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電磁兼容屏蔽介紹

一、屏蔽原理
1、電磁干擾（Electromagnetic Interference ）能量可通過傳導性耦合或輻射性耦合來進行傳輸。為滿足電磁屏蔽要求，對傳導性耦合需采用濾波技術，即采用EMI 濾波器件加以抑制；對輻射性耦合則需采用屏蔽技術加以抑制。
電屏蔽的實質是減小兩個設備（或兩個電路、組件、元件）間電場感應的影響。當電磁波入射到兩側為空氣的金屬板時，一部分能量被反射，即反射損耗；透射波在金屬板內傳播過程中被衰減的部分稱之吸收損耗；在二界面上被反射到一界面時將再次產生反射，如此循環往復，直至能量全部被衰耗和透射。
2、磁屏蔽的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場進行分流。因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導率的材料和設計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關鍵因素。
電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區場，即同時屏蔽場源所產生的電場和磁場分量。
屏蔽的目的有兩個：一是限制內部的電磁能越出某一范圍；二是防止外來的輻射波進入某一區域。屏蔽就是指在某一殼體內（或外）輻射的電磁場不能穿透殼體，該殼體就是電磁屏蔽體。
這個殼體可以是一個機房也可以是一個機柜，也可是一個電纜的外殼（屏蔽電纜）。
各種屏蔽體對輻射干擾的抑制能力均用屏蔽效能（SE）來衡量。此值定義為：沒有屏蔽體時，從輻射干擾源傳輸到空間某一點(P)的場強Eh 和加入屏蔽體后，輻射干擾源傳輸到空間同一點(P)的場強 E v之比，用dB（分貝）表示。
在直流和低頻的電磁場，用接地的良導體作為電屏蔽，導體的電導率值σ越高，加上接地良好，則屏蔽效果越好；用高磁導率材料作為磁屏蔽體，磁導率值越高磁阻越小，磁頻蔽效果越好。
在高頻電磁場中，由于良導體內有渦流出現，產生了反向磁場，從而抵消或部分抵消原來穿透導體的磁場，起到了磁屏蔽的作用。與此同時，在導體的這些渦流將使由于高頻電場感應的高頻電流集中到靠近高頻電場一邊的導體表面即趨膚效應。這意味著高頻電流不易穿透良導體，從而達到了電屏蔽作用。所以說，在微波頻段，良導體就是電磁屏蔽體。導體的電導率越高，頻率越高，產生的渦流越大，趨膚深度越小，屏蔽層厚度就可以越薄，電磁屏蔽效果仍舊很好。由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽關鍵的控制要素。
屏蔽效果的好壞不僅與屏蔽材料的性能有關，也與輻射頻率、屏蔽殼體與輻射源的距離以及殼體上可能存在的各種不連續的形狀和數量有關。
在設計屏蔽體時，首先應該向用戶了解所需屏蔽的輻頻率范圍以及屏蔽區域屏蔽前的場強以及屏蔽后允許的場強值，兩者的差值即為所需要的屏蔽效果。
屏蔽效果的dB數值與屏蔽體成本成正比關系，屏蔽體的SE應該根據用戶的技術要求、該地區的環境條件（尤其干擾強度的大小）以及可能投入的資金來確定，能達到實用要求即可。
二、抑制輻射耦合——屏蔽殼體
1、殼體材料選材與厚度確定
屏蔽殼體屏蔽材料的選擇，取決于使用頻率范圍和屏蔽效能的要求。
比如，用于天線測試微波暗室的屏蔽和電磁兼容試驗室的屏蔽，一般要求頻率高、頻帶寬，屏蔽效能高，因此多選用薄鋼板作屏蔽材料。
2、孔隙對屏蔽效能的影響
屏蔽體的泄漏耦合結構與所需抑制的電磁波頻率密切相關，根據電磁波傳播理論，隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽關鍵的控制要素。
根據孔耦合理論，決定孔縫泄漏量的因素主要有兩個：
a.孔縫面積和孔縫很大線度尺寸。兩者皆大，則泄漏嚴重；
b.面積小而很大線度尺寸大則電磁泄漏仍然較大。
機箱（機柜）接縫
該類縫雖然面積不大，但其很大線度尺寸即縫長卻非常大，由于維修、開啟等限制，致使該類縫成為電子設備中屏蔽難度很大的一類孔縫，采用導電襯墊等特別屏蔽材料可以地抑制電磁泄漏。
該類孔縫屏蔽設計的關鍵在于：合理地選擇導電襯墊材料并進行適當的變形控制。
通風孔
該類孔面積和很大線度尺寸較大，通風孔設計的關鍵在于通風部件的選擇與裝配結構的設計。在滿足通風性能的條件下，應盡可能選用屏蔽效能較高的屏蔽通風部件。
觀察孔與顯示孔
該類孔面積和很大線度尺寸較大，其設計的關鍵在于屏蔽透光材料的選擇與裝配結構的設計。
連接器與機箱接縫
這類縫的面積與很大線度尺寸均不大，但由于在高頻時導致連接器與機箱的接觸阻抗急劇增大，從而使得屏蔽電纜的共模傳導發射變大，往往導致整個設備的輻射發射出現超標，為此應采用導電橡膠等連接器導電襯墊。
實際屏蔽體上都是同時存在多個泄漏耦合結構（n 個），設機箱接縫、通風孔、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結構的單獨屏蔽效能（如只考慮接縫）為SEi（i=1,2,.，n），屏蔽體的總體屏蔽效能是由各個泄漏耦合結構中產生很大泄漏耦合的結構所決定的，即由屏蔽薄弱的環節所決定的。因此進行屏蔽設計時，明確不同頻段的泄漏耦合結構，確定很大泄漏耦合要素是其首要的設計原則。
綜上所述，孔縫抑制的設計要點歸納為：
a.合理選擇屏蔽材料；
b.合理設計安裝互連結構。
3．孔隙處理
a.焊縫
用均勻屏蔽理論計算材料屏蔽性能時，均假定屏蔽體是均勻的、理想的封閉體。而實際的屏蔽體是不均勻的，屏蔽殼體是有縫隙和孔洞的，由于屏蔽結構存在一些不完整因素，任何一個屏蔽結構體的屏蔽效能都不可能達到理論計算值。由此可見，屏蔽效果不僅取決于屏蔽材料本身，還要考慮屏蔽結構不完整因數的影響，當有一種或幾種因素的影響，使其達不到屏蔽要求時，整個結構就不能滿足屏蔽要求。
結構不完整性會造成電磁泄漏，通常磁場泄漏比電場泄漏大；高頻時電磁泄漏比低頻時電磁泄漏大；在同樣開口面積下，縫隙泄漏比孔洞泄漏大；大的開口泄漏比代替它的許多小孔泄漏大；縫隙與感生電流方向垂直時的泄漏縫隙與感生電流方向平行時的泄漏大。所以說要達到的屏蔽效果，應盡量做到屏蔽結構的完整性。
屏蔽體上的持續性接縫一般指采用焊接方法將兩金屬板連接在一起，這種持續性接縫幾乎與金屬本身的射頻阻抗相等。為減少焊后變形和外觀美，采用氣體保護焊（CO2、氬弧焊），焊縫是連續的，可用探測儀邊焊接邊檢漏，這樣制作出的封閉金屬殼體，方能達到屏蔽要求。
b.屏蔽門
門是屏蔽體的主要進出口，由于門要經常啟閉，門縫是一個名副其實的活動縫隙，是影響屏蔽室屏蔽效能的重要部位。
早期使用梳形彈簧片的門與門框的接觸方式，屏蔽效能比較差。為了提高屏蔽效果，目前現行做法是采用門框四周單槽或雙槽，與門扇四周單刀或雙刀型彈性接觸閘刀式門結構，刀刃與槽底部及刀的兩面與槽兩邊的鈹銅彈簧片都形成良好的電接觸，這樣的屏蔽門其屏蔽效能可達80-100dB。
c.管線過壁
進出屏蔽體的電纜饋線種類繁多、形式多樣（電源線、數據線、電話線、報警線、視頻線…），對于屏蔽機房來說，還會有水管、空調等各種管線，這是影響SE的重要部位，需要認真對待，細致處理。
所采取的方法就是將這些管線通過截止波導管作過壁處理。
根據波導原理：當電磁波頻率低于波導管的截止頻率時，在傳輸中將產生很大的衰減，截止波導管就是根據波導具有高通濾器的特性原理設計制造的，它對于低于波導截止頻率的電磁波能進行的抑制。
常用的截止波導有圓形，矩形和六角形。
d.通風窗
全封閉鋼板式屏蔽體的通風散熱與屏蔽效能之間是矛盾的，為了使屏蔽室既達到設計的屏蔽效能，又能確保通風良好，在頻率低于100MHz時，一般采用銅網對孔洞采取隔離措施，頻率高于100MHz就需要采取截止波導式通風窗。
為了獲得足夠的通風面積，以滿足所需要的通風量，可將很多根截止波導管緊挨著排列在一起，構成一組截止波導式通風孔陣——截止波導通風窗。
截止波導式通風窗有圓形孔波導、矩形孔波導和蜂房形波導，只要加工精良，單層的通風波導窗在較高的頻率時屏蔽效能可達80～100dB，若要求更高，可采用雙層錯位互疊式的波導通風窗。
截止波導通風窗特點是：屏蔽效能高，工作頻帶寬，而且風阻小，結構可靠生產方便。
截止波導通風窗的安裝需要保證與屏蔽層有良好的連續的電接觸，否則將達不到預期的屏蔽效果。
4、接地
電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產生的干擾終止于由良導體制成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導體作為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個關鍵因素。
良好的基準接地平面是使設備可靠運行和干擾的基本條件，對于屏蔽體來說，為了避免因電磁感應而使屏蔽效能下降，屏蔽體均應接大地，使之與大地保持同電位。接地電阻的大小與接地方式（垂直接地還是水平接地，單點接地還是多點接地）接地體的形狀和大小及土壤的電阻率……等要素都有直接關系。從原則來說，在任何情況下，都可以實現接地電阻小的要求。然而合理的設計應根據實際土壤的性質來進行。如果土壤本身的電阻率很小，就可以使接地方案大大簡化。為了接地方便，我們選擇垂直接地。當土壤電阻率為100ΩM時，接地體用直徑50mm的鋼管，長度2.5m，離地面0.8m，要15根，間隔5m并聯接地，方能滿足接地電阻R≤1Ω的要求。
當土壤電阻率為100ΩM時，使用降阻劑，降到10ΩM時，此時用5～10根接地體并聯接地，就能實現接地電阻R≤1Ω的要求。
三、抑制傳導耦合——濾波器
1、濾波器的要求及種類
電磁波能量通過傳導性耦合對系統產生的干擾我們采用濾波技術即采用EMI 濾波器件加以抑制。
傳導干擾是通過金屬傳輸導體例如導線或任何金屬結構傳播的干擾。實踐證明，即使對一個經過精心設計并且具有良好屏蔽性的屏蔽體，這些不需要的雜散干擾電平，也會通過電源線、數據線、電話線、視頻線等傳導耦合進入系統，至使系統性能降低或引起系統失靈。為確保系統不受這些雜散電平影響，進入屏蔽體內的各種傳輸導體需要進行濾波處理。
EMI濾波器是一個集中的或分布的電路元件（如電阻、電感、電容、或它們的等效物）組合的無源網絡，一般可根據其電路形式分為T 型、L 型、π型等基本電路形式，針對不同的抑制對象進行不同的設計，總的來說些網絡對某些頻率或直流較小反抗，而阻塞或短路其它頻率通道，通用的EMI 濾波器可以定義為一個低通網絡。
但EMI 濾波器不同于通常的信號處理濾波器，二者所關心的濾波器指標、使用環境等都是截然不同的：
普通的低通濾波器關心幅頻特性、相位特性、波形畸變等。
而EMI 濾波器更關心插入損耗、能量衰減、截止頻率等參量。
從使用環境來看，EMI 濾波器在使用中需要考慮源端及負載端的端接阻抗對濾波性能的影響，而且在使用中需要結合接地技術與屏蔽措施，才能達到良好的工作狀態。
2、安裝注意要求
a．濾波器安裝時應保證良好接地。
b．濾波器應盡量安裝在設備的入口/出口處。
c．為避免輸入/輸出互相耦合，應盡量做到輸入/輸出隔離，至少嚴格禁止濾
波器輸入/輸出線的相互交叉、路徑平行等。
d．若由于位置及空間的限制，無法滿足上述要求。
則濾波器的輸入/輸出線需要采用屏蔽線或高頻吸收線。