【科普】三種電磁屏蔽的目的及原理詳解

　　電磁屏蔽一般可分為三種：靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽。三種屏蔽的目的都是防止外界的電磁場進入到某個需要保護的區(qū)域中，原理都是利用屏蔽對外場的感應產(chǎn)生的效應來抵消外場的影響。但是由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對屏蔽殼材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

　　一、 靜電屏蔽

　　靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場進入需要保護的某個區(qū)域。靜電屏蔽依據(jù)的原理是：在外界靜電場的作用下導體表面電荷將重新分布，直到導體內(nèi)部總場強處處為零為止。接地的封閉金屬殼是一種良好的靜電屏蔽裝置。如圖所示，接地的封閉金屬殼把空間分割成殼內(nèi)和殼外兩個區(qū)域，金屬殼維持在零電位。根據(jù)靜電場的唯一性定理，可以證明：金屬殼內(nèi)的電場僅由殼內(nèi)的帶電體和殼的電位所確定，與殼外的電荷分布無關(guān)。當殼外電荷分布變化時，殼層外表面上的電荷分布隨之變化，以保證殼內(nèi)電場分布不變。因此，金屬殼對內(nèi)部區(qū)域具有屏蔽作用。殼外的電場僅由殼外的帶電體和金屬殼的電位以及無限遠處的電位所確定，與殼內(nèi)電荷分布無關(guān)。當殼內(nèi)電荷分布改變時，殼層內(nèi)表面的電荷分布隨之變化，以保證殼外電場分布不變。因此，接地的金屬殼對外部區(qū)域也具有屏蔽作用。在靜電屏蔽中，金屬殼接地是十分重要的。當殼內(nèi)或殼外區(qū)域中的電荷分布變化時，通過接地線，電荷在殼層外表面和大地之間重新分布，以保證殼層電勢恒定。從物理圖像上看，因為在靜電平衡時，金屬內(nèi)部不存在電場，殼內(nèi)外的電場線被金屬隔斷，彼此無聯(lián)系，因此，導體殼有隔離殼內(nèi)外靜電相互作用的效應。

　　如果金屬殼未完全封閉，殼上開有孔或縫，也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實際應用中，靜電屏蔽裝置常常是用金屬絲編織成的金屬網(wǎng)代替閉合的金屬殼，即使一塊金屬板，一根金屬線，亦有一定的靜電屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金屬殼。

　　在外電場的作用下，電荷在導體上的重新分布，在10-19秒數(shù)量級時間內(nèi)就可完成，因此對低頻變化的電場，導體上的電荷有足夠長的時間來保證內(nèi)部場強為零．所以靜電屏蔽裝置對緩慢變化的電場也有屏蔽作用。為了提高對變化電場的屏蔽效果，屏蔽物的電導率應大，接地線要短，與地的接觸要良好。

　　身穿高壓作業(yè)服的人，由于被銅絲編織的衣服所包裹，人體內(nèi)的場強保持為零，因此沒有電流從人體中流過，人體是安全的。不過在作業(yè)者剛剛接觸高壓線的一瞬間高壓服上的電荷有一個瞬時分布的過程，在這極小的時間內(nèi)人體會有短暫的微弱電場作用，一般作業(yè)者都能經(jīng)受住這考驗。靜電屏蔽的特點是一般只考慮到對靜電場的屏蔽，封閉導體的屏蔽作用是完全的（即內(nèi)部場強可達到真正等于零），對屏壁殼的厚度和電導率也無要求。只有在把低頻交流電場的屏蔽包括在靜電屏蔽中時，總是希望屏蔽殼的電導率愈高愈好。

　　二、靜磁屏蔽

　　靜磁屏蔽的目的是防止外界的靜磁場和低頻電流的磁場進入到某個需要保護的區(qū)域，這時必須用磁性介質(zhì)做外殼。靜磁屏蔽依據(jù)的原理可借助并聯(lián)磁路的概念來說明。把一高磁導率的材料制成的球殼放在外磁場中，則鐵殼壁與空腔中的空氣可以看成是并聯(lián)的磁路。由于空氣的磁導率接近于1，而鐵殼的磁導率至少有幾千，所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大的多。這樣一來，外磁場的磁感應通量中絕大部分將沿著鐵殼壁內(nèi)“通過”，“進入”空腔內(nèi)部的磁通量是很少的，這就達到了磁屏蔽的目的。

　　外殼的厚度和磁導率對屏蔽效果有很明顯的影響：外殼越厚、磁導率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和體積受到限制的情況下，常常采用磁導率高達幾萬的坡莫合金來做屏蔽殼，而且殼的各個部分要盡量結(jié)合緊密，使磁路暢通。

　　如果要制造絕對的“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中，其體內(nèi)的磁感應強度永遠為零。超導體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但目前還不能普遍應用。

　　手表為了防磁，在機芯外裝一個鐵質(zhì)的襯套 也是一種屏蔽作用。

　　三、高頻電磁場屏蔽

　　在火車車廂里，打開半導體收音機，幾乎收不到電臺的廣播，這是由于車廂的蒙皮大部分是由鐵皮制成，它起了屏蔽作用。

　　高頻電磁場屏蔽是防止外界的高頻電磁場進入到某個區(qū)域。由于電磁場的變化頻率很高（例如百萬赫茲或更高），場中導體上的感應電荷已不能再看作靜止的了（導體不再處于靜電平衡狀態(tài)），因此必須用電磁波在導體中的“貫穿深度”來說明屏蔽的原理：當高頻電磁波射向一導體表面，并進入表面后，它會在導體中感應出一個高頻交變電流，此電流會激發(fā)一個新的電磁波，新激發(fā)的電磁波在導體內(nèi)部與入射的電磁波相位相反、同時導體內(nèi)電流的產(chǎn)生還導致入射波場能的消耗，結(jié)果使得導體內(nèi)部總的電磁場基本上隨深度呈指數(shù)衰減，可以用“貫穿深度”來表示衰減的程度。“貫穿深度”與入射電磁波的頻率、導體的電導率及磁導率都有關(guān)系：頻率越高、電導率越大、磁導率越大“貫穿深度”就越小。當殼罩壁的厚度大于貫穿深度時，殼罩就具有良好的電磁屏蔽作用。高電導率或高磁導率材料制成的殼罩是一種良好的電磁屏蔽裝置。提高殼罩材料的電導率或磁導率，增加殼壁的厚度，可以提高電磁屏蔽的效果。

　　像鋁、鋼、鐵這樣的金屬，1兆赫左右的電磁波在其中的“透入深度”約百分之幾毫米，所以這些金屬只要一張紙那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的電磁波。尤其是鐵，因為它的磁導率很高，故屏蔽效果特別好。如在收音機中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界電磁場的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)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(shè)備。

　　高電導率材料制成的屏蔽物對低頻磁場的屏蔽效果比較差。例如，在工頻50赫時，銅的貫穿深度約為9.4毫米，薄壁銅殼的屏蔽作用很小。在實際應用中，常采用靜磁屏蔽措施來屏蔽低頻磁場。電磁屏蔽物接地后也可以屏蔽靜電干擾。電磁屏蔽物上不能隨意開縫，因為電磁屏蔽還利用了渦電流的作用，若縫隙割斷了渦電流的通路，屏蔽效果要降低。

　　遠近場的劃分

　　根據(jù)兩類基本源的場隨1/r（場點至源點的距離）的變化來劃分遠近場，兩類源在遠近場的場特征及傳播特性均有所不同。故遠近場的劃分滿足以下原則：

　　近場： 遠場：

　　電磁屏蔽材料：

　　選擇使用什么種類電磁密封襯墊時要考慮四個因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求、成本要求。按機理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

　　電場屏蔽

　　【屏蔽機理】：將電場感應看成分布電容間的耦合。

　　【設(shè)計要點】：

　　a、屏蔽板以靠近受保護物為好，而且屏蔽板的接地必須良好?。?！

　　b、屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響。全封閉的金屬盒最好，但工程中很難做到！

　　c、屏蔽板的材料以良導體為好，但對厚度無要求，只要有足夠的強度就可了。

　　有通風需求的屏蔽板

　　鋁制蜂窩式通風板

　　磁場屏蔽

　　磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽，其效果比電場屏蔽和電磁場屏蔽要差的多。

　　【 屏蔽機理】：主要是依靠高導磁材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大為減弱。

　　【設(shè)計要點】：

　　a、選用高導磁材料，如坡莫合金；

　　b、增加屏蔽體的厚度；

　　以上均是為了減小屏蔽體的磁阻；

　　c、被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減小通過被屏蔽物

　　體體內(nèi)的磁通；

　　d、注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，凡接縫、通風空等均可能增加屏蔽體的磁阻，從

　　而降低屏蔽效果。

　　e、對于強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。

　　典型的交流磁性能

　　對要屏蔽外部強磁場的，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，如硅鋼；而內(nèi)

　　部可選用容易達到飽和的高導磁材料，如坡莫合金等。

　　反之，如果要屏蔽內(nèi)部強磁場時，則材料的排列次序要到過來。

　　在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時，要注意彼此間的絕緣。當沒有接地要求時，可用絕

　　緣材料做支撐件。若需接地時，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。

　　電磁場屏蔽

　　電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。

　　【電磁場屏蔽的機理】：

　　a、當電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；

　　b、未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；

　　c、在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個金屬的交界面上可能有多次的反射。

　　總之，電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。

　　【吸收損耗】不同的材料、不同的材料厚度對于電磁波的吸收效果不一樣?？筛鶕?jù)材料吸收損耗的列線圖得出。

　　【反射損耗】分為三類：低阻抗磁場、高阻抗電場、平面波場。

　　其中低阻抗磁場和高阻抗電場的反射損耗列線圖計算方法相同，與金屬材料、頻率及輻射源到屏蔽體的距離有關(guān)。

　　對于平面波，波阻抗為一常數(shù)，而與輻射源到屏蔽體的距離無關(guān)，在列線圖中只需連接金屬材料和感興趣的頻率就可求出此時的反射損耗值。

　　實際的電磁屏蔽體

　　【結(jié)構(gòu)材料】

　　a、適用于底板和機殼的材料大多數(shù)是良導體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場，主要的屏蔽機理是反射信號而不是吸收。

　　b、對磁場的屏蔽需要鐵磁材料，如高導磁率合金和鐵。主要的屏蔽機理是吸收而不是反射。

　　c、在強電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場和磁場兩種成分，因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。

　　d、對于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時摻入金屬纖維。

　　必須盡量減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機殼進出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構(gòu)措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長度，在結(jié)合面上加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮短螺釘間距離等。

　　【搭接】

　　a、在底板和機殼的每一條縫和不連續(xù)處要盡可能好的搭接。最壞的電搭接對殼體的的屏蔽效能起決定性作用。

　　b、保證接縫處金屬對金屬的接觸，以防電磁能的泄漏和輻射。

　　c、在可能的情況下，接縫應焊接。在條件受限制的情況下，可用點焊、曉間距的鉚接和用螺釘來固定。

　　d、在不加導電襯墊時，螺釘間距一般應小于最高工作頻率的1％，至少不大于1/20波長。

　　e、用螺釘或鉚接進行搭接時，應首先在縫的中部搭接好，然后逐漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲。

　　f、保證緊固方法有足夠的壓力，以便在有變形應力、沖擊、震動時保持表面接觸。

　　g、在接縫不平整的地方，或在可移動的面板等處，必須使用導電襯墊或指形彈簧材料。

　　h、選擇高導電率的和彈性好的襯墊。選擇襯墊時要考慮結(jié)合處所使用的頻率。

　　i、選擇硬韌性材料做成的襯墊，以便劃破金屬上的任何表面。

　　j、保證同襯墊材料配合的金屬表面沒有任何非導電保護層。

　　k、當需要活動接觸時，使用指形壓簧，并要注意保持彈性指簧的壓力。

　　l、導電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或monel線性襯墊將出現(xiàn)最嚴重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導電橡膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。

　　以下是按優(yōu)先等級排列的各種襯墊。

　　1 金屬網(wǎng)射頻襯墊 容易變形，壓力為1.4kg/cm時，衰減為54db。

　　資料表明，頻率較低時衰減最大。

　　用于永久密封較好，不適宜用于開與關(guān)的面板。

　　2 銅鍍合金 有很高的導電性和很好的抗腐蝕性。

　　彈性好，最適合用于和活動面板配合?？芍瞥芍笚l形、螺旋和鋸齒面。衰減為100db。

　　3 導電橡膠 適用于只需名義上連接和少量螺釘?shù)牡胤健?/p>

　　實現(xiàn)水汽密封和電氣密封經(jīng)1500℃、48小時老化后，體電阻率為10～20mω/cm（max）。變形度限制值為25％。資料表明，頻率較高時衰減為最大。

　　4 導電蒙布 在泡沫塑料上蒙一塊鍍銀編織物，形成一個軟

　　襯墊，占去大部分疏松空間，主要為民用，適用于泡沫襯墊 機柜和門板。