guān)閉部件蓋或是門

圖6 縫隙的典型設(shè)計(jì)

都含有四條邊縫,制造工藝水平差異可能出現(xiàn)縫隙;金屬板材的不平行度也會(huì)造成縫隙;在防銹防腐處理的不均勻而造成的縫隙;熱應(yīng)力、振動(dòng)與碰撞會(huì)造成縫隙的加大,等等?？p隙是不可避免的存在,制造工藝上要保證縫隙泄漏的降低。

(1)保證縫隙的兩結(jié)合面上無污染,無涂層,確保導(dǎo)體連續(xù)接觸;

(2)在確保a條的基礎(chǔ)上,用銅網(wǎng)填充,保證兩面的導(dǎo)體接觸。

(3)在縫隙的設(shè)計(jì)上適當(dāng)加寬縫隙的寬度。

4) 屏蔽殼體的諧振

屏蔽殼體相當(dāng)于一個(gè)密閉的金屬空腔,當(dāng)內(nèi)表面平整光亮的條件滿足時(shí),就可以把它看成是一個(gè)矩形波導(dǎo)諧振腔。其諧振頻率用下式來評(píng)價(jià):

fg0為屏蔽體的諧振頻率(Hz);μ為殼體內(nèi)空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m;ε為殼體內(nèi)空氣介質(zhì)的介電常數(shù)ε0=8.85×10-12F/m;l、ω、h為殼體的長(zhǎng)寬高;p、m、n為為0、1、2、3……整數(shù)

一般激勵(lì)的為TE型波,所以

fgTE210,(p=2,m=1,n=0),fgTE120,(p=1,m=2,n=0),為二次模頻率;

fgTE310,(p=3,m=1,n=0),fgTE130,(p=1,m=3,n=0),為三次模頻率。

6 屏蔽殼體的接地

屏蔽殼體主要功能是屏蔽自身產(chǎn)生的干擾源,也隔離空間的電磁干擾源。實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)、低頻磁場(chǎng)和高頻電磁場(chǎng)的屏蔽。屏蔽殼體必須用金屬良導(dǎo)體制作,同時(shí)也應(yīng)當(dāng)接地——大地,它具有恒定不

變的零電位。制造商都能給出屏蔽接地柱,但是做得不精細(xì)。

7 結(jié)語

電磁兼容設(shè)計(jì)涉及到電路、濾波、屏蔽、接地、布局等諸多方面,涉及的范圍廣,解決難度大,各種技術(shù)措施之間又是相互聯(lián)系,甚至密不可分,比如屏蔽往往都需要接地,單獨(dú)使用任何一種措施效果都是有限的。所以在實(shí)際中需要綜合使用接地、屏蔽、濾波等技術(shù),以保證電磁兼容性[10～11]。

[1] Clayton R. Paul. Introduction to Elctromagnetic Compatibility[M]. America: Wiley Series in Microwave and Optical Engineering,1992:427-447.

[2] E. F. Vance. Electromagnetic-interference control[J]. IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility,1980,EMC-22:319-328.

[3] R. B. Schulz, V. C. Plantz, D. R. Brush. Shielding theory and practice[J]. IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility,1998,EMC-30:187-201.

[4] E. C. Jordan, K. G. Balmain. Electromagnetic Waves and Radiating Systems, second edition[M]. Englewood: Prentice-Hall,1968:56-72.

[5] P. R. Bannister. New theoretical expressions for predicting shielding effectiveness for the plane shield case[J]. IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. EMC-10,1968:1-7.

[6] 梁昌洪,謝擁軍,官伯然.簡(jiǎn)明微波[M].北京:高等教育出版社,2006,7:136-140.

[7] W. Lin. Computation of the Parallel-Plate Capacitor with Symmetrically Placed Unequal Plates[J]. IEEE Trans. MTT,1985,33:800-807.

[8] 陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:34-35.

[9] 錢照明,程肇基.電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2000:12-14.

[10] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994:125-130.

[11] 呂善偉.微波工程基礎(chǔ)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,1995:217-218.

參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則

一.總要求

為了幫助向本刊投稿的作者按規(guī)范著錄參考文獻(xiàn),現(xiàn)將常見類型文獻(xiàn)的著錄格式作如下要求。

本刊要求雙語參考文獻(xiàn),所有的中文參考文獻(xiàn)均需附英文譯文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫優(yōu)化計(jì)算、學(xué)習(xí)與識(shí)別[M].北京:科學(xué)出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Pres,2006．

[2] 李詩靈,陳寧,趙學(xué)彧．基于粒子群算法的城市軌道交通接運(yùn)公交規(guī)劃[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通工程與科學(xué)版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

參考文獻(xiàn)中的責(zé)任者采用姓前名后的著錄形式。歐美著者的名可縮寫,姓大寫,姓和縮寫的名之間不可用“.”隔開,而是用空格。如用中譯名,可以只著錄其姓。如原文中作者為“P．S．昂溫”則在本刊要求中應(yīng)寫成“昂溫 P S”,Albert Einstein Seny應(yīng)寫成EINSTEIN A S。

參考文獻(xiàn)的責(zé)任者之間用“,”分隔。不超過3個(gè)時(shí),全部照錄。超過3個(gè)時(shí),只著錄前3個(gè)責(zé)任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜體。

示例2:馬克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.圖書和期刊的著錄格式

◆ 普通圖書(原著): [序號(hào)]著者．書名[M]．版本(第1版不著錄)．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [3]余敏．出版集團(tuán)研究[M]．北京:中國(guó)書籍出版社,2001:179-193． [4]中國(guó)社會(huì)科學(xué)院語言研究所詞典編輯室．現(xiàn)代漢語詞典[M]．修訂本．北京:商務(wù)印書館,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通圖書(譯著): [序號(hào)]著者．書名[M]．譯者,譯．版本．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [6]AGRAWAL G P． 非線性光纖光學(xué)[M]．胡國(guó)絳,黃超,譯．天津:天津大學(xué)出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科學(xué)與工藝學(xué)原理[M]．李慶龍,譯．2版．北京:中國(guó)食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序號(hào)]著者.題名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文頁碼． [8]蔣超,張沛,張永軍,等．基于SRLG不相關(guān)的共享通路保護(hù)算法[J]．光通信技術(shù),2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(無卷) [序號(hào)]著者.題名[J]．刊名,出版年份(期):引文頁碼． [10]周可,馮丹,王芳,等．網(wǎng)絡(luò)磁盤陣列流水調(diào)度研究[J]．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.電子文獻(xiàn)的著錄格式

◆ 電子文獻(xiàn): [序號(hào)]主要責(zé)任者．題名:其他題名信息[文獻(xiàn)類型標(biāo)志/文獻(xiàn)載體標(biāo)志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．獲取和訪問路徑． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]蕭鈺．出版業(yè)信息化邁入快車道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.學(xué)位論文與論文集的著錄格式

◆ 學(xué)位論文: [序號(hào)]著者．題名[D]．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [13]孫玉文．漢語變調(diào)構(gòu)詞研究[D]．北京:北京大學(xué)文學(xué)院,2000．

◆ 論文集: [序號(hào)]著者．題名[C]//著者．專題名:其他題名．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [14]白書龍．植物開花研究[C]//李承森．植物科學(xué)進(jìn)展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Shielding Technology of Electromagnetic Interference

SONG Kaiping PENG Deqiang WANG Yifei XU Zonghang CHEN Zhongqing

(China Shipbuilding Industry Environment and Reliability Test Centre for Electric and Electronic Equipment, Yangzhou 225001)

The source, propagation approach, and sensitivity receiver of electromagnetic disturbance are simply desribed, and proper shielding technology and the technics accordingly, and the effective means to restrain electromagnetic interference are studied.

electromagnetic interference, shielding technology

2013年7月7日,

2013年8月25日

宋凱平,男,工程師,研究方向:電磁兼容。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.044