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1、9/13/2023,1,电磁屏蔽基本理论,Winson Ma(马万幸),Laird Technologies(SZ),9/13/2023,2,现状:日益增多电磁屏蔽需求,日益增多的干扰源和敏感器件 日益增多的设备的小型化使源与敏感器靠得很近。这使传播路径缩短，增加了干扰的机会。器件的小型化增加了它们对干扰的敏感度。汽车:电话、膝上计算机等设备随处可用，而不一定局限于办公室那样的受控环境。这也带来了兼容性问题。例如，许多汽车装有包括防抱死控制系统在内的大量的电子电路，如果汽车电话与这个控制系统不兼容，则会引起误动作。大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限，而它们精细的几何尺寸的较低的
2、电平下就受到电弧损坏。它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲，这会带来从端口产生宽带发射的问题。一般来说，高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰。对于数据保密的要求是屏蔽市场发展的一个重要动力。已有报道揭露美国驻莫斯科使追究中的信息已被前苏联窃取到，车（车臣，首脑会议）这是通过接收使馆内设备产生的电磁能量来实现的同样的技术也被用来截获密码，然后攻击银行计算机系统。通过屏蔽，设备的电磁发射能够减小，提高系统的安全性。更不用说军事工业.人也是敏感器件，警惕隐形杀-辐射 在我们享受现代高科技带来的方便、快捷之时，是否意识到终日与隐形杀手相伴辐射污染让我们无处藏身。常接触电脑的人，大多都有眼睛发干、头
3、痛、烦躁、疲倦、注意力难以集中、脸上长斑等症状。据报载，某妇幼保健院不到三个月发现三例畸胎儿，这些孕妇与丈夫均身体健康，无家族遗传史，孕期无不良接触，只因她们工作中接触电脑。自然放射、宇宙放射加上现代科技的各种微波、电磁波使人们日常的工作、生活几乎被辐射包围，人类对辐射的敏感高于其它动物。因此，人类创造现代文明的同时也首当其冲成为其受害者。医学界透露：电磁辐射可导致头晕、失眠、视力下降、免疫力低下、脑肿瘤甚至癌症。台湾一项测试显示：手机接通一瞬间释放出的电磁波有时甚至高出测量仪器的极限2000毫高斯，而电磁波强度只要达到10150毫高斯便足以令人体内抑制肿瘤的基因P53发生突变，增加患癌机会。
4、辐射污染看不见，摸不着，其危害又具有长期性，被喻为隐形杀手，被联合国人类环境卫生会议列为环保项目之1，（水，气，电磁波）。,9/13/2023,3,从电磁波谈起,任何一个电磁能量会产生扩散的球面波(平面波)，这种波在所有方向上传播。在任何一点，这种波包含相互垂直的电场分量和磁场分量.,9/13/2023,4,电磁波:电磁波发射天线,LC 振荡电路:发射的条件是:频率足够高，能量适当足，开放对外.天线含义是广义的，缝隙，毛刺都可视为天线。大小能量不同而矣.,9/13/2023,5,电磁波,1865 Maxwell 发现电磁波传播速度正好等于光速 c=3x108 m/s,于是预言”光也是电球波的一
5、种”.数十年后Hertz 实践证明 Maxwell预见.德国物理学家赫兹年第一次用人工方式产生出了电磁波，以实验证实了电磁波的存在。当时，人们虽然已经知道“电”能生“磁”，“磁”能生“电”；知道利用电磁原理来制造电机和变压器；但是对于电与磁相互关系的本质还并不清楚，对于伴随某些电现象和磁现象而存在的电磁波还没有认识，可以说，麦克斯韦是一名非常杰出的电磁理论学家。他在总结前人经验的基础上，用非常精辟而微妙的数学方程式，阐明了电场与磁场的基本关系，建立了严谨的电磁场理论。麦克斯韦根据他所作的数学分析指出：只要存在着交变的电场，就能在其周围产生交变的磁场；反之，只要存在交变的磁场，就能在其周围产生交
6、变的电场。这样一来、变化的电场在其周围产生变化的磁场，变化的磁场又在其附近产生变化的电场，如此循环下去，电 场和磁场不就会越传越远了吗？据此，麦克斯韦认为：运动着的电荷能产生电磁辐射，形成逐渐向外传播的看不见的电磁波(简称电波)。实际上光、热和射线是电磁能量的其它特殊形式。见下图,9/13/2023,6,电磁波,任何频率的都能引起干扰.射频干扰()是电磁干扰的一种主要形式,1G,9/13/2023,7,电磁骚扰/干扰,辐射干扰 当一个器件发射的能量,通过空间到达敏感器时，称为辐射干扰。干扰源既可以是受干扰系统中的一部分，也可以是完全电气隔离的单元。辐射干扰能影响设备中的任何信号路径，其屏蔽有较
7、大难度。辐射电磁能量成为电磁干扰的机理可以由法拉第定律来解释。当一个变化的电磁场作用于一个导体时，在这个导体上会感应出电流,电路会接收这个电流并发生响应。换句话说，随机的射频信号发出指令，使程序发生变化传导干扰的产生是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接，干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元。传导干扰经常会影响设备的电源，这可以通过滤波器来控制。,9/13/2023,8,Radiated Emissions,Conducted Emissions,Radiated Susceptibility,Conducted Susceptibility,Common Nuisance EMI Pro
8、blem,9/13/2023,9,电磁干扰传播干扰传播的途径如图示。有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰”，也有通过空间直接传播的“空间干扰”。,9/13/2023,10,电磁兼容,电磁兼容问题可以分为两类.一类是”忍无可忍”的干扰问题.电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰，使其达不到预期技术指标。如装于机柜内的由微处理器构成的控制电路受到装在同一个机柜内的马达的干扰的问题。另一类”管的宽”的电磁兼容问题.设备虽然没有直接受到干扰的影响，但不能通过国家的电磁兼容标准，如计算机设备产生超过电磁发射标准规定的极限值，或在电磁敏感度、静电敏感度等方面达不到要求。
9、电磁兼容定义:设备在其电磁环境中不受干扰能正常工作.(对内)设备不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰.(对外)军用产品要满足、标准，民用设备要满足、,市场满足CCC 等标准或行业。军用标准比民用标准严格得多。无论那一种标准，其测试都是十分复杂的，并对测试环境和设备有严格的要求，因此测试要到指定的实验室进行。-,9/13/2023,11,屏蔽电磁兼容,-屏蔽:“切断”电磁骚扰,干扰转播的途径.电磁兼容是与电磁环境密切相关的一门综合性极强的边缘科学。主要以电气、电子科学理论为基础，研究并解决各类电磁污染问题。其理论基础包括数学、电磁场微波理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通讯理论、材料
10、科学、生物医学、电子对抗、通信地质工程等等，可以说电磁兼容技术是一个正在不断发展的新型综合性学科，也是一门工程性极强的应用技术。屏蔽技术-只是电磁兼容手段之一.1电路解决，2外壳解决为了使设备或系统达到电磁兼容状态，通常应用的有:元器件件设计;印制电路板设计;屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。,9/13/2023,12,屏蔽:用金属材料”切断”电碰噪声沿空间的传播特点:近乎完美的干扰抑制技术,无负面影响 这是目前唯一不会带来负面影响的干扰抑制技术。屏蔽技术不涉及电路内部，因面它在解决EMC问题的同时不会影响电路的高速正常工作.双丰收 它在减少对外辐射发射的同时，也降低了内
11、部敏感度。内忧外患一并处理.独立 在现有的设计中，屏蔽技术常常作为一种独立的EMC解决方案。它适用于任何时候、任何场合。但在新的设计中，屏蔽设计应与电路布线相结合或在电路布线设计及减少带宽设计完现之后即进行。后备军 如果我们想尽办法，系统仍然不能满足它的电磁兼容性（EMC）要求，可以采用屏蔽种非常有效的干扰抑制技术。我们只需在干扰电路的周围加上均匀、连续的封闭体，EMC问题即可解决。,9/13/2023,13,屏蔽类型,静电场屏蔽：1 高导电率金属外壳，如Cu。2 必须接地。静磁场屏蔽:应用铁磁材料如Fe，Si，来集中力线，一般也应接地.电磁场屏蔽:应用导体产生反射R与吸收A而大幅衰减电磁能量
12、.必须接地.电磁屏蔽与静电屏蔽有什么不同？电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽，而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽。静电屏蔽要求屏蔽体必须接地。影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝、开口等。电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。,9/13/2023,14,Improvement on the shielded side.,Constructive interference makes signal stronger on this side.,Radiated field with no shielding.,Ra
13、diated field with shielding on one side.,Reflections,The Problem with a Partial Shield,开放,半开放,9/13/2023,15,Hole,Leakage,Radiated Field of Improper Shielding,有孔,9/13/2023,16,Surface Current,Internal Reflection,Conductive Material,Radiated Field With Shielding,无孔,9/13/2023,17,Transmission Leakage,Thin
14、 Conductor,Radiated Field of Poor Shielding,Transmission Leakage,无孔,但是太薄了,9/13/2023,18,F1,A,R,F2,电磁场屏蔽机理,SE(dB)=20 log10(F1/F2)=A(dB)+R(dB),9/13/2023,19,F1,A,F2,F1,R,F2,SE(dB)=20 log(F1/F2)=A(dB)+R(dB),SE(dB)=20 log(F1/F2)A(dB),Outside(Case 1),Inside(Case 2),EFFECTS OF EMITTER LOCATIONON SHIELDING E
15、FFECTIVENESS,A,A,F2,R,9/13/2023,20,A:absorption 吸收损耗,电磁波进入金属体内产生感应电流引起热能损耗，其吸收量为 _ 吸收损耗：A=1.13bfrrb-屏蔽厚度，cm;r-屏蔽材料的相对导磁率；r-屏蔽材料的相对导电率；f-频率，Hz。,9/13/2023,21,_ 吸收损耗：A=1.13bfrr,壁厚 吸收多频率高 吸收多高导高磁材料(Fe)吸收多Fe 0.17x500,Cu 1x1,9/13/2023,22,R:reflection 反射损耗:空气与金属对电磁波的阻抗不一样而引起反射,电磁波反射损耗的公式，(电场波和磁场波有类似的公式)R=1
16、68+101g(r/r f)b-屏蔽厚度r-屏蔽材料的相对导磁率；r-屏蔽材料的相对导电率；f-频率，Hz。,9/13/2023,23,反射损耗R=168+101g(r/r f),金属壁厚无关低频时反射多良导体低磁导率Cu反射多Fe 0.17x500,Cu 1x1,9/13/2023,24,B:多次反射因子,B=20 Lg(1-e-2b/)如果吸收因子6dB以上，A主导地位.多次反射因子B可以忽略.仅当屏蔽层很薄b或频率低于f20KHz时，A很小,B才是重要的。,9/13/2023,25,20LogEi/Eo=SE=A+R+B=A+R=1.13bfrr+168+101g(r/r f),屏蔽效能
17、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，(忽略)，所有因子都以dB表示。虽然f高时A大R小 但”A+R”趋势是:f高 SE大，特别是在高频段A吸收是起主导作用的。低频时R反射起主导作用选用高导电率的材料如Cu,钢铁及其它金属材料,9/13/2023,26,分贝不是线性关系而是指数关系SE are expressed in logarithmic(dB),not linear.,军事,9/13/2023,27,缝隙,一些破坏机壳完整性的因素:门;盖板；通用孔；测量仪表的指示窗；显示窗；电位器轴；指示灯；保险丝；开关；电源线和信号线连接器。,9/13/2023,28,缝隙,
18、缝隙,9/13/2023,29,缝隙,9/13/2023,30,缝隙 Slot or Seam Effect,9/13/2023,31,缝隙,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。导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低，它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系。对于高频或较短波长来说，屏蔽效能的下降将是很剧烈的。,9/13/2023,32,Radiated Field,Gasketed Shiel
19、ding,EMI Gasket,Fringing Field,9/13/2023,33,1电源围绕金属机箱运行 2电流在机箱内表面运行 3机箱/盖板截面图,9/13/2023,34,开孔屏蔽效能公式 SE=A+R+B 简化为；SE=k log/(2 L)+30 t/L-10 log n 1.if Lt2.if t 3L,waveguide 3.in A(l/2)2,k-20缝隙，40圆孔L孔缝的长度（单位m）且LW、Lt；t 厚度（单位m）；波长（单位m）；n 面积A内的孔缝个数。且A(/2)2公式分为三项，每一项依据条件可以单独计算。公式的第一项表示薄板上开一狭长的孔缝（长为L）对屏蔽效能的
20、影响。由公式可知，当孔缝的长度接近于半个波长（截止频率）时，衰减接近于0 dB。公式第二项表示材料厚度的增加对屏蔽效能的改善作用。第三项则是对等n个多孔洞的简单修正。,9/13/2023,35,简化计算 SE=20 lg（/2 L)大缝隙时 Lt,一般来说，孔缝Lt,孔缝的应小于/50,(1/20,1/50).这种情况下2项很小。1项为主要.例:在1GHz高速数字电路要达到允许的衰减值30，孔缝的尺寸不能超过6mm.当工作频率增加时，孔缝应该更小。屏蔽效能取决于孔缝的尺寸。一般来说，如果适当限定孔径的尺寸，并且周围使用屏蔽材料，金属薄板将表现出良好的表面传输阻抗和均匀一致的屏蔽性能。,限制孔缝
21、的尺寸,9/13/2023,36,简化计算 SE=30 t/L 材料厚度 t 2L,waveguide,当L接近于/2时，增加材料的厚度、使之等于或大于L（即t 2L），可使得孔洞的屏蔽效能显著提高。此时，开口相当于一个工作在截止频率（Fco）以下的波导。Fco=15x109/L(L:cm)在低于1/3 Fco的频段内，衰减值与频率无关，它由公式的第二项给出，SE(dB)30 t/L。这个关系仅对单个波导适用。由于孔的形状略有差异，系数30只是一个近似，其值可在2832之间变动。对于t/L=4的高性能蜂窝状通风板，单孔的理论衰减值可达120dB。在Fco/3Fco之间，衰减下降，在Fco处接近
22、于0dB。即便如此，波导结构在该频段内的屏蔽效能比薄板上同尺寸的孔洞要好得多。,9/13/2023,37,修正 SE=-10 log n in A(l/2)2,当孔洞数目增多时，衰减也会下降。公式中第3项给出了评估开孔数目影响的简单方法。若将孔的数目增加为n，衰减值便相应地减少，两个孔是-3dB，十个孔洞是-10dB。如果照此类推下去不难得出：一块开有足够多孔洞的金属板将没有任何屏蔽效果；而实际上影响金属板屏蔽效能的开孔数目有一个极限值，这是由于孔洞之间有间隔，当两个孔洞的间距足够大时，由两孔共同耦合所产生的射频能量便可忽略，相当于这些开孔单独起作用。该公式推算此间距近似为半个波长（/2）。这样一来，公式中第三项仅包含那些 A=r2（r=/2）区域内的开孔个数n。,多孔洞的金属板,9/13/2023,38,屏蔽效率SE与频率f波长缝隙口长L之关系 operating for 6 dB,20 dB,or 26 dB attenuation,9/13/2023,39,THREE MAJOR TYPES OF SEAMS,9/13/2023,40,填充缝隙-Laird 屏蔽材料,以下仅为4例屏蔽产品.莱尔德屏蔽产品几乎涵盖了整个EMI领域,包括金属簧片,导电布,导电泡棉,导电胶带,表面点胶,屏蔽盒,编织网,通风板,导电橡胶等.新的品种还正在不断开发中.,
