淺析電磁輻射的整體屏蔽設計

電磁輻射場一般分為近區(qū)場和遠區(qū)場。以場源為中心，在1個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場；反之，在1個波長范圍以外的區(qū)域，通常稱為遠區(qū)場。兩種區(qū)場有著不同的特點：在近區(qū)場中，電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關系，一般情況下，對于電壓高電流小的場源，如發(fā)射天線、饋線等，電場要比磁場強得多；對于電壓低電流大的場源，如某些感應加熱設備，磁場要比電場大得多。在遠區(qū)場中，所有電磁能量基本上以電磁波的形式輻射傳播，這種場輻射強度的衰減要比感應場慢得多。在遠區(qū)場，電場與磁場強度有如下關系：E=377H，電場與磁場的運行方向互相垂直，并且都垂直于電磁波的傳播方向。遠區(qū)場為弱場，其電磁場強度均較小。

近區(qū)場的電磁場強度比遠區(qū)場大得多，電磁輻射對人體造成影響和損傷主要在近區(qū)場。本文擬就近區(qū)場范圍內(nèi)電磁輻射防護的整體屏蔽設計提供一定的思路做法。

電磁輻射防護的整體屏蔽設計

某雷達天線工程，發(fā)射頻率為1～3GHz。工作人員需在地下工作大廳內(nèi)24h工作，工作大廳面積約為800～1000m。要求進行人員安全防護的全屏蔽設計。設計要求，屏蔽場所內(nèi)電磁屏蔽效能不小于50dB；微波輻射功率密度不大于10I．LW／cm。設計前首先要考慮采用的安全指標標準及施工、檢測標準。

現(xiàn)有國家標準有：GB8702-1988《電磁輻射防護規(guī)定》、GB10436-1989(作業(yè)場所微波輻射衛(wèi)生標準》、GJB／Z25—1991《電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽設計指南》、sJ31470-2002《電磁屏蔽室工程施工及驗收規(guī)范》及GB12190-1990《高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法》。

案例分析：事實上本設計案例中將工作大廳設于地下就已經(jīng)考慮了電磁輻射對人員的傷害問題，為了將電磁輻射降到最低，業(yè)主提出了要對工作大廳進行全屏蔽的設計處理。我國對小范圍的屏蔽室設計、施工均有一定經(jīng)驗，效果也能保證，但對案例中的有較多工作人員進出、大量的大口徑的進出管線處理、大面積屏蔽區(qū)的屏蔽效能要求，如此復雜的情況比較少見，有相當難度。

設計思路：采用多層屏蔽的設計思路，對工作大廳進行整體屏蔽設計，把住各種出入接口的防泄漏措施。進出管線相對集中并利用濾波、接地等技術進行處理，保證屏蔽效果。

1屏蔽作用的簡單介紹

電磁波遇到金屬表面總要發(fā)生屏蔽效應，電磁波能量的一部分向干擾源方向反射，另一部分在金屬內(nèi)耗散，剩余部分穿過該金屬部分向前繼續(xù)傳播。這種屏蔽效應可分別看作是入射電場與磁場使屏蔽體表面感應電荷，并在屏蔽體內(nèi)感應出電流的結(jié)果。感應電荷和電流的極性與方向應使其伴生的電場和磁場抵消入射場，從而削弱穿過屏蔽體的電磁場。

2整體屏蔽設計

一個設備或組件屏蔽殼體的屏蔽效能由若干參數(shù)決定，其中最主要的參數(shù)是入射波的頻率和阻抗、屏蔽材料的固有特性以及屏蔽體不連續(xù)性的形式和數(shù)量。屏蔽體的屏蔽效能由該屏蔽體對電磁場強度的減弱程度確定。屏蔽效能sE定義為同一地點無屏蔽體存在時的電磁場強度與加屏蔽體后的電磁場強度之比

SE=20lg(El／E2)

或SE=20lg(H。／H2)

式中，E。和日．是無屏蔽體時的電場強度和磁場強度；E：和日：是在同一地點加屏蔽體后的電場強度和磁場強度。

根據(jù)GB8702-1988本工程設計僅考慮電場強度。屏蔽效能由三個因素決定：吸收損耗、反射損耗和多次反射修正項。本工程設計總屏蔽效能是由吸收損耗、反射損耗兩者之和，本工程設計中反射修正項可以忽略不計。

從已有工程經(jīng)驗看，在100kHz以上的頻率范圍，單層屏蔽要達到40dB的屏蔽效能是容易實現(xiàn)的。本屏蔽設計則采用了雙層屏蔽，能很好地達到要求。但屏蔽效能的精確計算，即使采取完善裝接的實心屏蔽體設計，也是有一定困難的。對關鍵部位，還應通過實驗來檢驗屏蔽效能。

在整體屏蔽設計中，首先優(yōu)先利用建筑結(jié)構鋼筋網(wǎng)的固有屏蔽作用，即本設計要求的第一層屏蔽設計，參照XQ2-2ooo要求，建筑物內(nèi)外墻結(jié)構鋼筋設置成不大于200mmX200mm的網(wǎng)格，并每隔1m左右將鋼筋點焊成整體。非屏蔽區(qū)進出風口(窗)加設不大于10mmX10mm的金屬網(wǎng)。此要求主要滿足了防小動物進入要求，可兼作工作大廳的屏蔽，除需進行接地外不做特殊處理。屏蔽區(qū)如有進出風ISl，要求采用通風波導窗。根據(jù)GJB／Z25，屏蔽網(wǎng)的屏蔽效能計算需進行下列計算：

(1)各屏蔽孔徑(相當于許多疊加在一起的截止導波)的衰減效應。

(2)窗孔幾何形狀的反射損耗。

(3)發(fā)射天線與屏蔽體的距離遠大于屏蔽體上孔間距離時的總開孔面積。

(4)集膚深度。

(5)鄰近孔之間的耦合。

其屏蔽效能只能做近似估算。但根據(jù)GJB／Z25中圖125可知，銅屏蔽網(wǎng)隨著網(wǎng)孔的減小屏蔽效能增加；同時由表41可知電場作用下屏蔽網(wǎng)孔基本與頻率無關。如果要求衰減的標稱值大于50dB，則柵網(wǎng)孔眼的尺寸應不大于用0．38mm銅線制成的、22目銅網(wǎng)的孔眼。第一層屏蔽的作用是有限的，設計考慮的目的是在所花代價很小的前提下，盡量削弱電磁輻射強度。

第二層屏蔽，也可稱主屏蔽層，即在有人工作的工作大廳外墻的上下左右六個內(nèi)面，采用2mm厚的鋼板圍合形成一個密閉的空間，也考慮過采用0．5mm鋁箔或金箔，雖然也能達到屏蔽要求，但太薄除了施工較易外，裝修及使用中避免薄層的顫動均有困難，而且大量的進出管線與屏蔽層的接口處理也有較大難度，所以設計中采用了航天系統(tǒng)的防信號泄露做法。兩種方法的結(jié)合屏蔽效果如何未作研究。進出門均采用專用金屬屏蔽門，與一層連通的樓梯采用金屬樓梯并與一層空間屏蔽隔開。選用2mm厚鋼板除了輻射場較強以外，主要是因為工作大廳面積較大，若采用金箔，關門時或一陣微風都易使其沙沙作響，而采用一定厚度的鋼板，不但可以避免這種現(xiàn)象，同時也方便了裝修及設備的安裝。

垂直連通的強弱電豎井亦采用2mm厚的鋼板密封豎井與工作大廳屏蔽形成一個完整的整體。對于大廳內(nèi)的在機架或機柜內(nèi)使用的設備，利用其金屬機柜的固有屏蔽作用，可算作第三層屏蔽，僅起抗干擾作用，保證設備能正常穩(wěn)定的工作。在整體屏蔽設計過程中，細節(jié)的處理非常重要，泄漏的發(fā)生往往是在以下的細節(jié)之處。3細節(jié)處理

3．1進出屏蔽區(qū)域的管線要求

進出管線有很多種，不同的管線有不同的處理要求。

(1)10kV電力電纜進出由高壓電纜的濾波器生產(chǎn)單位少，造價很高，體積也很大，實施起來有一定的困難，采用鎧裝電纜經(jīng)過50m以上的屏蔽電纜溝后，進入屏蔽電纜溝時將電纜的鎧裝層與屏蔽層進行電氣連接并接地，進入屏蔽界面時將電纜的鎧裝層與屏蔽層再次進行電氣連接并接地；但是通過電源端頭耦合進來的電磁波較難去除，唯一的辦法就是使電源端在近區(qū)場以外，并盡可能遠離輻射源。

(2)低壓電纜管線和弱電管線進出進出屏蔽界面的預埋管均應用**并進行接地連接，如圖1所示。弱電電纜要求采用光纖、或自帶良好屏蔽層的電纜；其所走的密封金屬橋架或弱電電纜溝內(nèi)尚應鋪設屏蔽墊層；進入屏蔽界面后直接進入屏蔽小室或通過濾波器接入設備，屏蔽效果較好。

圖1預埋管屏蔽連接示意圖

(3)電纜豎井處的電纜進出由于電纜豎井是作為同一個屏蔽區(qū)域，從電纜豎井至各層機房(非屏蔽區(qū))的管線處理也非常重要。做法如圖2所示

圖2電線豎井處管線處理

(4)水管進出水管等在屏蔽界面處作大于500mm長的不銹**過渡并加波導，但此做法的效果還有待考證。

(5)風管進出屏蔽界面的風管線均應作300～400mm長的屏蔽轉(zhuǎn)接，空調(diào)進出