电磁兼容屏蔽介绍

一、屏蔽原理
1、电磁干扰（Electromagnetic Interference ）能量可通过传导性耦合或辐射性耦合来进行传输。为满足电磁屏蔽要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI 滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。
电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。当电磁波入射到两侧为空气的金属板时，一部分能量被反射，即反射损耗；透射波在金属板内传播过程中被衰减的部分称之吸收损耗；在二界面上被反射到一界面时将再次产生反射，如此循环往复，直至能量全部被衰耗和透射。
2、磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流。因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。
电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。
屏蔽的目的有两个：一是限制内部的电磁能越出某一范围；二是防止外来的辐射波进入某一区域。屏蔽就是指在某一壳体内（或外）辐射的电磁场不能穿透壳体，该壳体就是电磁屏蔽体。
这个壳体可以是一个机房也可以是一个机柜，也可是一个电缆的外壳（屏蔽电缆）。
各种屏蔽体对辐射干扰的抑制能力均用屏蔽效能（SE）来衡量。此值定义为：没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强Eh 和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 E v之比，用dB（分贝）表示。
在直流和低频的电磁场，用接地的良导体作为电屏蔽，导体的电导率值σ越高，加上接地良好，则屏蔽效果越好；用高磁导率材料作为磁屏蔽体，磁导率值越高磁阻越小，磁频蔽效果越好。
在高频电磁场中，由于良导体内有涡流出现，产生了反向磁场，从而抵消或部分抵消原来穿透导体的磁场，起到了磁屏蔽的作用。与此同时，在导体的这些涡流将使由于高频电场感应的高频电流集中到靠近高频电场一边的导体表面即趋肤效应。这意味着高频电流不易穿透良导体，从而达到了电屏蔽作用。所以说，在微波频段，良导体就是电磁屏蔽体。导体的电导率越高，频率越高，产生的涡流越大，趋肤深度越小，屏蔽层厚度就可以越薄，电磁屏蔽效果仍旧很好。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽关键的控制要素。
屏蔽效果的好坏不仅与屏蔽材料的性能有关，也与辐射频率、屏蔽壳体与辐射源的距离以及壳体上可能存在的各种不连续的形状和数量有关。
在设计屏蔽体时，首先应该向用户了解所需屏蔽的辐频率范围以及屏蔽区域屏蔽前的场强以及屏蔽后允许的场强值，两者的差值即为所需要的屏蔽效果。
屏蔽效果的dB数值与屏蔽体成本成正比关系，屏蔽体的SE应该根据用户的技术要求、该地区的环境条件（尤其干扰强度的大小）以及可能投入的资金来确定，能达到实用要求即可。
二、抑制辐射耦合——屏蔽壳体
1、壳体材料选材与厚度确定
屏蔽壳体屏蔽材料的选择，取决于使用频率范围和屏蔽效能的要求。
比如，用于天线测试微波暗室的屏蔽和电磁兼容试验室的屏蔽，一般要求频率高、频带宽，屏蔽效能高，因此多选用薄钢板作屏蔽材料。
2、孔隙对屏蔽效能的影响
屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，根据电磁波传播理论，随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽关键的控制要素。
根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：
a.孔缝面积和孔缝很大线度尺寸。两者皆大，则泄漏严重；
b.面积小而很大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。
机箱（机柜）接缝
该类缝虽然面积不大，但其很大线度尺寸即缝长却非常大，由于维修、开启等限制，致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度很大的一类孔缝，采用导电衬垫等特别屏蔽材料可以地抑制电磁泄漏。
该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。
通风孔
该类孔面积和很大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。在满足通风性能的条件下，应尽可能选用屏蔽效能较高的屏蔽通风部件。
观察孔与显示孔
该类孔面积和很大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。
连接器与机箱接缝
这类缝的面积与很大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。
实际屏蔽体上都是同时存在多个泄漏耦合结构（n 个），设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能（如只考虑接缝）为SEi（i=1,2,.，n），屏蔽体的总体屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生很大泄漏耦合的结构所决定的，即由屏蔽薄弱的环节所决定的。因此进行屏蔽设计时，明确不同频段的泄漏耦合结构，确定很大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。
综上所述，孔缝抑制的设计要点归纳为：
a.合理选择屏蔽材料；
b.合理设计安装互连结构。
3．孔隙处理
a.焊缝
用均匀屏蔽理论计算材料屏蔽性能时，均假定屏蔽体是均匀的、理想的封闭体。而实际的屏蔽体是不均匀的，屏蔽壳体是有缝隙和孔洞的，由于屏蔽结构存在一些不完整因素，任何一个屏蔽结构体的屏蔽效能都不可能达到理论计算值。由此可见，屏蔽效果不仅取决于屏蔽材料本身，还要考虑屏蔽结构不完整因数的影响，当有一种或几种因素的影响，使其达不到屏蔽要求时，整个结构就不能满足屏蔽要求。
结构不完整性会造成电磁泄漏，通常磁场泄漏比电场泄漏大；高频时电磁泄漏比低频时电磁泄漏大；在同样开口面积下，缝隙泄漏比孔洞泄漏大；大的开口泄漏比代替它的许多小孔泄漏大；缝隙与感生电流方向垂直时的泄漏缝隙与感生电流方向平行时的泄漏大。所以说要达到的屏蔽效果，应尽量做到屏蔽结构的完整性。
屏蔽体上的持续性接缝一般指采用焊接方法将两金属板连接在一起，这种持续性接缝几乎与金属本身的射频阻抗相等。为减少焊后变形和外观美，采用气体保护焊（CO2、氩弧焊），焊缝是连续的，可用探测仪边焊接边检漏，这样制作出的封闭金属壳体，方能达到屏蔽要求。
b.屏蔽门
门是屏蔽体的主要进出口，由于门要经常启闭，门缝是一个名副其实的活动缝隙，是影响屏蔽室屏蔽效能的重要部位。
早期使用梳形弹簧片的门与门框的接触方式，屏蔽效能比较差。为了提高屏蔽效果，目前现行做法是采用门框四周单槽或双槽，与门扇四周单刀或双刀型弹性接触闸刀式门结构，刀刃与槽底部及刀的两面与槽两边的铍铜弹簧片都形成良好的电接触，这样的屏蔽门其屏蔽效能可达80-100dB。
c.管线过壁
进出屏蔽体的电缆馈线种类繁多、形式多样（电源线、数据线、电话线、报警线、视频线…），对于屏蔽机房来说，还会有水管、空调等各种管线，这是影响SE的重要部位，需要认真对待，细致处理。
所采取的方法就是将这些管线通过截止波导管作过壁处理。
根据波导原理：当电磁波频率低于波导管的截止频率时，在传输中将产生很大的衰减，截止波导管就是根据波导具有高通滤器的特性原理设计制造的，它对于低于波导截止频率的电磁波能进行的抑制。
常用的截止波导有圆形，矩形和六角形。
d.通风窗
全封闭钢板式屏蔽体的通风散热与屏蔽效能之间是矛盾的，为了使屏蔽室既达到设计的屏蔽效能，又能确保通风良好，在频率低于100MHz时，一般采用铜网对孔洞采取隔离措施，频率高于100MHz就需要采取截止波导式通风窗。
为了获得足够的通风面积，以满足所需要的通风量，可将很多根截止波导管紧挨着排列在一起，构成一组截止波导式通风孔阵——截止波导通风窗。
截止波导式通风窗有圆形孔波导、矩形孔波导和蜂房形波导，只要加工精良，单层的通风波导窗在较高的频率时屏蔽效能可达80～100dB，若要求更高，可采用双层错位互叠式的波导通风窗。
截止波导通风窗特点是：屏蔽效能高，工作频带宽，而且风阻小，结构可靠生产方便。
截止波导通风窗的安装需要保证与屏蔽层有良好的连续的电接触，否则将达不到预期的屏蔽效果。
4、接地
电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体作为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。
良好的基准接地平面是使设备可靠运行和干扰的基本条件，对于屏蔽体来说，为了避免因电磁感应而使屏蔽效能下降，屏蔽体均应接大地，使之与大地保持同电位。接地电阻的大小与接地方式（垂直接地还是水平接地，单点接地还是多点接地）接地体的形状和大小及土壤的电阻率……等要素都有直接关系。从原则来说，在任何情况下，都可以实现接地电阻小的要求。然而合理的设计应根据实际土壤的性质来进行。如果土壤本身的电阻率很小，就可以使接地方案大大简化。为了接地方便，我们选择垂直接地。当土壤电阻率为100ΩM时，接地体用直径50mm的钢管，长度2.5m，离地面0.8m，要15根，间隔5m并联接地，方能满足接地电阻R≤1Ω的要求。
当土壤电阻率为100ΩM时，使用降阻剂，降到10ΩM时，此时用5～10根接地体并联接地，就能实现接地电阻R≤1Ω的要求。
三、抑制传导耦合——滤波器
1、滤波器的要求及种类
电磁波能量通过传导性耦合对系统产生的干扰我们采用滤波技术即采用EMI 滤波器件加以抑制。
传导干扰是通过金属传输导体例如导线或任何金属结构传播的干扰。实践证明，即使对一个经过精心设计并且具有良好屏蔽性的屏蔽体，这些不需要的杂散干扰电平，也会通过电源线、数据线、电话线、视频线等传导耦合进入系统，至使系统性能降低或引起系统失灵。为确保系统不受这些杂散电平影响，进入屏蔽体内的各种传输导体需要进行滤波处理。
EMI滤波器是一个集中的或分布的电路元件（如电阻、电感、电容、或它们的等效物）组合的无源网络，一般可根据其电路形式分为T 型、L 型、π型等基本电路形式，针对不同的抑制对象进行不同的设计，总的来说些网络对某些频率或直流较小反抗，而阻塞或短路其它频率通道，通用的EMI 滤波器可以定义为一个低通网络。
但EMI 滤波器不同于通常的信号处理滤波器，二者所关心的滤波器指标、使用环境等都是截然不同的：
普通的低通滤波器关心幅频特性、相位特性、波形畸变等。
而EMI 滤波器更关心插入损耗、能量衰减、截止频率等参量。
从使用环境来看，EMI 滤波器在使用中需要考虑源端及负载端的端接阻抗对滤波性能的影响，而且在使用中需要结合接地技术与屏蔽措施，才能达到良好的工作状态。
2、安装注意要求
a．滤波器安装时应保证良好接地。
b．滤波器应尽量安装在设备的入口/出口处。
c．为避免输入/输出互相耦合，应尽量做到输入/输出隔离，至少严格禁止滤
波器输入/输出线的相互交叉、路径平行等。
d．若由于位置及空间的限制，无法满足上述要求。
则滤波器的输入/输出线需要采用屏蔽线或高频吸收线。