屏蔽内电场屏蔽和磁场屏蔽均必须接地的金属网为什么需要接地


电磁场屏蔽(高频磁场屏蔽)

所谓电磁场屏蔽是指对电场和磁场同时加以屏蔽。 1.电磁场屏蔽原理 设有一厚度为f的无限大金属板(如图3-21所示),将空间分为两部分,若设定入射炀在左部,发出的电磁波自左向右传播至板的右表面,由于空气与金属是两种不同的介质,在板的表面产生反射,使一部分电磁波向左传播,即反射波。另一。部分电磁波射入金属内部,向右继续传播,经过金属板厚度f后,由于金属对电磁波的吸收,场强减弱。到达金属板右界面的电磁波,又有一部分反射回金属向左传播:另一部分穿过右界面向右继续传播。 因此,电磁波经过金属板时,通过反射和吸收,场强逐渐减弱。金属板的屏蔽作用是由左界面的反射、金属中的吸收和右界面的反射等3部分组成的。实际上,上述金属板内的电磁波反射、吸收过程并不是只进行一次就完成的,而是在金属板的两个界面之间往复多次直到耗尽。 电磁波在金属内的损耗表现为涡流损耗。涡流的密度随着进入金属内部深度的增加而按指数规律减小,且随电磁波的频率不同而变,频率越高,涡流在表面的损耗就越大。实际上,板厚f并不需要很厚,经计算:当/>l MHz时,用0.5 mm厚的任一种金属板做屏蔽物,就可以使场强减弱至1/100;当厂>10 MHz时,用0.1 mm的铜箔制成的屏蔽物,可以使场强减弱至1/100;当厂>100 MHz时,可在绝缘材料上镀铜或银,即可达到要求。 电磁场屏蔽(高频磁场屏蔽)采用的是低率的良好导体材料,如铜和铝等。它是利用电磁感应现象在屏蔽壳体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽目的,也就是说,利用了涡流反磁场对于原干扰磁场的排斥作用。 根据法拉第电磁感应定律,闭合回路产生的感应电动势等于穿过该回路的磁通量的变化率。感应电动势引起感应电流,感应电流所产生的磁通要阻止原来磁通的变化,即感应电流产生的磁通方向与原来磁通的方向相反。 如图3-22所示,当高频磁场穿过金属板时,在金属板上产生的感应电动势为金属板短路而产生的涡流,此涡流产生的反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场,高频礅场同时增强了金属板旁的磁场,使磁力线在金属板旁绕行而过。这就是感应涡流产生的反磁场对原磁场的排斥作用。 如果用良导体金属做成屏蔽盒,将置于屏蔽盒内,如图3-23所示,则线圈所产生的磁场将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥,而被限制在屏蔽盒内;同样,外界磁场被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而不能进入屏蔽盒内,从而达到磁场屏蔽的目的。 2.电磁屏蔽体的结构 电磁屏蔽是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收和反射来达到减弱干扰能量作用的。因此,电磁屏蔽可采用板状、盒状、筒状和柱状的屏蔽体。对于电磁屏蔽体,其形状选择的标准应以减少接缝和避免腔体谐振为准。 对于常见的屏蔽体,可以经过等效球壳来进行计算。因此只要不同形状的屏蔽体容积和壁厚相等,其屏效也应相等。但实测结果表明,圆柱形机箱的屏效比长方形机箱高,究其原因主要是电磁泄漏量不同。 根据电磁理论,屏蔽体是一个具有一系列固有频率的系统,当需要屏蔽的电磁场频率接近并等于屏蔽体的某一固有频率时,屏效将急剧降低。由于结构设计不当造成的谐振现象不仅不能使空间防护区的场减弱,反而会使之加强,此时应改变屏蔽体的形状或尺寸。 电磁屏蔽体的结构要求为:①屏蔽盒的电阻越小,则产生的涡流越大,而且损耗也小。所以高频的屏蔽材料需要用良导体材料,常用铝、铜及铜镀银等。②由于高频电流的集肤效应,涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过,而屏蔽层的内层表面被表面涡流所屏蔽。所以高频屏蔽盒无须做待很厚。对于常用钢、铝材料的屏蔽盒,当频率大于1MHz时,机械强度、结构及工艺上所要求的屏蔽盒的厚度,总比能获得可靠的电磁屏蔽时所需要的厚度大得多,因此,高频屏蔽一般无须从屏蔽效果考虑屏蔽盒的厚度,实际中的屏蔽厚度一般取0.2~0.8 mm。③屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有开口或缝隙。④电磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响磁屏蔽效果。这一点与电场屏蔽不同,电场屏蔽必须接地。但如果将金属导电材料做的屏蔽盒接地,则它就同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用,所以实际中屏蔽体都应接地。 当对屏蔽要求很高时,单层屏蔽往往难以满足要求,这就需要采用双层屏蔽,但值得注意的是,在结构设计时应注意双层屏蔽的连接形式,只有正确地进行连接,屏蔽体的实际屏效能才与理论计算的屏效相符合。 3.屏蔽效能的计算 屏蔽效能S就是屏蔽前后空间同一点的场强之比,式中,Ho,Ei,Ho和Hi分别表示屏蔽前后某点的电场及磁场强度。 屏蔽效能S值表示屏蔽前后的倍数,其范围很宽,直接表达起来不方便,可像和衰减器计量增益和衰减一样,用分贝dB或奈培NP来计量. 现在的屏蔽效能都用对数计量,在无线电设备中一般采用分贝,在有线电设备中采用奈培。

[导读] 电磁屏蔽一般可分为三种:静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽。三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中,原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同,因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

  电磁屏蔽一般可分为三种:静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽。三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中,原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同,因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

  静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽依据的原理是:在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布,直到导体内部总场强处处为零为止。接地的封闭金属壳是一种良好的静电屏蔽装置。如图所示,接地的封闭金属壳把空间分割成壳内和壳外两个区域,金属壳维持在零电位。根据静电场的唯一性定理,可以证明:金属壳内的电场仅由壳内的带电体和壳的电位所确定,与壳外的电荷分布无关。当壳外电荷分布变化时,壳层外表面上的电荷分布随之变化,以保证壳内电场分布不变。因此,金属壳对内部区域具有屏蔽作用。壳外的电场仅由壳外的带电体和金属壳的电位以及无限远处的电位所确定,与壳内电荷分布无关。当壳内电荷分布改变时,壳层内表面的电荷分布随之变化,以保证壳外电场分布不变。因此,接地的金属壳对外部区域也具有屏蔽作用。在静电屏蔽中,金属壳接地是十分重要的。当壳内或壳外区域中的电荷分布变化时,通过接地线,电荷在壳层外表面和大地之间重新分布,以保证壳层电势恒定。从物理图像上看,因为在静电平衡时,金属内部不存在电场,壳内外的电场线被金属隔断,彼此无联系,因此,导体壳有隔离壳内外静电相互作用的效应。

  如果金属壳未完全封闭,壳上开有孔或缝,也同样具有静电屏蔽作用。在许多实际应用中,静电屏蔽装置常常是用金属丝编织成的金属网代替闭合的金属壳,即使一块金属板,一根金属线,亦有一定的静电屏蔽作用,只是屏蔽的效果不如金属壳。

  在外电场的作用下,电荷在导体上的重新分布,在10-19秒数量级时间内就可完成,因此对低频变化的电场,导体上的电荷有足够长的时间来保证内部场强为零.所以静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果,屏蔽物的电导率应大,接地线要短,与地的接触要良好。

  身穿高压作业服的人,由于被铜丝编织的衣服所包裹,人体内的场强保持为零,因此没有电流从人体中流过,人体是安全的。不过在作业者刚刚接触高压线的一瞬间高压服上的电荷有一个瞬时分布的过程,在这极小的时间内人体会有短暂的微弱电场作用,一般作业者都能经受住这考验。静电屏蔽的特点是一般只考虑到对静电场的屏蔽,封闭导体的屏蔽作用是完全的(即内部场强可达到真正等于零),对屏壁壳的厚度和电导率也无要求。只有在把低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时,总是希望屏蔽壳的电导率愈高愈好。

  静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域,这时必须用磁性介质做外壳。静磁屏蔽依据的原理可借助并联磁路的概念来说明。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中,则铁壳壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路。由于空气的磁导率接近于1,而铁壳的磁导率至少有几千,所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大的多。这样一来,外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”,“进入”空腔内部的磁通量是很少的,这就达到了磁屏蔽的目的。

  外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响:外壳越厚、磁导率越高,屏蔽的效果就越好。因此,在重量和体积受到限制的情况下,常常采用磁导率高达几万的坡莫合金来做屏蔽壳,而且壳的各个部分要尽量结合紧密,使磁路畅通。

  如果要制造绝对的“静磁真空”,则可以利用超导体的“迈斯纳效应”。即将一块超导体放在外磁场中,其体内的磁感应强度永远为零。超导体是完全抗磁体,具有最理想的静磁屏蔽效果,但目前还不能普遍应用。

  手表为了防磁,在机芯外装一个铁质的衬套 也是一种屏蔽作用。

  三、高频电磁场屏蔽

  在火车车厢里,打开半导体收音机,几乎收不到电台的广播,这是由于车厢的蒙皮大部分是由铁皮制成,它起了屏蔽作用。

  高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。由于电磁场的变化频率很高(例如百万赫兹或更高),场中导体上的感应电荷已不能再看作静止的了(导体不再处于静电平衡状态),因此必须用电磁波在导体中的“贯穿深度”来说明屏蔽的原理:当高频电磁波射向一导体表面,并进入表面后,它会在导体中感应出一个高频交变电流,此电流会激发一个新的电磁波,新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生还导致入射波场能的消耗,结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减,可以用“贯穿深度”来表示衰减的程度。“贯穿深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率及磁导率都有关系:频率越高、电导率越大、磁导率越大“贯穿深度”就越小。当壳罩壁的厚度大于贯穿深度时,壳罩就具有良好的电磁屏蔽作用。高电导率或高磁导率材料制成的壳罩是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳罩材料的电导率或磁导率,增加壳壁的厚度,可以提高电磁屏蔽的效果。

  像铝、钢、铁这样的金属,1兆赫左右的电磁波在其中的“透入深度”约百分之几毫米,所以这些金属只要一张纸那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的电磁波。尤其是铁,因为它的磁导率很高,故屏蔽效果特别好。如在收音机中,用空芯铝壳罩在线圈外面,使它不受外界电磁场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。

  高电导率材料制成的屏蔽物对低频磁场的屏蔽效果比较差。例如,在工频50赫时,铜的贯穿深度约为9.4毫米,薄壁铜壳的屏蔽作用很小。在实际应用中,常采用静磁屏蔽措施来屏蔽低频磁场。电磁屏蔽物接地后也可以屏蔽静电干扰。电磁屏蔽物上不能随意开缝,因为电磁屏蔽还利用了涡电流的作用,若缝隙割断了涡电流的通路,屏蔽效果要降低。

  根据两类基本源的场随1/r(场点至源点的距离)的变化来划分远近场,两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。故远近场的划分满足以下原则:

  选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素:屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

简介:本文档为《电磁屏蔽原理ppt》,可适用于工程科技领域,主题内容包含电磁屏蔽原理电磁屏蔽原理电磁屏蔽的技术原理电磁屏蔽的技术原理磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来使其外部电磁场强符等。

电磁屏蔽原理电磁屏蔽原理电磁屏蔽的技术原理电磁屏蔽的技术原理磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。静电屏蔽用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷外侧出现与带电导体等量的正电荷如果将金属屏蔽体接地则外侧的正电荷将流入大地外侧将不会有电场存在即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。交变电场屏蔽为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主因此屏蔽体的厚度不必过大而以结构强度为主要考虑因素。交变磁场屏蔽交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高厚度越大磁阻越小磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。屏蔽效能计算屏蔽效能计算交变电磁场屏蔽一般采用电导率高的材料作屏蔽体并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。屏蔽效能(SE)的定义是:在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比。常用分贝数(dB)表示。SE=A+R+B   ()式中:A为吸收损耗R为反射损耗B为多次反射损耗。电磁波反射损耗由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同使入射电磁波产生反射作用。而空气的电磁波阻抗在不同场源和场区中是不一样的分别计算如下。磁场源近场中的反射损耗R(dB)为式中:μr为相对磁导率σr为相对电导率f为电磁波频率(Hz)D为辐射源到屏蔽体的距离(cm)。电场源近场中的反射损耗R(dB)为电磁场源远场中的反射损耗R(dB)为R=-log(μrfσr)   ()电磁波吸收损耗当进入金属屏蔽内的电磁波在屏蔽金属内传播时由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗A(dB)为式中:d为屏蔽材料厚度(mm)。多次反射损耗电磁波在屏蔽层间的多次反射损耗B(dB)为式中:Zm为屏蔽金属的电磁波阻抗Zw为空气的电磁波阻抗。当A>dB时一般可以不计多次反射损耗。屏蔽效能计算实例场源距离不同材料的屏蔽体(厚度mm)cm远的屏蔽效能(dB)计算结果见表。表中近场和远场的分界点为λπλ为电磁场的波长。屏蔽的注意事项屏蔽的注意事项屏蔽的完整性如果屏蔽体不完整将导致电磁场泄漏。特别是电磁场屏蔽它利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰。如果屏蔽体不完整涡流的效果降低即屏蔽的效果大打折扣。屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合电磁屏蔽技术的进展促使屏蔽材料的形式不断发展而不再局限于单层金属平板模式屏蔽效能也不断提高。应用时要特别注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应用场合。金属平板电子设备采用金属平板做机箱既坚固耐用又具有电磁屏蔽作用。其电磁屏蔽效能与金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场源与金属平板的距离、屏蔽体接地状况等参数有关屏蔽薄膜当今许多电子设备采用工程塑料做机箱由于工程塑料的加工工艺性能好使机箱既造型美观又成本低、质量轻。但工程塑料无电磁防护性能。屏蔽薄膜是采用喷涂、真空沉积、电镀和粘贴等工艺技术在工程塑料和有机介质的表面覆盖一层导电膜从而起到平板屏蔽的作用。一般导电膜的厚度小于电磁波在其内部传播波长的。屏蔽体良好接地金属屏蔽体良好接地对静电屏蔽而言将使屏蔽体外侧的感应电荷流入大地而不会有感应电场存在。对交变电场屏蔽而言由于交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积只要设法使金属屏蔽体良好接地就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。因此金属屏蔽体的接地不好将会降低屏蔽效果特殊部位的特殊屏蔽措施接缝处理在屏蔽体的接缝处由于结合表面不平、不干净、焊接质量不好、紧固螺钉之间存在空隙等原因在接缝处造成缝隙致使屏蔽体的屏蔽效果降低。对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前应将要焊接表面的非导电物质清除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用并压紧导电衬垫以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织物、含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝如门框上采用弹性指簧以提高接缝的电磁屏蔽效果。导电衬垫的固定方式有沟槽定位、粘贴固定和肋片紧电磁波的频率的增大而降低。一般电缆的屏蔽层是用不导磁的金属丝编织的可以实现电场屏蔽。如需实现磁场屏蔽电缆的屏蔽层应采用导磁的金属丝编织。蜂房板屏蔽当设备的通风和屏蔽要求较高时采用蜂房板屏蔽有较好的效果。蜂房板屏蔽是利用许多并列的六角形金属管焊在一起构成。其中每一个金属管都起波导衰减器的作用而通风的风压降不大。蜂房板的电磁屏蔽效果取决于波导管的衰减特性即与波导管的几何尺寸有关。面板孔屏蔽当设备需要安装表头、数据或图形显示器时应对面板孔加以屏蔽以保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩。屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接通过屏蔽罩的进出线设置穿心电容。电连接器屏蔽选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针供电缆固等方式。为提高缝隙的屏蔽效能可采取以下措施:)增加金属板厚度可通过增加旁边长度来实现)减少结合面缝隙宽度可通过提高结合面加工精度、焊接或整体铸造来实现)加装导电衬垫常用的导电衬垫有编织金属网、软金属、梳状簧片、导电橡胶等)在接缝处涂导电涂料常用的导电涂料有导电胶、导电脂等)调整紧固钉间距使其小于λ(λ为电磁场的波长)孔眼屏蔽当有通风、照明、加水、测量等需要时为提高设备的电磁屏蔽效果应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关。编织屏蔽因电缆需要活动和弯曲其屏蔽采用编织带的形式。编织带的屏蔽效果随编织密度的增大而增加随内各个屏蔽层在电连接器头端接。为保证屏蔽的完整性要沿着电缆一周将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接最好是焊接电连接器座通过导电衬垫与设备的金属外壳保持良好的电气连接电连接器头也应与电连接器座保持良好的电气连接。多层屏蔽单层屏蔽的效果达不到要求时可以采用多层屏蔽。特别是对频带较宽的屏蔽分别采用电导率和磁导率高的几种材料组成多层屏蔽可以达到对高频电场和低频磁场均有较好效果的屏蔽。印刷电路板的屏蔽)在电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路之间设置导线屏蔽并接到电路板的基准电位上。)将导电线条之间的涂覆层尽量多地保留并接到电路板的基准电位上。)在印刷电路板的三个周边(电连接器边除外)设置地线。屏蔽效能检测屏蔽效能检测)对电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路分别设置屏蔽罩并接到电路板的基准电位上。)在印刷电路板之间设置屏蔽板并接到电路板的基准电位上。屏蔽效能的检测设备屏蔽效能的检测设备有变频信号源、射频放大器、发射天线、电磁场接收天线、衰减器、测量接收机、数据记录仪。屏蔽效能的检测方法)定位测量点)校准检测设备)测量无发射时的环境电平H)测量无屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度W)测量有屏蔽时在测量点接收到发射机的电磁场强度Y。屏蔽效能SE的检测分析屏蔽效能SE计算式为SE=log(W-H)(Y-H)   ()计算后将屏蔽效能SE与设计要求相比较看是否达到设计要求安全余量是否满足要求是否有过设计。如果达不到要求就要具体分析原因并加以改进直到满足要求为止。如果有过设计也要具体分析原因并在以后的设计中加以改进。

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