[电磁兼容]EMC电磁屏蔽材料及设计指南 [复制链接]

EMC测试

    现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在３m、１０m或３０m处规定的。为了EMC测试设备是否满足这些标准，需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地。EMC测试场地的背景电磁能量大大低于EMC测试范围。

    被EMC测设备所处的状态必须与实际使用状态相同，Ｉ／Ｏ接口与适当的外设连接。被测系统要放在转台上，这样可以通过旋转来找到最大辐射信号。转台与天线放在同一个地面上。这样就可以测量系统工作时的辐射了。

    这种测试也可以在半无反射室中进行，但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的。大多数辐射测试是在开阔场中进行，开阔场是精心选择的，其电磁背景很低，周围没有反射物，如建筑物。

    为了获得不同材料的屏蔽效能，采用一些其它的测试方法。屏蔽盒是最先开发的方法之一。在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置如图１－５所示。这个盒子上有一个方形的开口，将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小。屏蔽室内有信号发生器和发射天线。被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上，记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强。这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值。纯铜板可以用来作为参考值。图１－６所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度，并且拓宽测量的频率范围。

屏蔽的理论方法

    电磁波理是经典的理论。麦克斯威尔、法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场和磁场的基本方程式。然而，对实际中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式。电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达，这些方程式在屏蔽的设计中广泛应用。

    有许多因素会影响电磁能量源周围的场。源的种类赋予了场一些特征，如辐射幅度。距离源的距离和电磁波传输的媒介的特性都会影响场与屏蔽之间的相互作用。

    在电磁屏蔽中，波阻抗Zw是联系这些参数的有用的概念。波阻抗定义为电场E与磁场H的比值。

    源上的驱动电压决定了干扰的特性。例如，环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应。结果是在天线附近产生较小的电场和较大的磁场，具有较低的波阻抗。另一方面，四分之一波长的距离上，所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特征阻抗 ，377欧姆。这时，称为平面波，作为参考，1MHz的波长是300m。

    按照到源的距离，电磁波可以进一步分为两种，近场和远场。两种场的分界以波长λ除以2π的距离为分界点。λ/2π附近的区域称为过渡区。源与过渡区是近场，超过这点为远场。近场波的特性主要由源特性决定，而远场波的特性由传播媒介决定。如果源是大电流、低电压。则在的近场以磁场波为主。高电压、小电流的源产生电场为主的波。

    在设计屏蔽控制辐射时，这个概念十分有用。由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级，相对于屏蔽电磁波为近场的情况。在远场，电场和磁场都变为平面波，即，波阻抗等于自由空间的特性阻抗 。

    知道干扰辐射的近场波阻抗对于设计控制方法是十分有用的。用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波。反过来，用能将电磁波中电矢量短路的高导电性金属能够屏蔽电场波和平面波。入射波的波阻抗与屏蔽体的表面阻抗相差越大，屏蔽体反射的能量越多。因此，一块高导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小。

    对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射，如图1-7所示。

图1-7 屏蔽对电磁干扰的衰减

屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示。 SE=A+R+B

表1.10和表1.11给出了不同的屏蔽效能，吸收损耗的计算公式如下：

A=1.13t

式中；t-屏蔽厚度，cm;

μr-屏蔽材料的相对导磁率；

σr-屏蔽材料的相对导电率；

f-频率，Hz。

由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。

以下是计算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类似的公式。

R=168 101g(μrf/σr)dB

表1.12给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率。

    如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。

在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平面波屏蔽时，只考虑反射因子。

    当一束电磁波碰到屏蔽体时，在表面上感应出电流。屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大地，如果在电流的路径上有开口，电流受到扰动要绕过开口。较长的电流路径带来附加阻抗，因此在开口上有电压降。这个电压在开口上感应出电场并产生辐射。当开口的长度达到λ/4时，就变成效率很高的辐射体，能够将整个屏蔽体接收到的能量通过开口发射出去。为了限制开口效应，一个一般的规则是，如果屏蔽体的屏蔽效能要达到60dB，开口长度在感兴趣的最高频率处不能超过0.01λ。每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理。

    值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因素。

总结

    所有从事电气或电子设备设计的工程师都应该认识到他们所开发的项目的电磁兼容性要求。为了用较低的成本来解决这些问题，必须在项目的初期就考虑适当的EMC措施来满足相关的标准。虽然仔细地进行电路设计能够有效一减小电磁发射和敏感度，但本文后面所详细介绍的有关实际屏蔽技术的资料将使你在每一个特殊项目中采取一种适当的屏蔽。

文章出自: 世科网