電磁兼容問題解決方案

電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一.大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決.用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會(huì)影響電路的正常工作,因此不需要對(duì)電路做任何修改.

1 選擇屏蔽材料
　　
屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量.屏蔽效能是沒有屏蔽時(shí)空間某個(gè)位置的場(chǎng)強(qiáng)E1與有屏蔽時(shí)該位置的場(chǎng)強(qiáng)E2的比值,它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度.用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強(qiáng)度衰減到原來的百分之一至百萬(wàn)分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時(shí)屏蔽效能的定義公式為:
　　
　　SE = 20 lg ( E1/ E2 ) (dB)
　　
用這個(gè)定義式只能測(cè)試屏蔽材料的屏蔽效能,而無(wú)法確定應(yīng)該使用什么材料做屏蔽體.要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數(shù)有關(guān).工程中實(shí)用的表征材料屏蔽效能的公式為:

　　SE = A + R (dB)

式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)發(fā)生的,計(jì)算公式為:

　　A=3.34t(fμrσr) (dB)

　　t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導(dǎo)率,σr = 材料的電導(dǎo)率,對(duì)于特定的材料,這些都是已知的.f = 被屏蔽電磁波的頻率.

式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當(dāng)電磁波入射到不同媒質(zhì)的分界面時(shí)發(fā)生的,計(jì)算公式為:

　　R=20lg(ZW/ZS)(dB)

式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗.

電磁波的波阻抗定義為電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量的比值:Zw = E / H.在距離輻射源較近(λ/2π,稱為近場(chǎng)區(qū))時(shí),波阻抗的值取決于輻射源的性質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)到源的距離、介質(zhì)特性等.若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產(chǎn)生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場(chǎng)波.若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場(chǎng)波.關(guān)于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)波阻抗的具體計(jì)算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關(guān)電磁場(chǎng)方面的參考書.當(dāng)距離輻射源較遠(yuǎn)(>λ/2π,稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū))時(shí),波波阻抗僅與電場(chǎng)波傳播介質(zhì)有關(guān),其數(shù)值等于介質(zhì)的特性阻抗,空氣為377Ω.

屏蔽材料的阻抗計(jì)算方法為:

　　|ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)

　　f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對(duì)磁導(dǎo)率,σr=相對(duì)電導(dǎo)率

從上面幾個(gè)公式,就可以計(jì)算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設(shè)計(jì),下面給出一些定性的結(jié)論.

● 在近場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)屏蔽時(shí),要分別考慮電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波的情況;

● 屏蔽電場(chǎng)波時(shí),使用導(dǎo)電性好的材料,屏蔽磁場(chǎng)波時(shí),使用導(dǎo)磁性好的材料;

● 同一種屏蔽材料,對(duì)于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對(duì)電場(chǎng)波的屏蔽效能最高,對(duì)磁場(chǎng)波的屏蔽效能最低,也就是說,電場(chǎng)波最容易屏蔽,磁場(chǎng)波最難屏蔽;

● 一般情況下,材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性越好,屏蔽效能越高;

● 屏蔽電場(chǎng)波時(shí),屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場(chǎng)源時(shí),屏蔽體盡量遠(yuǎn)離磁場(chǎng)源;

有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場(chǎng)波.這種磁場(chǎng)波一般由大電流輻射源產(chǎn)生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等.對(duì)于這種頻率很低的磁場(chǎng),只能采用高導(dǎo)磁率的材料進(jìn)行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金.

2 孔洞和縫隙的電磁泄漏與對(duì)策

一般除了低頻磁場(chǎng)外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能.但在實(shí)際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能.這是因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)人員沒有了解電磁屏蔽的關(guān)鍵.

首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關(guān)系.這與靜電場(chǎng)的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場(chǎng).而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無(wú)關(guān),這是必須明確的.

電磁屏蔽的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè),一個(gè)是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體.另一點(diǎn)是不能有穿過機(jī)箱的導(dǎo)體.對(duì)于一個(gè)實(shí)際的機(jī)箱,這兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來都非常困難.

首先,一個(gè)實(shí)用的機(jī)箱上會(huì)有很多孔洞和孔縫:通風(fēng)口、顯示口、安裝各種調(diào)節(jié)桿的開口、不同部分結(jié)合的縫隙等.屏蔽設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是如何妥善處理這些孔縫,同時(shí)不會(huì)影響機(jī)箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性).

其次,機(jī)箱上總是會(huì)有電纜穿出(入),至少會(huì)有一條電源電纜.這些電纜會(huì)極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數(shù)十分貝.妥善處理這些電纜是屏蔽設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一(穿過屏蔽體的導(dǎo)體的危害有時(shí)比孔縫的危害更大).

當(dāng)電磁波入射到一個(gè)孔洞時(shí),其作用相當(dāng)于一個(gè)偶極天線(圖1),當(dāng)孔洞的長(zhǎng)度達(dá)到λ/2時(shí),其輻射效率最高(與孔洞的寬度無(wú)關(guān)),也就是說,它可以將激勵(lì)孔洞的全部能量輻射出去.

對(duì)于一個(gè)厚度為0材料上的孔洞,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中,最壞情況下(造成最大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實(shí)際情況下屏蔽效能可能會(huì)更大一些)計(jì)算公式為:

　　SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] (dB)

　　若 L ≥λ/2,SE = 0 (dB)

式中各量:L = 縫隙的長(zhǎng)度(mm),H = 縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz).

在近場(chǎng)區(qū),孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關(guān).當(dāng)輻射源是電場(chǎng)源時(shí),孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)小(屏蔽效能高),而當(dāng)輻射源是磁場(chǎng)源時(shí),孔洞的泄漏比遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)要大(屏蔽效能低).近場(chǎng)區(qū),孔洞的電磁屏蔽計(jì)算公式為:

　　若ZC >(7.9/D·f):

　　SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]

　　若Zc(7.9/D·f):

　　SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]

式中:Zc=輻射源電路的阻抗(Ω),

　　D = 孔洞到輻射源的距離(m),
　
　　L、H = 孔洞長(zhǎng)、寬(mm),

　　f = 電磁波的頻率(MHz)