電磁屏蔽功能穩(wěn)定性分析

前言
電子設(shè)備工作時產(chǎn)生的電磁能量發(fā)射會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生干擾。隨著電子設(shè)備密集程度的增加，設(shè)備相互間的電磁干擾問題越來越嚴(yán)重。過去電子設(shè)備的電磁兼容性要求僅作為選擇性要求，而現(xiàn)在已經(jīng)成為電子設(shè)備必須滿足的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。如何使電子設(shè)備具有良好的電磁兼容性是設(shè)計人員所面臨的重大挑戰(zhàn)和追求。
電磁兼容設(shè)計的目的有3個：首先，是使電子設(shè)備內(nèi)部的電路互不產(chǎn)生干擾，這是最起碼的要求。由于現(xiàn)代設(shè)備工作的頻率越來越高，數(shù)字電路和模擬電路混合的場合越來越多，要使設(shè)備能夠可靠穩(wěn)定地工作也是有一定難度的。第2，是使設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度低于特定的極限值。這對于計算機(jī)設(shè)備十分重要。計算機(jī)設(shè)備中的脈沖電流會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，干擾周圍的設(shè)備，特別是無線通信設(shè)備，如不采取有效的抑制輻射措施，計算機(jī)會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。第3，是使設(shè)備對外界的電磁干擾有一定的抵抗能力。
由于電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁發(fā)射是設(shè)備內(nèi)部的信號電流或電壓產(chǎn)生的，因此，這些發(fā)射中包含了電壓或電流的變化信息。當(dāng)將這些信號中的信息提取出來時就獲得了設(shè)備所處理的信息。這是1個特殊的電磁兼容問題，即TEMPEST問題。TEMPEST技術(shù)是防止電子信息設(shè)備通過電磁能量發(fā)射產(chǎn)生信息泄漏發(fā)射。
實現(xiàn)電磁兼容和TEMPEST防護(hù)的重要手段之一是電磁屏蔽。電磁屏蔽的目的是切斷電磁波的傳播途徑。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題。它既能保證電子設(shè)備內(nèi)的電路正常工作，又能保障設(shè)備的安全。屏蔽性能的好壞用屏蔽效能來表示。屏蔽效能表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度，通常用分貝（dB）來表示。一般商業(yè)設(shè)備的屏蔽體的屏蔽效能可達(dá)40dB；軍用設(shè)備屏蔽體的屏蔽效能可達(dá)60dB以上；TEMPEST設(shè)備的屏蔽效能可達(dá)到80dB以上。
但是，屏蔽體受各種因素影響，隨著時間的推移，屏蔽效能會發(fā)生變化。如何保持電磁屏蔽效能的穩(wěn)定性是電子產(chǎn)品設(shè)計人員，尤其是從事電磁兼容技術(shù)和信息安全的專業(yè)人員要特別重視的課題。
一、 影響電磁屏蔽效能穩(wěn)定性癥結(jié)分析
在電磁兼容（EMC）和TEMPEST防護(hù)產(chǎn)品研制設(shè)計實踐中，發(fā)現(xiàn)有諸多因素會造成電磁屏蔽系統(tǒng)不穩(wěn)定或產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁能量的發(fā)射和信息泄漏，而且這些因素是貫穿在由產(chǎn)品的設(shè)計到使用全過程的。有人認(rèn)為電磁屏蔽效能穩(wěn)定性只是指測試合格的產(chǎn)品交付使用后的問題，這是不全面的。僅舉1個實例加以說明：有1臺TEMPEST防護(hù)產(chǎn)品，在交付檢驗時測試指標(biāo)非常好，時過半年復(fù)測時發(fā)現(xiàn)屏蔽效能下降10dB。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)屏蔽體搭接處的鍍鎳層有銹蝕現(xiàn)象，與電磁屏蔽密封襯墊壓接處的阻抗變大，造成縫隙泄漏。經(jīng)查實是因為加工操作者未遵照設(shè)計圖紙的技術(shù)要求，用“強(qiáng)水”作錫焊助焊劑，在焊接時熱熔噴流到搭接口外，焊后沒有認(rèn)真清洗而造成金屬表面銹蝕。
另外一個例子是焊縫的腐蝕問題。要保證屏蔽體的導(dǎo)電完整性，必須對結(jié)合處進(jìn)行連續(xù)焊接。為了解決焊接長焊道變形的問題，通常在接合處采用點焊壓接后，再鍍鎳而后用錫焊封縫。由于在電鍍前要進(jìn)行酸洗，往往這些酸洗液很難清洗干凈，而殘留在壓接縫中，造成慢延腐蝕現(xiàn)象。這些均屬于在生產(chǎn)加工過程中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)問題而影響了電子產(chǎn)品在使用過程中電磁屏蔽效能的穩(wěn)定性。
歸結(jié)起來，影響屏蔽效能穩(wěn)定性的原因有許多潛在的因素，也有時效的因素。它貫穿在設(shè)計階段的設(shè)計觀念和屏蔽材料、材質(zhì)和表面處理的選擇；生產(chǎn)、加工、裝配的質(zhì)量控制；使用、維護(hù)操作的正確性和在惡劣環(huán)境下對屏蔽界面的防護(hù)等。往往潛在的因素易被忽視。
二、 解決電磁屏蔽效能穩(wěn)定性的方法
1 根據(jù)技術(shù)性能要求正確選用屏蔽材料
屏蔽體的制造選材和表面處理是制約屏蔽體屏蔽效能穩(wěn)定性的重要因素。
屏蔽體的屏蔽效能由2部分構(gòu)成，吸收損耗和反射損耗。當(dāng)電磁波入射到不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射，于是減小了繼續(xù)傳播的電磁波的能量。由于反射造成的電磁波的衰減，稱為反射損耗。當(dāng)電磁波在屏蔽材料中傳播時，會產(chǎn)生損耗，這種損耗稱為吸收損耗。
電磁場的性質(zhì)決定于源的特性、源周圍的介質(zhì)特性、源到觀察點的距離。距離源較近時，場的特性由源決定；較遠(yuǎn)時，由介質(zhì)決定。由此，將源周圍的區(qū)域分為 2個，即近場和遠(yuǎn)場。λ/2π以內(nèi)的場叫近場或感應(yīng)場。λ/2π以外的場叫遠(yuǎn)場或輻射場。
近場時Eθ/Eφ稱為波阻抗。輻射源為大電流、低電壓時，波阻抗小于377Ω，磁場為主；輻射源為高電壓、小電流時，波阻抗大于377Ω，電場為主。遠(yuǎn)場時E/H稱為波阻抗，等于377Ω。隨著距離的增加，電場中的電場分量衰減比磁場分量快，因此波阻抗下降；磁場波中的電場分量衰減比磁場分量慢，因此波阻抗增加。當(dāng)電場波在介質(zhì)中傳播時，它的幅度按照指數(shù)規(guī)律衰減：

　電磁衰減為原始強(qiáng)度的1/e或37%時，所傳播的距離稱為趨膚深度。趨膚深度的計算公式為：

　　趨膚深度的計算及概念是優(yōu)選屏蔽材料的參考依據(jù)。常用金屬的趨膚深度如表1所列（單位：in）。
表1 常用金屬的趨膚深度

　　吸收損耗的計算公式:

　　式中d的單位為in；A的單位為dB。
從吸收損耗的公式可以得出以下結(jié)論：
屏蔽材料的厚度越大，吸收損耗越大。屏蔽材料的厚度每增加1個趨膚深度，吸收損耗增加約9dB。
屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高，吸收損耗越大。
屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大。
被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。
反射損耗與電磁波的波阻抗和屏蔽材料的特征阻抗有關(guān)。電場波的反射損耗大，磁場波的反射損耗小。屏蔽材料的導(dǎo)電性越高反射損耗越大。
綜合屏蔽效能:低頻時，由于趨膚深度很大，吸收損耗很小，屏蔽效能主要取決于反射損耗；而反射損耗與電磁波的阻抗關(guān)系很大，因此，低頻時不同的電磁波的屏蔽效能相差很大。高頻時，一方面反射損耗下降，另一方面由于趨膚深度減小，吸收損耗增加，屏蔽效能主要由吸收損耗決定；而吸收損耗與電磁波的種類無關(guān)。
當(dāng)金屬較薄時，電磁波在金屬內(nèi)的損耗很小，因此會在金屬的2個表面上多次反射；而每次到達(dá)界面時，都會泄漏一部分能量。因此，會造成屏蔽體的額外泄漏。當(dāng)屏蔽體較厚時，能量在金屬內(nèi)的損耗很大，多次反射造成的泄漏可以忽略。對于電場波，由于大部分能量在金屬與空氣的第1個界面反射，進(jìn)入金屬的能量很小，因此可以忽略多次反射造成的泄漏。對于磁場波，多次反射造成的泄漏及其影響是必須考慮的。
低頻磁場由于其頻率較低，因此吸收損耗很小。又由于磁場的波阻抗很低，因此反射損耗也很?。欢帘尾牧系钠帘涡苡晌論p耗和反射損耗兩部分構(gòu)成，當(dāng)這兩部分都很小時，總的屏蔽效能也很低。為了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必須想辦法提高吸收損耗和反射損耗。提高吸收損耗，可以使用導(dǎo)磁率高的材料；但是，導(dǎo)磁率高的材料通常導(dǎo)電性不是很好，這導(dǎo)致了反射損耗減小。為了增加反射損耗，可以在高導(dǎo)磁率材料的表面增加1層高導(dǎo)電率材料，如在鋼殼表面鍍1層鎳，對于頻率極低的磁場，即使使用較厚的高導(dǎo)磁率的材料仍達(dá)不到所需要的屏蔽要求。這時可以采用導(dǎo)磁率很高的材料，為磁場提供1條通路。使磁場繞過敏感器件。須要注意的是，高導(dǎo)磁材料容易發(fā)生飽和，其導(dǎo)磁率隨著頻率升高而降低；高導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率對機(jī)械沖擊很敏感，當(dāng)材料受到加工沖擊后，導(dǎo)磁率會大幅度降低，這在加工時要特別注意。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢曰謴?fù)材料的導(dǎo)磁率，但這種材料的價格很貴。
從磁屏蔽材料手冊上給出的導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)大多數(shù)是直流情況下的。在1kHz時，鋼的磁屏蔽效能高于銅和鋁，低于μ金屬；在10kHz時，鋼反而優(yōu)于μ金屬；而在100kHz時，鋼、銅、鋁等均優(yōu)于μ金屬。這是由于頻率高時，磁導(dǎo)率下降的緣故。
總之用于作為屏蔽體的材料選用是保證屏蔽效能穩(wěn)定性的關(guān)鍵。
2 屏蔽體接口良好的搭接工藝
電子設(shè)備屏蔽體金屬部件之間的低阻抗連接又稱為搭接。例如，電纜屏蔽層與機(jī)箱之間搭接、屏蔽體上不同部分之間的搭接、濾波器與機(jī)箱之間的搭接、不同機(jī)箱之間地線搭接等。
搭接通常是指在2種不同或相同金屬之間的低阻抗連接。這里值得注意的是，不同金屬搭接在一起時電位應(yīng)盡量接近，以避免在惡劣環(huán)境中由于電位差造成金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象。接觸面的腐蝕會導(dǎo)致接觸阻抗變大而使屏蔽效能下降，因此要采取相應(yīng)、有效的措施。在接口法蘭處鍍1層相近電位且導(dǎo)電良好的涂層，如鋼制法蘭和鋁制蓋板分別鍍1層鎳，再進(jìn)行搭接可以取得很好的效果，同時，能獲得錫焊的性能。對于長期固定的接口還可以用錫焊連接。
屏蔽體金屬部件之間的低阻抗連接的類型有多種，所采取的相應(yīng)措施各不相同。處理不好潛在的因素，會直接影響屏蔽效能的穩(wěn)定性，所以，屏蔽體接口處搭接技術(shù)及其工藝控制是非常重要的。

3 電磁密封襯墊的正確選用及安裝方法
正確地選用和安裝屏蔽性能好、抗鹽霧、耐電化學(xué)腐蝕的電磁密封襯墊是保證屏蔽體屏蔽效能穩(wěn)定性的重要手段。常用的方法是在搭口縫隙處用電磁密封襯墊，利用其導(dǎo)電性和彈性好的特性實現(xiàn)縫隙電磁密封。
常用的電磁密封襯墊及其性能有以下幾種：
（1） 鈹銅指形簧片——高頻、低頻時的屏蔽效能都較高，并且適用于滑動接觸的場合。缺點是價格較高。
（2） 金屬絲網(wǎng)套橡膠芯襯墊——低頻時的屏蔽效能高，高頻時的屏蔽效能較低。一般用在1GHz以下的場合。
（3） 螺旋管襯墊——高頻、低頻時的屏蔽效能都較高，特別是鍍錫鈹銅制成的螺旋管襯墊，具有很高的屏蔽效能。缺點是受到過量壓縮時容易損壞。
（4）
導(dǎo)電橡膠——用不同導(dǎo)電填充物和橡膠制成，與金屬絲網(wǎng)相反，低頻時的屏蔽效能較低，而高頻時的屏蔽效能較高，并且能夠同時提供電磁密封和環(huán)境密封。缺點是較硬、彈性較差。新開發(fā)的雙層導(dǎo)電橡膠克服了這些缺點。
（5） 蜂窩屏蔽通風(fēng)板——抑制電磁波的泄漏。
另外還有導(dǎo)電布襯墊，這種襯墊非常柔軟。適合不能提供較大壓力的場合使用。
電磁屏蔽密封襯墊的使用要點和方法是：必須具有足夠的形變才能提供足夠的屏蔽效能，因此，必須保證襯墊上有足夠的壓力。壓力太小，屏蔽效能低；壓力過大，會造成襯墊損壞。加固螺釘?shù)拈g距要適當(dāng)，壓力要均勻適度。因此在使用時要對壓縮量進(jìn)行限位，其工藝手段有多種。安裝襯墊的不同方法如圖2所示。

圖2(a) 安裝襯墊的不同方法

圖2(b) 在機(jī)柜門壁上正確安裝襯墊的方法

圖2(c) 在薄板金屬盒上安裝導(dǎo)電襯墊的方法

圖2(d) 采用導(dǎo)電襯墊的開關(guān)
圖2 電磁密封襯墊的安裝方法
屏蔽襯墊安裝好后，電子設(shè)備經(jīng)過測試合格交付使用。使用一段時間后進(jìn)行復(fù)測（復(fù)測時間根據(jù)使用環(huán)境和使用要求決定）。如果發(fā)現(xiàn)安裝襯墊的接口處有泄漏應(yīng)及時采取措施，當(dāng)襯墊或金屬表面腐蝕污染不嚴(yán)重時，可以清洗金屬襯墊或金屬接觸表面；腐蝕情況嚴(yán)重的，立即更換電磁密封襯墊。

4 屏蔽界面的防護(hù)措施
電子設(shè)備的屏蔽體是用金屬材料制成的。在嚴(yán)酷的氣候條件下，特別是在高溫、高濕和大量工業(yè)氣體污染或鹽霧等惡劣環(huán)境中，金屬材料特別容易遭受腐蝕，從而嚴(yán)重影響電子設(shè)備的可靠性和它的屏蔽效能的穩(wěn)定性，因此，在屏蔽設(shè)計中，對于屏蔽層的防護(hù)設(shè)計是一個很重要的環(huán)節(jié)。
由于金屬表面和搭接界面的腐蝕和氧化，電子設(shè)備的屏蔽效能隨著系統(tǒng)使用時間的推移而下降。很多例子表明金屬搭接表面的接觸阻抗和導(dǎo)電涂覆層表面阻抗會隨著時間的推遲而增大，其變化速度取決于設(shè)備長期所處工作環(huán)境的惡劣程度。設(shè)計人員要根據(jù)環(huán)境條件，開發(fā)用在腐蝕環(huán)境下的電磁密封裝置，包括綜合進(jìn)行密封設(shè)計、凸緣表面處理和材料選擇；根據(jù)環(huán)境條件作防腐蝕、防潮濕、防鹽霧的有效技術(shù)設(shè)計。目前，最簡捷、可靠的辦法是采用表面噴涂一種耐蝕、防濕、防霉覆蓋層。將密封和隔離等防護(hù)舉措納入綜合考慮之中，方能保證屏蔽體在不同環(huán)境污染中保持屏蔽效能的穩(wěn)定性。

5 克服屏蔽體的基本設(shè)計缺陷
電磁兼容和TEMPEST防護(hù)是一項實踐性很強(qiáng)的技術(shù)，決不是只了解有關(guān)理論就能解決實際問題的。具體地說電磁屏蔽設(shè)計的某些環(huán)節(jié)處理不好會給電磁兼容和 TEMPEST防護(hù)產(chǎn)品埋下潛在的不穩(wěn)定隱患。
基本設(shè)計缺陷是設(shè)計人員不甚了解電磁屏蔽的原理，往往將靜電屏蔽的原理應(yīng)用到電磁屏蔽上。在靜電屏蔽中，只要將屏蔽體接地，就能夠獲得較高的屏蔽效能；而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關(guān)，這是設(shè)計人員必須明確的。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導(dǎo)體。這一點實現(xiàn)起來是十分困難的。因為一個實際的電磁屏蔽體上有許多導(dǎo)致導(dǎo)電不連續(xù)的因素，如通風(fēng)口、顯示窗口、操作器件開口、不同部分的結(jié)合處搭接口、穿出屏蔽體的各種電纜等，
正是這些因素的存在，使實際屏蔽體的屏蔽效能很難達(dá)到預(yù)期的效果。再有屏蔽體的接縫處理問題，永久性的接縫要求無阻抗連接，即不得有縫隙出現(xiàn)。這些因素使屏蔽體的設(shè)計成為一個較難的問題。在進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計時，解決不好這些開口和貫通導(dǎo)體造成的屏蔽效能下降問題是基本缺陷。最可怕的是有時處理的不十分可靠：當(dāng)檢測時還可以，但工作一段時間后，屏蔽效能將嚴(yán)重下降。
解決上述問題的基本舉措是：
通風(fēng)口要安裝通風(fēng)波導(dǎo)蜂窩板，抑制電磁波的泄漏；顯示窗口要安裝100至200目金屬網(wǎng)透明玻璃制成的屏蔽玻璃或透明的導(dǎo)電膜膠片；操作器件如按鍵、旋鈕、開關(guān)、提示燈等通過隔離層上串接穿心電容及濾波功能的接插件來實現(xiàn)；穿出屏蔽體的電源電纜和信號電纜，除自身要用屏蔽電纜外，與屏蔽體的接口要做專用的電源濾波和信號濾波裝置，其一是作好屏蔽，其二是抑制信號發(fā)射；不同部分的結(jié)合處要加屏蔽性能好、抗鹽霧、耐化學(xué)腐蝕的電磁屏蔽密封襯墊，以保證連續(xù)、可靠的導(dǎo)電性能。常用的幾種方法如圖4所示。
對于永久性的接縫，采用連續(xù)性焊接；對于長焊縫處理，為防止機(jī)殼由于焊接變形，可采用先點焊后鍍錫或鍍鎳處理后再進(jìn)行錫焊的方法。使屏蔽體的幾面構(gòu)成一個實際的連續(xù)導(dǎo)電的實體，不得有縫隙泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)。采取這些措施后屏蔽體方能獲得較高的屏蔽性能和較長時期的穩(wěn)定的屏蔽效能。
在干擾電平很高的環(huán)境中，由于設(shè)計缺陷，預(yù)計會發(fā)生大量的故障，在產(chǎn)品壽命初期可以通過工程的設(shè)計改進(jìn)加以糾正。
結(jié)論
現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個主要特征是數(shù)字化、信息化、微處理器的應(yīng)用十分普遍，而這些數(shù)字電路在工作時會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。因而，電磁干擾的問題呈現(xiàn)出前所未有的嚴(yán)重性。抑制電磁干擾及電磁能量泄漏的電磁屏蔽效能的長久性、穩(wěn)定性是一項實踐性很強(qiáng)的技術(shù)，是軍事、航天、航空和信息安全部門特別關(guān)注的課題。EMI屏蔽材料的用戶在開發(fā)表征屏蔽系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)數(shù)據(jù)庫方面應(yīng)起到積極的作用。這種數(shù)據(jù)庫可以比較不同的導(dǎo)電的電磁密封襯墊，屏蔽體及法蘭盤材料和涂覆層在不同環(huán)境下的性能?？紤]到導(dǎo)電涂層和EMI襯墊界面的防腐性能，設(shè)計者在其設(shè)計中至少應(yīng)留有10~20dB的余量。設(shè)計者要特別注意控制和糾正基本設(shè)計缺陷，從設(shè)計到使用全過程都要關(guān)注電子設(shè)備電磁屏蔽效能的穩(wěn)定性。