電磁屏蔽技術(shù)基礎(chǔ)理論分析

朱四桃

摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越多的電子設(shè)備進入社會各個角落，這些電子設(shè)備都會產(chǎn)生各自的電磁場和電磁輻射，為了抑制電磁場對電子設(shè)備的干擾和電磁輻射對人對設(shè)備的危害，基于屏蔽技術(shù)的理論，電磁屏蔽設(shè)備得到了廣泛的運用。

關(guān)鍵詞：電場 ?磁場 ?電磁屏蔽 ?衰減 ?屏蔽機房 ?屏蔽材料 ?冷軋鋼板

關(guān)于屏蔽的概念，不同文獻有不同的解釋。

1、像屏風(fēng)那樣遮擋東西;

2、屏蔽是隔離電磁場干擾的措施;

3、屏蔽是利于技術(shù)手段對網(wǎng)絡(luò)不符合需要的內(nèi)容進行過濾;

4、屏蔽是將電氣噪聲分流入地的導(dǎo)電金屬隔板

……

本文討論的屏蔽，相似于以上的第2項，即提高電子系統(tǒng)和電子設(shè)備電磁兼容性能力的屏蔽技術(shù)，是利用屏蔽體阻止或減少電磁量傳輸?shù)囊环N措施，是對設(shè)備或電子裝置進行封閉的阻擋層，這個阻擋層就叫屏蔽體。

屏蔽體的性能用屏蔽效能來度量，也就是屏蔽體安放前后電場強度或磁場強度的比值：

式中，SE——屏蔽效能的倍數(shù)

E0——無屏蔽體時電場或磁場強度

E1——安放屏蔽體后電場或磁場的強度

屏蔽效能的數(shù)值范圍很寬，工程上用分貝（db）來表示，即： SE=

影響屏蔽效能的因素很多，比如，屏蔽材料的導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率、屏蔽體的結(jié)構(gòu)、被屏蔽體的頻率等等，還有屏蔽體離場源的距離有關(guān)。現(xiàn)實中，遠離的方法并不可取，它會加大設(shè)備的成本，影響設(shè)備的工作效率。所以，多數(shù)的情況下，是采用在干擾源和感受器之間加入屏蔽的技術(shù)。

屏蔽的形式有三種，一種是電場屏蔽，一種是磁場屏蔽，第三種是電磁屏蔽。電場屏蔽的原理比較簡單，它可以用電路理論來分析。

上圖，干擾源A的電位為UA，感受器B的感應(yīng)電位為UB

C1——A和B間的分布電容

C2——感受器B的對地電容

由上圖可以看到減小電場感應(yīng)的措施：

1、干擾源A和感受器B盡量遠離。（只是理論分析，無可操作性）

2、干擾源和感受器之間加入電屏蔽，導(dǎo)電的屏蔽體可以減少A、B間的分布電容。

干擾源和感受器之間加入屏蔽體后，屏蔽體必須接地，最好是屏蔽體直接接地。如果屏蔽體不接地，反倒增大了A、B間的電容耦。所以，這就是電磁屏蔽機房必須可靠接地的理論依據(jù)。

屏蔽體屏蔽性能的好壞還和屏蔽體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。那么，屏蔽體應(yīng)該采用何種形態(tài)和結(jié)構(gòu)呢？

由上圖還可以看出，如果A、B間加入屏蔽體，并且屏蔽體可靠接地，肯定能大大減少A和B間的分布電容，但是，電磁感應(yīng)的原理是電磁場的感應(yīng)，如果僅僅在A、B間簡單地加入平板型屏蔽體或線型屏蔽體，A、B之間還會有剩余電容，因為磁力線還可以從平板型或線型的四周穿過去，產(chǎn)生剩余電容，我們把它記作。所以屏蔽體的屏蔽效能取決于的大小，越大，屏蔽效能越差。試驗表明，A、B間放置不同形狀的屏蔽體，的值不同。那么，怎樣的屏蔽體形狀最佳呢？

最好的電磁屏蔽體形狀，從理論上分析，它應(yīng)該和電磁場的形狀一致。

磁力線是人為假設(shè)的曲線，但又不是無依據(jù)的假設(shè)。磁力線有無數(shù)條。磁力線是立體的，閉合的，每條線都不相交且互相排斥。如果我們在玻璃板上放一個長方形的磁鐵，周圍撒上鐵粉，就可以看到磁場和磁力線的形狀了。磁力線呈直線或曲線，所謂直線，其實也是曲線，不過是“大曲若直”的原理。當(dāng)然，磁場是立體的，磁力線也是立體的，所以，屏蔽體的形狀如果是一個橢圓形，應(yīng)該是最理想的，但現(xiàn)實中橢圓形屏蔽體不具備可操作性。一個橢圓形的屏蔽體，其屏蔽體的用材、加工和屏蔽體內(nèi)的空間都會造成很大的浪費。所以，現(xiàn)實中的屏蔽體從實用出發(fā)，大多都設(shè)計為方型的金屬空間。

根據(jù)電磁場的感應(yīng)原理，盒型的屏蔽體肯定比板型亦即線性的屏蔽體屏蔽效能要好，全封閉的金屬屏蔽體肯定最為理想。但實際運用中那是不可能的，因為屏蔽體內(nèi)需要工作人員進入工作。這樣一來，屏蔽體就要安裝門，窗，空調(diào)，防火裝置和必須的導(dǎo)線進入，當(dāng)然，這些裝置和導(dǎo)線也需要屏蔽。其中，門、窗、空調(diào)、電源和防火裝置以及相應(yīng)的導(dǎo)線進出需要安裝波導(dǎo)管和濾波器。有光纖進入屏蔽體時，由于光纖不含金屬，光纖從波導(dǎo)管進入就可以了。還有一種集成的光端機，專門連接光纖，省工省力，價格也不貴。屏蔽體內(nèi)除電源外還需要安放工作用的電子設(shè)備，這些電子設(shè)備也需要加裝濾波器。于是，這就是一個集多種功能于一體的整體建筑，這樣的屏蔽體就是電磁屏蔽機房或叫電磁屏蔽室。

電磁屏蔽機房是實施現(xiàn)代信息保密措施的重要設(shè)備，其中電磁屏蔽門是電磁屏蔽室中最為關(guān)鍵的屏蔽部件，也是最容易出現(xiàn)電磁信號被干擾或信息泄露的部位。電磁屏蔽門是人員和設(shè)備進出的主要通道。如何更好地防止我們的保密信息從這個關(guān)鍵部位被干擾、被侵入或者自行逃逸，是電磁屏蔽行業(yè)面臨的課題之一 目前常用的屏蔽門有手動旋轉(zhuǎn)屏蔽門，電動旋轉(zhuǎn)屏蔽門，還有電動平移插刀門，電動平移氣囊門。為了保證屏蔽效果，專家門在屏蔽門的設(shè)計上動盡了心思。

屏蔽機房的形狀大多為長方形或正方形，有時需要根據(jù)用戶現(xiàn)場的位置設(shè)計形狀和尺寸。屏蔽機房的面積是根據(jù)用戶的需要和投資數(shù)額設(shè)計，最小的有幾平方米的，也有幾百平方米的。屏蔽機房的形狀也有設(shè)計成L型的，還有用戶為區(qū)別保密等級要求把屏蔽機房設(shè)計成多間的。多間的屏蔽機房除第一個屏蔽門外，內(nèi)室也有門，內(nèi)室的門也是屏蔽門，并且要設(shè)計成第一個屏蔽門關(guān)閉后內(nèi)室的門才能打開的連動機構(gòu)。

還有一種屏蔽體類似電磁屏蔽機房但又不等同于屏蔽機房，那就是屏蔽會議室。屏蔽會議室的面積一般比較大，是用來開保密會議的。它的結(jié)構(gòu)殼體等同于電磁屏蔽機房，但沒有電子設(shè)備。它和電磁屏蔽機房的區(qū)別在于加裝了波導(dǎo)窗并且在會議室的內(nèi)壁增加了隔音、消音板材，而電磁屏蔽機房不需要消音和隔音材料。

更又一種不同于電磁屏蔽機房也不同于屏蔽會議室的特殊屏蔽體，那就是屏蔽暗室。

屏蔽暗室不僅有屏蔽室的功能，也有屏蔽體的結(jié)構(gòu)，它區(qū)別于屏蔽機房主要是用途不同，暗室的主要用途是用于多種電子數(shù)據(jù)的測試。暗室的建造考慮到建造成本，一般面積較小。暗室與屏蔽機房另外的不同是內(nèi)部貼了昂貴的鐵氧體材料，放置了辟尖型吸波材料，為的是模擬空曠場地的環(huán)境以便于測試。所以，從建造成本來說，暗室比屏蔽室要高出許多，貴就貴在暗室內(nèi)的吸波材料上。為什么要粘貼和放置這些吸波材料？這是電磁的特性決定的。電磁屏蔽室阻斷了內(nèi)外的電磁信號，但里面的電磁波會在內(nèi)壁反射，增大了分布電容。內(nèi)壁加裝吸波材料，電磁反射波會被吸收，不會產(chǎn)生疊加電磁波的混波效應(yīng)，測試樣品時，就不會產(chǎn)生電磁輻射干擾。對實驗環(huán)境要求不高的測試，比如傳導(dǎo)騷擾、靜電測試、浪涌測試、雷擊測試都是通過電源線進行，屏蔽機房內(nèi)就可以測試。對于空間輻射、空間騷擾等空間帶來的問題或是抗干擾時對空間有特殊要求的測試就需要在暗室進行。

所有這些設(shè)計和設(shè)備，目的只有一個，就是為了減少分布電容和剩余電容，增強屏蔽效果。

試驗還表明，A、B間放置相同形狀的屏蔽體，屏蔽體的材料不同，的值不同。那么，應(yīng)該選擇怎樣的屏蔽材料呢？

英國物理學(xué)家邁克爾.法拉第是電場屏蔽的發(fā)現(xiàn)人，他著名的試驗就是“法拉第籠”。后來，法拉第在試驗中又發(fā)現(xiàn)，被金屬網(wǎng)屏蔽的“法拉第籠”的中央，并不是絕對潔凈的空間，仍然有微弱的磁力線在籠的中央穿過，這個理論為后來的電磁屏蔽工作者提出了新的課題。比如在屏蔽體的材料選取上，專家發(fā)現(xiàn)，在時變場作用下，屏蔽體雖然有了良好的接地，但仍有電流流動，屏蔽材料不同，電流大小也不同。于是，為了減少屏蔽體上的電位差，專家建議選取更加導(dǎo)電的良導(dǎo)體銅或鋁，在高頻時，銅屏蔽體表面還應(yīng)該鍍銀。這也是建造屏蔽體價格天價的原因所在。好在專家并沒有提出屏蔽體金屬板材的厚度要求，只要能滿足屏蔽體結(jié)構(gòu)的剛性和強度就可以。由此，為降低屏蔽體的成本，行內(nèi)專家就研制出了表層簿金屬，內(nèi)襯非金屬的新型屏蔽材料。當(dāng)然，非金屬的內(nèi)襯材料必須要符合強度和阻燃的要求，這可以大大降低屏蔽材料的成本，目前國外多有使用，國外這種屏蔽材料的內(nèi)襯是一種輕型有一定強度且能阻燃的塑料。國內(nèi)則有最新的噴涂屏蔽材料出現(xiàn)，如石墨烯噴涂屏蔽涂料和稀土噴涂屏蔽材料。噴涂型屏蔽材料有價格低，易施工，被噴涂體可以多種材質(zhì)選擇的優(yōu)點。其原理就是在噴涂材料里加入了導(dǎo)電率高的金屬粉末，比如石墨，碳粉，銀粉等。可惜的是目前這種噴涂型屏蔽材料的屏蔽性和持久性能還沒有經(jīng)過時間的考驗，施工工藝和維護保養(yǎng)也不太盡人意。

與電流相似，磁力線總是走磁阻最?。创艑?dǎo)率最大）的路徑，磁阻小的材料常常就是導(dǎo)電性能好的材料（非金屬導(dǎo)電材料除外）。從物理性能來說，所有的金屬都導(dǎo)電，但導(dǎo)電的性能不同，它區(qū)別在常溫下的導(dǎo)電率。目前公認的是銀、銅、鋁的導(dǎo)電性能排在了第一、第二、第三。金金屬的導(dǎo)電性能也不錯，但它比不上前三位，有些尖端電子設(shè)備的電路鍍金，是考慮金金屬的穩(wěn)定性。其他金屬比如鈹、鋰、錫、鋅的導(dǎo)電性能也好，但把它們作為純材質(zhì)的屏蔽體用材，其成本將是天價，用戶無法承受。雖然鋁的導(dǎo)電率很好，成本相對銅金屬要低，卻有不易焊接、強度差、易變形、易氧化的問題。

所以，國內(nèi)的屏蔽機房目前采用的屏蔽材料大多仍然是鐵金屬板材，主要是用戶和施工設(shè)計單位考慮屏蔽機房的建造成本和施工、維護等多種因素。從導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能好的金屬來看，綜合各項指標(biāo)，還是以鐵金屬最理想。鐵金屬加入了碳，就成了我們常說的鋼板。目前國內(nèi)屏蔽機房的金屬板材選用最多的就是冷軋鋼板，占到已建造完成的屏蔽機房數(shù)量的98%以上。也有使用冷軋鋼板上鍍一層鋅金屬的鍍鋅鋼板，其性能和成本與冷軋鋼板相當(dāng)。

冷軋鋼板是以熱軋鋼板為原料，室溫在再結(jié)晶溫度以下軋制，我國寶鋼、武鋼、鞍鋼均可大量生產(chǎn)，有多種GB型號，也可以承接量大的非標(biāo)規(guī)格。冷軋鋼板由于軋制過程不加熱，不會出現(xiàn)熱軋鋼板常出現(xiàn)的麻點和氧化。冷軋鋼板表面光滑，低碳，有很好的導(dǎo)磁性能和焊接冷彎性能并且成本低于鋁金屬，還有易加工、易維護的特點。

還有一些非金屬材料導(dǎo)電性能也非常好，比如快離子導(dǎo)電陶瓷，還有一些高分子導(dǎo)電材料，比如石墨。金屬材料導(dǎo)電靠電子導(dǎo)電，非金屬材料導(dǎo)電靠離子導(dǎo)電，所以非金屬材料無法產(chǎn)生磁場，亦即無法導(dǎo)磁，所以我們的屏蔽體無法使用。

科學(xué)技術(shù)是向前發(fā)展的，我們可以在鐵金屬中加入其他金屬制成合金鋼板，比如鐵金屬中加入鉻金屬，這種合金鋼板就可以防銹。當(dāng)然，合金鋼板的價格會大大高于冷軋鋼板。電磁屏蔽體的特殊性，電磁屏蔽材料的成本和無休止的漲價始終困擾著用戶和承建單位。我們可以考慮把較低價格的非金屬導(dǎo)電材料和鐵金屬結(jié)合，制作成既導(dǎo)電又導(dǎo)磁，成本低廉便于施工的新型屏蔽材料。這，是我們電磁屏蔽行業(yè)科技人員正在攻克的課題之一。

參考文獻：

[1]（京）新登字106號，蔣全興、呂仁清《電磁兼容性工程設(shè)計手冊》，國防工業(yè)出版社，1993年，第七章《屏蔽》，P526;

[2]何廣春《電磁屏蔽門低頻局部屏蔽效能分析》，載于哈爾濱工業(yè)大學(xué)主辦的省級雜志《中外企業(yè)家》2021年第10期，P273-274;

[3]何廣強《冷軋鋼板的生產(chǎn)工藝報告》，載于《天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文集》，2017年4月24日，P36。