[EMC基础]电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一

7.  孔洞电磁泄漏的估算 ne[H`7c  
`$JOFLa  
如前所述，屏蔽体上的孔洞是造成屏蔽体泄漏的主要因素之一孔洞产生的电磁泄漏并不是一个固定的数，而是与电磁波的频率、种类、辐射源与孔洞的距离等因素有关孔洞对电磁波的衰减可以用下面公式进行计算这里假设孔洞深度为0 W3X;c*j  
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在远场区：SE=100-20lgL-20lgf+20lg(1+2.3lg(L/H)) xkkG#n)  
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       若L≥λ/2，则SE=0 dB ，这时，孔洞是完全泄漏的 IG%x(\V-e  
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    式中： L=缝隙的长度（mm），H=缝隙的宽度（mm），f=入射电磁波的频率（MHz） tPw7zFy6r  
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这个公式是在远场区中，最坏的情况下（造成最大泄漏的极化方向）的屏蔽效能（实际情况下屏蔽效能可能会更大一些） qr*e9Uk^  
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在近场区： :^x,>(a  
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若辐射源是电场辐射源   SE=48+20lgZC-20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H)) Fvnf;']q  
daf-B-  
若辐射源是磁场辐射源   SE=20lg（πD/L）+20lg(1+2.3lg(L/H)) p-z!i+  
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    式中：ZC=辐射源电路的阻抗（Ω），D=孔洞到辐射源的距离（m）， L、 H =孔洞的长、宽（mm）， f=电磁波的频率（MHz） 2@&"*1(Xu  
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注意： zR=g<e1xe  
mndEB!b  
1) 近场区,孔洞的泄漏与辐射源的特性有关当辐射源是电场源时，孔洞的泄漏远比远场小（屏蔽效能高），当辐射源是磁场源时，孔洞的泄漏远比远场大（屏蔽效能低） ?Qpi(Czbpq  
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2）对于近场，磁场辐射源的场合，屏蔽效能与电磁波的频率没有关系，因此，千万不要认为辐射源的频率较低（许多磁场辐射源的频率都较低），而掉以轻心 N>@.(f&w  
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3）这里对磁场辐射源的假设是纯磁场源，因此可以认为是一种在最坏条件下，对屏蔽效能的保守计算 X&i" K'mV  
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对于磁场源，屏蔽与孔洞到辐射源的距离有关，距离越近，则泄漏越大这点在设计时一定要注意，磁场辐射源一定要远离孔洞 0h('@Hb.K#  
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多个孔洞的情况：当N个尺寸相同的孔洞排列在一起，并且相距很近（距离小于1/2）时，造成的屏蔽效能下降为10 lgN在不同面上的孔洞不会增加泄漏，因为其辐射方向不同，这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强

《低频磁场的屏蔽》正文： GF*E+/ ;  
　　对于许多人而言，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例如，由于炼钢的感应炉中有数万安培的电流，会在周围产生很强的磁场，这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵，最常见的磁敏感设备是彩色CRT显示器在磁场的作用下，显示器屏幕上的图象会发生抖动、图象颜色会失真，导致显示质量严重降低，甚至无法使用低频磁场往往随距离的衰减很快，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空间的限制而无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效的措施但要注意的是，低频磁场屏蔽与与射频屏蔽是完全不同的，射频屏蔽可以用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料，但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用只有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场 1.基本原理 　　根据电磁屏蔽的基本原理，低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能对这种低频磁场，要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来实现屏蔽，如图1所示由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干扰 图1 高导磁率材料提供了磁旁路，起到屏蔽作用 　　从这个机理上看，显然屏蔽体分流的磁场分量越多，则屏蔽效能越高根据这个原理，我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果用两个并联的电阻分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻，用电路分析的方法来计算磁场的分流，由此可以计算屏蔽效果 　　计算屏蔽效果公式 　 H i = H 0 Rs / （ Rs + R0） 式中：　H i = 屏蔽体内的磁场强度　H 0 = 屏蔽体外的磁场强度　Rs = 屏蔽体的磁阻　R0 = 空气的磁阻 　　磁阻的计算公式 磁阻 = S / （m A） 式中：　S = 磁路长度　m = m 0 m r 　m r = 屏蔽材料的相对磁导率　A = 磁通流过的面积 因此圆形管子的磁阻为 　Rs = p b /（ m 0 m r 2t L） 　为了简单，设截面为正方形，　管子内空气的磁阻为： 屏蔽效能为： R0 = 2 b /（ m 0 2b L） SE = H 0 / H i 对于高导磁率屏蔽材料，Rs < < R0 ，因此，屏蔽效能为： SE = R0 / Rs = 2 m r t / p b 　　从公式中可以看出，屏蔽材料的导磁率越高、越厚，则屏蔽效能越高另外，b越小，屏蔽效能越高，这意味着，屏蔽体距离所保护的空间越近，则效果越好 2.基本概念 磁场强度 ( H )： 单位是奥斯特，与磁场源的强度和距离有关 磁通密度 ( B )： 单位是高斯，度量穿过每平方厘米的磁力线数量，与源的方向有关 磁导率　 ( m )： 表征材料为磁力线提供通路的能力， m = B / H 饱和强度　　： 在饱和强度下，材料不能再通过多余的磁力线 磁阻　　( R )： 表征材料对通过磁通的阻碍特性，定义为：R = L / m A，L是磁通路径长度（cm），A截面面积（cm2） 3.屏蔽材料 　　如前所述，磁屏蔽需要高导磁率材料，满足这种要求的材料是铁镍合金，这种材料具有很高的磁导率一种常用的合金的化学成分如表1所示这种材料在正确热处理的条件下，起始磁导率（直流，磁通密度为40高斯）可达到60，000，最高磁导率可达到400，000 表1 成分 Ni Mo Mn Si Fe 数量（%） 80 4.2 0.5 0.35 其余 　　磁导率并不是固定不变的，它会随外加磁场、频率等变化磁导率随频率的变化如图2所示从图中可以看出，不同厚度的材料的频率特性也不一样，较厚的材料磁导率随频率下降更快一些 图2 磁导率与频率关系 　　磁导率还与外加磁场强度有关，当外加磁场强度较低时，磁导率随外加磁场的增加而升高，当外加磁场强度超过一定值时，磁导率急剧下降，这时称材料发生了饱和，典型高导磁率材料的磁导率随外加磁场的变化如图3所示材料一旦发生饱和，就失去了磁屏蔽作用材料的磁导率越高，越容易饱和因此，在很强的磁场中，磁导率很高的材料可能并没有良好的屏蔽效能在选材料时，关键一点是选择同时具有适当饱和特性和足够磁导率的材料表2给出了一些常用合金的的磁特性 表2 材料 饱和强度（高斯） 磁导率 最高 起始 铁磁合金（80%镍） 8，000 400，000 60，000 铁磁合金（48%镍） 15，000 150，000 12，000 硅钢 20，000 5，000 3，000 碳钢 22，000 3，000 1，000 图3 常用高磁导率的磁导率与外加磁场的关系 4.注意事项 　　高导磁率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性，导致屏蔽效能下降因此，屏蔽体在经过机械加工后，如敲击、焊接、折弯、钻孔等，必须经过热处理以恢复磁性热处理要在特定条件下进行，一般要在干燥氢气炉中以一定的速率加热到1177° C，保持4个小时，然后以一定的速率降温到室温由于热处理的条件极其严格，因此最好是委托材料厂家进行屏蔽体的加工，在工件完成后，进行热处理如果，用户一定要自己加工，记住要按照材料厂家提出的条件对屏蔽体进行热处理，以获得最佳屏蔽效能，最理想的方法是将工件寄到厂家进行热处理 　　在对拼接处进行焊接时，要使用屏蔽材料母料做焊接填充料，这样可以保证焊缝处的高导磁率如果屏蔽效能要求较低，也可以采用点焊或铆接的方式固定，但要注意拼接处的屏蔽材料要有一定的重叠，以保证磁通路上较小磁阻 　　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导磁率材料做支撑，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 5.实际应用 　　计算机的CRT显示器受到磁场干扰而发生图象扭曲、失真、滚动等现象是最常见的磁干扰现象对这种干扰，最有效的方法是将显示器屏蔽起来屏蔽有两种方法，一种是仅对显象管屏蔽，如图4所示，另一种是对整个显示器屏蔽，如图5所示 图4 显象管屏蔽罩 图5 显示器屏蔽罩 　　根据前面所述的磁屏蔽理论，屏蔽体将要保护器件包的越紧，则屏蔽效果越好因此，仅将显象管屏蔽起来方法屏蔽效果更好但这需要将显示器拆开，重新安装屏蔽，不是一般条件下可以做的并且，这种方法中使用的屏蔽罩往往需要按照显象管的实际尺寸订做，成本很高在实际中，将显示器整体屏蔽起来是更加实用的方法当显示器发生了磁场干扰时，用户只要采购一台标准的显示器屏蔽罩就可以解决问题了 　　当磁场不是很强时，仅用一块高导磁率材料遮挡一下也能够解决问题例如，在一个办公区域中，使用着大约20多台工作站，其中有几台的屏幕发生了抖动调查表明，干扰源是在显示器正下方的电力电缆电缆中的电流每相仅有30安培，结果是，在显示器处测量的磁场强度超过了70毫高斯解决的方法是在地板，显示器与电缆之间，放置一块高导磁率屏蔽材料，然后在屏蔽材料上盖一块地毯，如图6所示 图6 高导磁率材料能遮挡磁场 　　在办公室的另一位置，由于靠近配电盘，两台工作站的显示器必须进行屏蔽

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