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1、第6章 屏蔽、搭接、系统接地与隔离,6.1 电磁屏蔽原理为了保证电设备的正常工作，需要对电磁波辐射进行控制，在通常采取的技术中，比较有效的技术均是基于以下3项技术的：一是优化电路设计技术；二是配线分离技术(该技术包括线路板设计的相关技术)；三是屏蔽技术。,电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播的方法。电磁屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。,电磁屏蔽的机理是电磁感应现象。在外界交变电磁场作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而这感应电流在屏蔽
2、空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场对屏蔽体内电路的影响，产生了屏蔽效果。6.1.1 屏蔽效能 电场强度与磁场强度之比称为波阻抗。对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数，因为它决定了耦合效率，也决定了导体的屏蔽效能。,对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽，电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量：SE=20lg(E1/E2)dB或 SE=20lg(H 1/H2)dB 其中E1为屏蔽前的场强，E2为屏蔽后的场强，1为屏蔽前的磁场强度，2为屏蔽后的磁场强度。如下图所示，屏蔽效能包括吸收损耗A、反射损耗R与多次反射损耗B三部分组成。,下图是最常见的3种屏蔽体在厚度为1毫米时的
3、吸收损耗随频率变化的曲线。由曲线可以看出，金属屏蔽体的吸收损耗与材料本身的特性密切相关。,金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特性(电导率、磁导率)有关，而且与金属屏蔽体所在的位置有关，还与场源特性有关。,6.1.2 屏蔽技术静电屏蔽静电干扰分为静电场感应产生的干扰和静磁场耦合产生的干扰。它们都可以用屏蔽方法来抑制。设在带正电荷的导体A附近有导体B，则导体B靠近导体A时，A的一侧将会由于静电感应而带负电。如果用金属屏蔽体将导体A包围起来，此时在屏蔽体的内侧就感应出与导体A等量的负电荷，在外侧出现等量的,正电荷，电力线继续到达导体B，而且使感应电场更为复杂；如若将金属屏蔽体接地，使屏蔽体的外侧电
4、场消失，导体B就不会受到感应干扰。这就是静电屏蔽的原理。静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。,磁屏蔽常规屏蔽对低频磁场是无效的，因为低频场的屏蔽取决于反射而不是吸收。电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频辐射电磁波在空间传播的技术措施。屏蔽体起着切断或削弱电磁波传输的作用。对于远场情况的交变电磁场，电场分量和磁场分量同时存在，交变电磁屏蔽的机理有3种理论：,(1)感应涡流效应。(2)电磁场理论。(3)传输线理论。当要屏蔽的磁场很强时，如果使用高磁导率材料，会在强磁场中饱和，丧失屏蔽效能，而使用低磁导率材料，由于吸收损耗不够，不能满足要求。遇到这种情况，可采用双层屏蔽，如下图所示。,第一
5、层屏蔽具有低磁导率，但不易饱和，第二层屏蔽具有高磁导率，但易饱和。第一层屏蔽先将磁场衰减到适当的强度，不会使第二层屏蔽饱和，第二层高磁导率材料能够充分发挥屏蔽效能。,对于近处频率很低的磁场骚扰源(AC或DC电源线、电源变压器、马达、继电器等)，为了保护对磁场敏感设备的正常工作，磁旁路是另一种很有效的屏蔽方法。如下图所示，在这里，为磁场提供一条磁阻很小的通路，将磁力线约束在这条低磁阻通路中，使敏感器件免受磁场的骚扰。,综上所述，可以得出如下结论：(1)低频时，高磁导率材料的磁屏蔽效能高于高导电性材料，但当频率较高时，高导电性材料的磁屏蔽效能可能高于高磁导率材料。(2)低频磁场屏蔽可使用高磁导率合
6、金构成磁路，以短路磁力线；(3)磁屏蔽效能与材料的厚度、磁导率成正比、与屏蔽体其他尺寸成反比；,(4)磁场很强时，要使用多层屏蔽，以防止磁饱和；(5)机械加工会降低高磁导率材料的屏蔽效能，但热处理后可以恢复；(6)高磁导率材料的磁导率与频率有关，一般只用于1kHz以下。电缆屏蔽电缆屏蔽必须对整条电缆在360范围内覆盖。对于同轴电缆，它的屏蔽层既传输信号的回流，又传输外部干扰电流。可以用两种办法来度量屏蔽电缆的屏蔽效能，一种是屏蔽效能(SE)，另一种是转移阻抗(ZT)。,6.2 电磁屏蔽材料6.2.1 覆膜类电磁屏蔽材料与工艺在机箱内外壁上覆盖一种或多种具有导电导磁的电磁波屏蔽膜，是对设备进行屏
7、蔽的一个非常重要的方法。其主要手段有：涂覆导电导磁涂料、金属溅射、真空镀铝、电镀、化学镀以及粘贴金属箔或复合箔等。电磁辐射防护涂料包括：屏蔽涂料、吸波涂料和屏蔽吸收型涂料。,屏蔽涂料 屏蔽涂料又称为导电涂料，根据其组成和导电机理又可分为两大类：结构型导电涂料和掺杂型导电涂料。掺杂型导电涂料可大致分为三类：金属系和碳素系及二者的结合系即复合系，金属系导电涂料主要是以银、铜、镍等为填料的涂料。碳素系主要指以高导电性和高结构性碳黑做填料的导电涂料，复合系主要是以贵金属对金属粉末、非金属及金属氧化物等粉末进行包裹后做填料的涂料。,吸波涂料吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量、并通过材料的损耗转变
8、成热能的一类材料。电磁波吸收材料的研究最早开始于军事信息安全技术。目前国内外正在研制和已经实用化的吸波材料和吸波体主要有以下几种：铁氧体系列吸波材料(镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钡铁氧体等)。微粉吸波材料。多晶铁磁性金属纤维。,希克夫盐基视黄脂。电介质陶瓷吸波材料。导电高分子材料 手性吸波材料 实际应用中一般较少采用单一的材料做吸收体，并很少直接使用，而是采用电磁波吸收体的形式。电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料，它可以以商品的形式出现。目前已获得实用化的吸收体结构有：,单层结构：表现为复合材料的单涂层和单层吸收体。多层结构：由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等
9、组成。设计中经常要用到入射波与反射波相互抵消技术，此时虽然会出现相应的吸收峰但其吸收带宽受到影响。从理论上来讲EMC技术对电磁波吸收材料的基本要求有两点：(1)无反射(即完全吸收)；(2)吸收频带尽可能的宽。,化学镀 化学镀的程序不应与常规的电镀混淆，电镀需要用直流电流使金属镀覆。化学镀或自动催化镀是化学镀覆均匀的固态金属涂层，它将减小零件表面的微电池反应。,火焰喷涂 金属电弧喷涂，通常用来镀锌，它比导电漆和箔屏蔽更有效。金属电弧喷涂工艺为：在两条金属导线之间产生电弧，将金属汽化，利用空气吹在塑料基体上。当熔融金属的粒子撞击塑料表面时，这些粒子因温度较高而将塑料表面的塑料融化，金属离子流也被塑
10、料表面展平并被嵌入，冷却后，形成连续的金属薄膜。,胶箔和胶带在机壳的实际应用时，有时需要改变机壳的等效形状，此时可采用背胶金属箔来实现屏蔽。背胶金属箔主要用于塑料的表面。然而，此项技术存在两个固有的问题：(1)生产时，必须手工在基体易损的表面上安放箔片；(2)由于两基体连接时，两基体的材质和过度区的形状很少能够完全吻合，特别是在覆盖复杂的圆角时，这一问题尤其突出。,填料、粘合剂和导电润滑脂 影响选择填充物材料的3个因素是：成本；要求导电填充物所占百分数：高百分数填充物不仅增加设备的磨损，还影响模压件的表面光洁度和物理性能；纤维将按照处理时的熔液流动方向排列，而使角形和截面变化区域的屏蔽不均匀性
11、增加，同时还会不定期地引起机械强度的损失。不同材料被用作塑料中的导电填充物，包括铝粉和纤维、石墨、不锈钢、镍粉和涂银玻璃珠。,导电粘合剂与填料相比，填料仅需具有合适的性，能密封空隙即可，而粘合剂除了导电性外，还要有足够的机械接合强度，它们用于连接、密封或焊接两个导电表面。导电粘合剂的溶剂有环氧树脂和硅树脂两种，其导电成分主要是银。导电润滑脂的功能之一就是能在涂有润滑剂的配件之间提供很小的接触电阻，如开关。导电漆 迄今为止，性能较好的导电漆都是基于聚丙烯、聚氨脂、乙烯树脂或环氧树脂等衬底的。,(1)银漆银漆能用在陶瓷或更一般的塑料基底上，甚至可用于木质表面上，它有良好的抗磨损特性和可焊接性。(2
12、)镍漆镍通常与聚丙烯组成镍漆，理想情况下以ABS、聚苯乙烯、聚碳酸酯为衬底。(3)铜漆在近20年的时间内，专家们为开发出有效的铜填充导电涂层进行了各种试验。由于铜填充物的易腐蚀性，铜漆没能得到广泛使用。要克服这个问题，只能在铜膜表面加上一层不同导电材料的保护层，但使用的结果是，在一种工作条件下铜漆的性能比较稳定，而在另一种工作条件下，铜漆将更容易失效。,(4)底漆导电漆的性质一般都与基底材料不相容，特别是在胶质物质中更是如此，所以要用专门的底漆。导电玻璃导电薄膜技术还广泛应用于在光学玻璃、有机玻璃基片上喷涂导电屏蔽层，这种既透光又能导电的玻璃称为导电玻璃，常用它来制作各种观察窗口的屏蔽材料，在
13、航空航天领域应用较广。,6.2.2 编织类电磁屏蔽材料编织类屏蔽材料是目前应用最广泛的屏蔽材料，特别是在电缆的屏蔽方面，编织类屏蔽材料表现出比其他屏蔽材料更优越的性能。,EMI屏蔽网 构成织物的基材可以是各种可镀或可涂覆的非导电材料，甚至是导电材料。纺织的方法也有多种形式。两种主要的纺织方式：一种是单线纺织，另一种是多线纺织。导电壁纸 导电纤维编织的壁纸，可以提供某种程度的电磁干扰屏蔽，其效果接近昂贵和笨重的金属屏蔽技术。,编织丝网衬垫 编织丝网衬垫为在接缝处恢复屏蔽体完整性以及其他壳体的连续性，提供了简便的方法。机壳、机柜或机箱材料，无论是塑料喷涂导电漆的，还是用全金属的，都有密封要求。在接
14、头和缝隙处，导电衬垫是补救屏蔽裙带性被破坏的方法之一。,硅橡胶衬垫在硅橡胶中掺入均匀分布的金属颗粒，形成导电的弹性化合物，既可屏蔽RFI，又可气密。硅橡胶衬垫之所以具备上述性能，是由于材料中金属颗粒和弹性体的联合作用的结果。硅橡胶系统通常用于模压成形、薄片冲压成形、印制板屏蔽衬垫和模制零件等，硅橡胶衬垫现已得到广泛应用。,6.2.3 截止波导与蜂窝板 波导是简单的管状金属结构，它在电气上呈现高通滤波器的特性。波导允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减，这与高通滤波器的频率特性相似。在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起，构成
15、截止波导阵列，这样可以形成很大的开口面积，,同时能够防止电磁波泄漏。由于这里的截止波导截面是六角形的，形成阵列后很像蜂巢，因此称为蜂窝板，见下图所示。使用蜂窝板材料时需要注意的问题同样是蜂窝板周边与屏蔽基体的搭接问题。,6.2.4 磁屏蔽材料对许多人而言，低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。低频磁场往往随距离的增大衰减很快，因此在很多场合，将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的十分有效的措施。但当由于空间限制无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效的措施。,当需要屏蔽的磁场很强时，仅用单层屏蔽材料，不是达不到屏蔽要求，就是会发生饱和。这时，一种方法是增加材
16、料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非磁导率材料做支撑，如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体高得多，因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。,6.3 屏蔽完整性在屏蔽的设计中需要考虑以下的一些因素：盖板、通风孔、测量仪表的指示窗、显示窗、电位器轴、指示灯、保险丝、开关、门、各种线、电源线和信号线连接器。盖板为了仪器的维护、测试或校准，需要一次一次地打开仪器带孔的盖板。对于金属盖板来说，最常采用的方法是使用导电填料或硅树脂填料。通风孔通风孔的处理一般采用两种方法，一种是采用屏蔽盖板；另一种是采用蜂窝状盖板。,缝隙屏蔽体上的接
17、缝处由于结合表面不平、清洗不干净、有油污或焊接质量不好、紧固螺钉之间、铆钉之间存在空隙等原因会在接缝处造成缝隙。当金属屏蔽体缝隙的缝长大约等于三倍金属板的集肤深度时，缝隙的吸收损耗和金属板的吸收损耗相等，缝隙基本上不降低屏蔽效能。若缝长大于三倍金属板的集肤深度时，则缝隙屏蔽效能就会减小，因此我们可以采用以下几种方法来提高屏蔽效能。(1)增加缝隙深度(2)提高接合面加工精度,(3)加装导电衬垫(4)在接缝处涂导电涂料(5)增加接缝处的重叠尺寸指示灯、表盘的处理指示灯、保险管、开关及表盘等设备必备器件一般安装在外壳上，而这些外壳往往是主要的屏蔽体，很显然，这些屏蔽性能很差的器件将显著降低屏蔽体的屏
18、蔽效能。为了最大限度地减少这些器件的影响，我们必须采取一些补救措施。常用的措施有以下几条：,采用金属网与电磁密封衬垫相互配合的方法，如下图所示。,采用滤波器加隔离舱的屏蔽方法，如下图所示。,采用截止波导，如下图所示。,穿过屏蔽体的导线穿过屏蔽体的导线既可以将屏蔽体外部的干扰信号传导至屏蔽体内部，造成屏蔽体屏蔽效能的下降，又可能将屏蔽体内部的信号传导到屏蔽体外部，对其他设备造成干扰。解决此问题的方法一般是将屏蔽电缆作为屏蔽体的延伸，屏蔽体与屏蔽电缆构成如下图所示的哑铃式的全封闭体。,屏蔽电缆端接屏蔽电缆的屏蔽层必须将芯线完整地覆盖起来，两端也不例外。因此电缆两端的连接器外壳必须能够与电缆所安装的
19、屏蔽机箱360电气搭接。,矩形连接器护套中的床鞍夹紧方式能够满足大多数场合对搭接的要求。绝对要避免使用小辫连接，再短也不行。下图给出了典型D形连接器的屏蔽端接方式。,6.4 搭 接 技 术搭接指的是在多个组件或模块之间，设备或几个系统之间通过低阻抗的导体实现电连接的一种方式。搭接的目的是：(1)保护设备和人身安全，防止雷电放电的危害；(2)建立故障电流的回流通路，建立信号电流的均匀而稳定的通路；(3)降低机箱和系统壳体上的射频感应电势，防止静电电荷积聚；(4)防止电源突然与地短路发生电击危险，保护人身安全。搭接是抑制电磁干扰的非常重要的技术措施之一。,搭接的方式 由于搭接方式有直接搭接和间接搭
20、接之分，直接搭接是将两种金属构件借助金属流动工艺连接在一起。间接搭接需要采用搭接带或搭接条等辅助导体连接两种金属物体。能提供有效的搭接，但是任何连接体的相对移动都会影响搭接效果。,搭接的电化学腐蚀无论是直接搭接还是间接搭接，搭接金属接触面的氧化与电镀腐蚀都是一个显著影响搭接性能的问题，必须进行处理。电解腐蚀一般是电流通过电解液从在一个金属物体流到另一个金属物体时发生。,搭接的加工方法两种金属材料搭接的加工方法很多，按接合作用原理可分为物理、化学和机械3类不同的原理。(1)物理加工的方法主要有熔接、钎焊和软焊。(2)机械加工的方法有螺栓连接、铆接、压接、卡箍紧固、销键紧固和拧绞连接等 方法。(3
21、)化学加工方法主要采用导电粘合剂。为了获得有效而可靠的搭接，搭接表面必须进行精心的处理，其内容包括搭接前的表面清理和搭接后的表面防腐处理。,6.5 系 统 接 地系统接地是控制电磁干扰、保证设备电磁兼容性、提高可靠性的重要技术措施。正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外发射干扰；反之，错误的接地反而会引入严重的干扰，甚至使电子设备无法正常工作。通常电路和用电设备的接地按其功能分成两大类：安全接地和信号接地。,6.5.1 安全接地技术安全接地的目的是为了使设备与大地有一条低阻抗的电流通路，以保证人身安全和设施的安全，接地是否有效主要取决于接地电阻，阻值越小越好。常见的接地体有接地桩、接地
22、网和地下水管等，通常把它们分为自然接地体和人工接地体两大类型。埋设在地下的水管、输送气体和液体的金属管道以及建筑物埋设在地下或水泥中的金属结构、电缆外皮等都属自然接地体。,自然接地体与大地的接触面积比较大，长度也较长，杂散电阻较小。对于大接地电流系统，由于要求接地电阻值较低，采用人工接地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常用的形式有垂直埋入地下的钢管、角铁和平放的圆钢、扁钢，还有环形、圆板形和方板形的金属导体。,防雷接地技术目前，雷电已成为用电设备的主要杀手之一。雷电灾害可以通过防雷接地等技术手段进行防御。正确的防雷接地不仅是保证设备的安全性的重要措施，也是保护人身安全的一项非常重要的措
23、施。雷击概率及其电流数据如下表所示。,一个有效的防雷系统，包括三部分：直击雷保护、一点接地网络和暂态浪涌电压抑制。三者缺一不可，而正确的连接和接地是其中最关键的因素。等电位连接是防雷接地的重点。设备安全接地 任何高压电气设备及电子设备的机壳、底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触外壳或避免由于内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电，否则人体触及机壳就会触电。,而我国设备上用电电压220V(单相)或380V(三相)，当电源频率为50Hz60Hz时，对人体有最严重的触电危害，容易引起人体触电死亡。为了保证安全，应将在正常情况下把带电的金属外壳与接地体连接，这样，当人体接触带电外壳时，大部分电流从接地
24、电阻旁路流入大地。,移动系统接地飞机、轮船、火车、汽车、导弹等物体都是以一定速度与陆地作相对运动的移动系统，它们内部又装备着密集而先进的电子、电气设备。为了保证系统内部人员、设备的安全和系统的电磁兼容性，必须设置专门的接地系统。,6.5.2 信号接地技术与安全接地的目的不同，信号接地主要是为了消除外界或其他设备对本设备的干扰。电路及设备的各部分都连接到一个共同的等电位点或等电位面，以便有一个共同的参考电位，使各部分电路均执行其正常功能。信号地线的连接方式可分为3种类型，即单点接地、多点接地与浮地。,单点接地系统 单点接地只有一个接地点，该点作为接地参考点，所有接地线均直接接到一点上，如下图所示
25、。多个设备的参考地通过导线连接到同一点上后统一接地。在整个接地系统内，若所有设备都只与本接地系统内的设备通信或各设备与其他设备没有实质的联系的话，该接地方式显示出较大的优越性。,单点接地系统中，各种设备的接地线均有一段共同的导线。无论该导线部分的结构和材料如何，导线均有一定的阻抗。上图就可以等效为下图所示。,多点接地系统 对于高频信号来说，为了降低地线阻抗，一般均采用多点接地方式，如下图所示。为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以便降低地线阻抗。在导体截面相同的情况下，矩形截面导体的高频性能比圆形截面导体要好。为了减少电阻，常用矩形截面导体作地线带，通常还在地线和地线排上镀银。,
26、一般来说，频率在1MHz以下时可采用单点接地方式；当频率高于10MHz时，应采用多点接地方式；当频率在1MHz10MHz之间时，则应视具体情况而定。,地环路与屏蔽线接地 两个地线并联，组成一个完整的电流回路，此时，我们认为两地线构成了地环路。因屏蔽电缆往往比较长，当屏蔽电缆的屏蔽层两端接地时，屏蔽电缆的屏蔽层与大地就构成了典型的地环路。在大多数场合，我们需要设法抑制地环路引起的骚扰。抑制的一般方法是切断地环路、减小或消除地环路的电位差。如下图所示：,可以利用铺设低阻地线的方法降低屏蔽电缆两端的电位差，从而使流过屏蔽电缆屏蔽层的地环路电流大大减小。,浮地 浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引
27、起环流的公共导线隔离开来。浮地的效果取决于是否能做到完全的浮地隔离。当两输入端对地平衡时，即为平衡差分器件。在设备之间利用差分平衡电路进行通信或控制时，就不需要两设备共地。两设备之间的地电位差原理上对差分平衡电路的工作没有任何影响。,6.6 隔 离 技 术在某些应用场合，单纯的浮地措施并不能达到预期的效果，只有采取适当的隔离措施才能真正切断不同电路的相互干扰。常见的隔离措施有：隔离变压器隔离、光电耦合器隔离和光纤隔离等。6.6.1 隔离变压器隔离变压器是通过隔离地环路的形成来抑制其干扰的。,在上图中，电路1的输出信号经变压器耦合到电路2，而地环路则被变压器所阻隔。但是，变压器绕组之间存在分布电
28、容Cp，通过此分布电容形成地环路的等效电路如下图所示。,设上图中输入电路的内阻为零，变压器绕组之间的分布电容为零，输出电路的负载电阻为RL。根据等效电路，在分析隔离变压器阻隔地环路的干扰时，可以不考虑信号电压的传输。将信号电源短路，只考虑地环路电压的作用。提高隔离变压器抗干扰能力的有效办法是减小变压器绕组间的分布电容。如在变压器之间加以屏蔽，就可以有效地减小绕组之间的分布电容，从而有效地阻隔地环路的干扰。,6.6.2 光电耦合器切断两电路之间的地环路的另一种方法是采用光电耦合电路。光电耦合器的原理图如下图所示。输入端为发光二极管，发光的强弱随输入电流变化。输出端为光敏三极管，随着光强的大小变化而使输出电流发生相应变化，将这两种晶体管装在一起就构成光电耦合器。,光电耦合器对数字电路特别适用。在模拟电路中，由于发光二极管电流与光强不是线性关系。在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真，故光电耦合器的应用受到一定限制。在要求比较高的场合，有时光凭一级电耦合器耦合或隔离变压器耦合所形成的隔离程度还不能达到设计指标，这时就要考虑使用多级耦合隔离措施或使用隔离效果更好的光纤隔离。但此时，往往需要在采取隔离措施的同时，对两个希望隔离的电路进行良好的屏蔽。,
