電磁兼容EMC中的屏蔽技術(shù)分析

電場(chǎng),磁場(chǎng),電磁場(chǎng)的屏蔽其實(shí)是不同的!

磁場(chǎng)的屏蔽問(wèn)題,是一個(gè)既具有實(shí)際意義又具有理論意義的問(wèn)題.根據條件的不同,電磁場(chǎng)的屏蔽可分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽和電磁屏蔽三種情況,這三種情況既具有質(zhì)的區別,又具有內在的聯(lián)系,不能混淆.

靜電屏蔽

在靜電平衡狀態(tài)下,不論是空心導體還是實(shí)心導體;不論導體本身帶電多少,或者導體是否處于外電場(chǎng)中,必定為等勢體,其內部場(chǎng)強為零,這是靜電屏蔽的理論基礎.因為封閉導體殼內的電場(chǎng)具有典型意義和實(shí)際意義,我們以封閉導體殼內的電場(chǎng)為例對靜電屏蔽作一些討論.

(一)封閉導體殼內部電場(chǎng)不受殼外電荷或電場(chǎng)影響.

如殼內無(wú)帶電體而殼外有電荷q,則靜電感應使殼外壁帶電.靜電平衡時(shí)殼內無(wú)電場(chǎng).這不是說(shuō)殼外電荷不在殼內產(chǎn)生電場(chǎng),根發(fā)電場(chǎng).由于殼外壁感應出異號電荷,它們與q在殼內空間任一點(diǎn)激發(fā)的合場(chǎng)強為零.因而導體殼內部不會(huì )受到殼外電荷q或其他電場(chǎng)的影響.殼外壁的感應電荷起了自動(dòng)調節作用.如果把上述空腔導體外殼接地,則外殼上感應正電荷將沿接地線(xiàn)流入地下.靜電平衡后空腔導體與大地等勢,空腔內場(chǎng)強仍然為零.如果空腔內有電荷,則空腔導體仍與地等勢,導體內無(wú)電場(chǎng).這時(shí)因空腔內壁有異號感應電荷,因此空腔內有電場(chǎng).此電場(chǎng)由殼內電荷產(chǎn)生,殼外電荷對殼內電場(chǎng)仍無(wú)影響.

由以上討論可知,封閉導體殼不論接地與否,內部電場(chǎng)不受殼外電荷影響.

(二)接地封閉導體殼外部電場(chǎng)不受殼內電荷的影響.

如果殼內空腔有電荷q,因為靜電感應,殼內壁帶有等量異號電荷,殼外壁帶有等量同號電荷,殼外空間有電場(chǎng)存在,此電場(chǎng)可以說(shuō)是由殼內電荷q間接產(chǎn)生.也可以說(shuō)是由殼外感應電荷直接產(chǎn)生的.但如果將外殼接地,則殼外電荷將消失,殼內電荷q與內壁感應電荷在殼外產(chǎn)生電場(chǎng)為零.可見(jiàn)如果要使殼內電荷對殼外電場(chǎng)無(wú)影響,必須將外殼接地.這與**種情況不同.

這里還須注意:

①我們說(shuō)接地將消除殼外電荷,但并不是說(shuō)在任何情況殼外壁都一定不帶電.假如殼外有帶電體,則殼外壁仍可能帶電,而不論殼內是否有電荷.

②實(shí)際應用中金屬外殼不必嚴格完全封閉,用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達到類(lèi)似的靜電屏蔽效果,雖然這種屏蔽并不是完全、徹底的.

③在靜電平衡時(shí),接地線(xiàn)中是無(wú)電荷流動(dòng)的,但是如果被屏蔽的殼內的電荷隨時(shí)間變化,或者是殼外附近帶電體的電荷隨時(shí)間而變化,就會(huì )使接地線(xiàn)中有電流.屏蔽罩也可能出現剩余電荷,這時(shí)屏蔽作用又將是不完全和不徹底的.

總之,封閉導體殼不論接地與否,內部電場(chǎng)不受殼外電荷與電場(chǎng)影響;接地封閉導體殼外電場(chǎng)不受殼內電荷的影響.這種現象,叫靜電屏蔽.靜電屏蔽有兩方面的意義:

其一是實(shí)際意義:屏蔽使金屬導體殼內的儀器或工作環(huán)境不受外部電場(chǎng)影響,也不對外部電場(chǎng)產(chǎn)生影響.有些電子器件或測量設備為了免除干擾,都要實(shí)行靜電屏蔽,如室內高壓設備罩上接地的金屬罩或較密的金屬網(wǎng)罩,電子管用金屬管殼.又如作全波整流或橋式整流的電源變壓器,在初級繞組和次級繞組之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線(xiàn)并使之接地,達到屏蔽作用.在高壓帶電作業(yè)中,工人穿上用金屬絲或導電纖維織成的均壓服,可以對人體起屏蔽保護作用.在靜電實(shí)驗中,因地球附近存在著(zhù)大約100V/m的豎直電場(chǎng).要排除這個(gè)電場(chǎng)對電子的作用,研究電子只在重力作用下的運動(dòng),則必須有eE<meg,可算出E<10-10V/m,這是一個(gè)幾乎沒(méi)有靜電場(chǎng)的“靜電真空”,這只有對抽成真空的空腔進(jìn)行靜電屏蔽才能實(shí)現.事實(shí)上,由一個(gè)封閉導體空腔實(shí)現的靜電屏蔽是非常有效的.

其二是理論意義:間接驗證庫侖定律.高斯定理可以從庫侖定律推導出來(lái)的,如果庫侖定律中的平方反比指數不等于2就得不出高斯定理.反之,如果證明了高斯定理,就證明庫侖定律的正確性.根據高斯定理,絕緣金屬球殼內部的場(chǎng)強應為零,這也是靜電屏蔽的結論.若用儀器對屏蔽殼內帶電與否進(jìn)行檢測,根據測量結果進(jìn)行分析就可判定高斯定理的正確性,也就驗證了庫侖定律的正確性.*近的實(shí)驗結果是威廉斯等人于1971年完成的,指出在式

F=q1q2/r2±δ中,δ<(2.7±3.1)×10-16,

可見(jiàn)在現階段所能達到的實(shí)驗精度內,庫侖定律的平方反比關(guān)系是嚴格成立的.從實(shí)際應用的觀(guān)點(diǎn)看,我們可以認為它是正確的.

靜磁屏蔽

靜磁場(chǎng)是穩恒電流或長(cháng)久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng).靜磁屏蔽是利用高磁導率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場(chǎng).它與靜電屏蔽作用類(lèi)似而又有不同.

靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來(lái)說(shuō)明.如將鐵磁材料做成截面如圖7的回路,則在外磁場(chǎng)中,絕大部份磁場(chǎng)集中在鐵磁回路中.這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來(lái)分析.因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍,所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多,外磁場(chǎng)的磁感應線(xiàn)的絕大部份將沿著(zhù)鐵磁材料壁內通過(guò),而進(jìn)入空腔的磁通量極少.這樣,被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒(méi)有外磁場(chǎng),從而達到靜磁屏蔽的目的.材料的磁導率愈高,筒壁愈厚,屏蔽效果就愈顯著(zhù).因常用磁導率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層,故靜磁屏蔽又叫鐵磁屏蔽.

靜磁屏蔽在電子器件中有著(zhù)廣泛的應用.例如變壓器或其他線(xiàn)圈產(chǎn)生的漏磁通會(huì )對電子的運動(dòng)產(chǎn)生作用,影響示波管或顯像管中電子束的聚焦.為了提高儀器或產(chǎn)品的質(zhì)量,必須將產(chǎn)生漏磁通的部件實(shí)行靜磁屏蔽.在手表中,在機芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用.

前面指出,靜電屏蔽的效果是非常好的.這是因為金屬導體的電導率要比空氣的電導率大十幾個(gè)數量級,而鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導率的差別只有幾個(gè)數量級,通常約大幾千倍.所以靜磁屏蔽總有些漏磁.為了達到更好的屏蔽效果,可采用多層屏蔽,把漏進(jìn)空腔里的殘余磁通量一次次地屏蔽掉.所以效果良好的磁屏蔽一般都比較笨重.但是,如果要制造優(yōu)良的“靜磁真空”,則可以利用超導體的邁斯納效應.即將一塊超導體放在外磁場(chǎng)中,其體內的磁感應強度B永遠為零.超導體是完全抗磁體,具有*理想的靜磁屏蔽效果,但目前還不能普遍應用.

電磁屏蔽

電磁場(chǎng)在導電介質(zhì)中傳播時(shí),其場(chǎng)量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數規律衰減.從能量的觀(guān)點(diǎn)看,電磁波在導電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗,因此,表現為場(chǎng)量振幅的減小.導體表面的場(chǎng)量*大,愈深入導體內部,場(chǎng)量愈小.這種現象也稱(chēng)為趨膚效應.利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而作成電磁屏蔽裝置.它比靜電、靜磁屏蔽更具有普遍意義.

電磁屏蔽是抑制干擾,增強設備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段.合理地使用電磁屏蔽,可以抑制外來(lái)高頻電磁波的干擾,也可以避免作為干擾源去影響其他設備.如在收音機中,用空芯鋁殼罩在線(xiàn)圈外面,使它不受外界時(shí)變場(chǎng)的干擾從而避免雜音.音頻饋線(xiàn)用屏蔽線(xiàn)也是這個(gè)道理.示波管用鐵皮包著(zhù),也是為了使雜散電磁場(chǎng)不影響電子射線(xiàn)的掃描.在金屬屏蔽殼內部的元件或設備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設備.

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導體中衰減很快,把由導體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱(chēng)為趨膚厚度(又稱(chēng)透入深度),用d表示,有電磁屏蔽 ,電磁場(chǎng)在導電介質(zhì)中傳播時(shí),其場(chǎng)量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數規律衰減.從能量的觀(guān)點(diǎn)看,電磁波在導電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗,因此,表現為場(chǎng)量振幅的減小.導體表面的場(chǎng)量*大,愈深入導體內部,場(chǎng)量愈小.這種現象也稱(chēng)為趨膚效應.利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而作成電磁屏蔽裝置.它比靜電、靜磁屏蔽更具有普遍意義.

電磁屏蔽是抑制干擾,增強設備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段.合理地使用電磁屏蔽,可以抑制外來(lái)高頻電磁波的干擾,也可以避免作為干擾源去影響其他設備.如在收音機中,用空芯鋁殼罩在線(xiàn)圈外面,使它不受外界時(shí)變場(chǎng)的干擾從而避免雜音.音頻饋線(xiàn)用屏蔽線(xiàn)也是這個(gè)道理.示波管用鐵皮包著(zhù),也是為了使雜散電磁場(chǎng)不影響電子射線(xiàn)的掃描.在金屬屏蔽殼內部的元件或設備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設備.

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導體中衰減很快,把由導體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱(chēng)為趨膚厚度(又稱(chēng)透入深度),用d表示,有

其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導率和電導率.若電視頻率f=100 MHz,對銅導體(σ=5.8×107/ ?m,μ≈μo＝4π×10-7H/m)可求出d=0．00667mm.可見(jiàn)良導體的電磁屏蔽效果顯著(zhù).如果是鐵(σ＝107/ ?m)則d=0.016mm.如果是鋁(σ＝3.54×107/ ?m)則d＝0.0085mm.

為了得到有效的屏蔽作用,屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內部的電磁波波長(cháng)(λ=2πd).如在收音機中,若f＝500kHz,則在銅中d＝0.094mm(λ=0.59mm).在鋁中d＝0.12mm(λ=0.75mm ).所以在收音機中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果.因為電視頻率更高,透入深度更小些,所需屏蔽層厚度可更薄些,如果考慮機械強度,要有必要的厚度.在高頻時(shí),由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大,從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降,故一般不采用高磁導率的磁屏蔽,而采用高電導率的材料做電磁屏蔽.在電磁材料中,因趨膚電流是渦電流,故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽.

在工頻(50Hz)時(shí),銅中的d＝9.45mm,鋁中的d＝11.67mm.顯然,采用銅、鋁已很不適宜了,如用鐵,則d＝0.172mm,這時(shí)應采用鐵磁材料.因為在鐵磁材料中電磁場(chǎng)衰減比銅、鋁中大得多.又因是低頻,無(wú)需考慮Q值問(wèn)題.可見(jiàn),在低頻情況下,電磁屏蔽就轉化為靜磁屏蔽.電磁屏蔽和靜電屏蔽有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn).相同點(diǎn)是都應用高電導率的金屬材料來(lái)制作;不同點(diǎn)是靜電屏蔽只能消除電容耦合,防止靜電感應,屏蔽必須接地.而電磁屏蔽是使電磁場(chǎng)只能透入屏蔽體一薄層,借渦流消除電磁場(chǎng)的干擾,這種屏蔽體可不接地.但因用作電磁屏蔽的導體增加了靜電耦合,因此即使只進(jìn)行電磁屏蔽,也還是接地為好,這樣電磁屏蔽也同時(shí)起靜電屏蔽作用.