浅谈电子设备中的电磁屏蔽

摘要：本文介绍了电磁波的特点，说明了电磁屏蔽及其影响因素、电磁屏蔽的基本原则，分析了电磁泄露的主要途径。

关键词：电磁屏蔽辐射

电磁污染的危害不亚于"白色污染"和"黑色污染".在现代社会，办公设备、家用电器无处不在，随之而来的电磁污染也已成为无形的冷面杀手，因此，如何降低或消除这一危害已成为人们普遍关注的问题。

一、电磁波及其特点

电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播路径，从而消除干扰。

在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是基本和有效的手段。

同一个屏蔽体对于不同性质的电磁波，其屏蔽性能不同。因此，在考虑电磁屏蔽问题时，要对电磁波的种类有基本的认识。电磁波有很多分类方法，但是在设计屏蔽时，通常将电磁波按照其波阻抗分为电场波、磁场波和平面波。

电磁波的波阻抗ZW定义为：电磁波中的电场分量E与磁场分量H的比值：ZW=E／H.电磁波的波阻抗与电磁波的辐射源性质、观测点到辐射源的距离以及电磁波所处的传播介质有关。距离辐射源较近时，波阻抗取决于辐射源的特性。若辐射源为大电流、低电压（辐射源电路的阻抗较低），则产生的电磁波的波阻抗小于377Ω（ 　），称为磁场波。若辐射源为高电压，小电流（辐射源电路的阻抗较高），则波阻抗大于377Ω，称为电场波。距离辐射源较远时，波阻抗仅与电场波传播介质有关，其数值等于介质的特性阻抗。电场波的波阻抗随着传播距离的增加而降低，磁场波的波阻抗随着传播距离的增加而升高。

二、电磁屏蔽及其影响因素

1.电磁屏蔽效能

在信号传递的过程中，经常需要滤除信号中的干扰成分，为此，在信号通道上普遍采用滤波器来改变阻抗特性，而这种改变极大地阻碍了干扰信号的进程，阻抗的变化越大，对干扰成分的衰减就越大。电磁屏蔽类似于滤波的过程，在一个传播电磁波的通道中，形成了一个非连续面，要么将其反射，要么将其吸收。

屏蔽体的有效性用屏蔽效能（SE）来度量。即：

SE＝20lg（E1／E2） （dB）

式中：E1为没有屏蔽时的场强，E2 为有屏蔽时的场强。

如果计算屏蔽效能时使用的是磁场强度，则称为磁场屏蔽效能，如果是电场强度，则称为电场屏蔽效能。

一般民用产品机箱的屏蔽效能在40dB以下，军用设备机箱的屏蔽效能一般要达到60dB，屏蔽室或屏蔽舱等往往要达到100dB. 2.影响屏蔽效能的因素

在许多情况下，要求保护体不受外界电磁干扰，即屏蔽的越严密越好，但实际上屏蔽只能在一定程度上解决问题，而很难从根本上解决，原因是有诸多影响屏蔽效能的因素。

（1）材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高。但实际的金属材料不可能兼顾这两方面，例如铜的导电性良好，但是导磁性很差，铁的导磁性很好，但导电性较差。应该使用什么材料，需根据具体情况选择。

（2）频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗。

（3）反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用导磁率较高的材料做屏蔽材料。

（4）反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大，对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小。正确判断辐射源的性质，决定它应该靠近屏蔽体还是远离屏蔽体是结构设计的一个重要内容。

（5）频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。

（6）电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的。尤其是低频（1kHz以下）磁场，很难屏蔽。对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料。

三、电磁屏蔽的基本原则

一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在实际工程中，要达到80dB以上的屏蔽效能也是十分困难的。

屏蔽体要满足电磁屏蔽的基本原则：

（1）屏蔽体的导电连续性。指的是整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点实现起来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何实用价值的。一个实用的机箱上会有很多孔缝，不同部分结合的缝隙等。由于这些导致导电不连续的因素存在，如果在设计时没有考虑如何处理，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有屏蔽效能。

（2）不能有直接穿过屏蔽体的导体。一个屏蔽效能再高的屏蔽机箱，一旦有导线直接穿过屏蔽机箱，其屏蔽效能就会损失99.9％（60dB）以上。

（3）电磁屏蔽体与接地无关。对于静电场屏蔽，屏蔽体是必须接地的。但是对于电磁屏蔽，屏蔽体的屏蔽效能却与屏蔽体接地与否无关。

四、电磁泄漏的主要途径

1.孔洞

屏蔽体上的孔洞是造成屏蔽体泄漏的主要因素之一。孔洞产生的电磁泄漏并不是一个固定的数，而是与电磁波的频率、电磁波的种类、辐射源与孔洞的距离等因素有关。孔洞对电磁波的衰减可以用下面各个公式计算。

在远场区：

SE＝100－20lgL－20lgf＋20lg（1＋2.3lg（L/H））

若L≥λ/2，则SE=0 dB，这时，孔洞是完全泄漏的。

式中 L为缝隙的长度（mm），H为缝隙的宽度（mm），f为入射电磁波的频率（MHz）。这个公式是在远场区中，最坏情况下的屏蔽效能 .在近场区：

若辐射源是电场辐射源SE＝48十20lgZC一20lgLf+20lg（1+2.3lg（L/H））

若辐射源是磁场辐射源SE＝201g（πD/L）+20lg（1+2.3lg（L/H））

式中：ZC为辐射源电路的阻抗（Ω），D为孔洞到辐射源的距离（m），L、H为孔洞长、宽（mm），f为电磁波的频率（MHz）。

在近场区，孔洞的泄漏与辐射源的特性有关。当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏比远场时小（屏蔽效能高），而当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏比远场时要大（屏蔽效能低）。

这里对磁场辐射源的假设是纯磁场源，因此屏蔽效能与孔洞到辐射源的距离有关，距离越近，则泄漏越大。

2.缝隙一般情况下，屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列。

缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。在实际工程中，常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。

（1）缝隙处的阻抗。缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效，因为接触上的点相当于一个电阻，没有接触的点相当于一个电容，整个缝隙就是许多电阻和电容的并联。低频时，电阻分量起主要作用；高频时，电容分量起主要作用。

（2）影响电阻成分的因素。影响缝隙上电阻成分的因素主要有：接触面积、接触面的材料、接触面的清洁程度、接触面上的压力、氧化腐蚀等。

（3）影响电容成分的因素。根据电容器的原理：两个表面之间的距离越近，对应的面积越大，则电容越大。

（4）解决缝隙泄漏的措施。增加接触面的重合面积，这可以减小电阻、增加电容；使用尽量多的紧固螺钉，这也可以减小电阻、增加电容；保持接触面清洁，减小接触电阻；保持接触面较好的平整度，这可以减小电阻、增加电容；使用电磁密封衬垫，消除缝隙上的不接触点。

参考文献

「1」王守三，电磁兼容的实用技术技巧和工艺，机械工业出版社，2007.6

「2」邹逢兴，电磁兼容技术，国防工业出版社，2005.2

「3」安科，电磁兼容设计工程手册，2001.

作者：王廷豪，副教授，研究方向试验通信和教育教学问题。