电磁兼容问题及处理 –

08 了解屏蔽的原理和技术

上篇文章，我们介绍的是滤波器的相关内容。滤波器的主要作用，是阻断通过导线（例如：电源线）进行传导的干扰。而对于通过空间辐射进行传播的干扰，主要是通过屏蔽的方式来进行阻断的。 接下来的文章，我们将主要介绍一下跟屏蔽相关的原理和技术。

屏蔽技术

屏蔽通常用来切断辐射干扰的传输途径，用来抑制电磁噪声的空间传播。屏蔽通常是通过金属材料或磁性材料把相关的区域进行包围，使得屏蔽体内部、外部的“场”相互隔离。屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。一般情况下，如果防止噪声向外辐射，则应该对噪声源进行屏蔽，这种方法称为“主动屏蔽”；如果是防止设备受到辐射噪声的影响，则应该对敏感设备进行屏蔽，这种方法称为“被动屏蔽”。  

 电磁噪声沿着空间进行传播时，是以“场”的方式进行的。前面我们介绍过，场分为近场和远场。在考虑同一设备内部各部分之间的相互干扰时，大多数按照近场干扰来分析。近场又包含电场和磁场。当噪声源是高电压、小电流时，其辐射主要表现为电场；当辐射源具有低电压和大电流特性时，其辐射场主要表现为磁场。当噪声源的波长与敏感设备之间的距离满足d>λ/2π时，按照远场及电磁场考虑。

1. 电场屏蔽

        当噪声源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生干扰时，主要考虑电场屏蔽技术。之前我们介绍过，电场分为静电场和交变电场，针对这两种电场的屏蔽方法是不同的。

（1）静电场的屏蔽

        我们知道，假设空间中存在一个导体A，当A带有正电荷时，其周围有静电场的存在，电力线将从导体A向空间发散。此时，如果用一个金属的球壳B把导体A完全包围起来，则根据静电感应原理，B的内壁感应有负电荷，而B的外壁应有正电荷，因此金属球壳外仍有静电场的存在，并且B的外壁的正电荷的总量应该等于A的正电荷的总量，因而此时，B的外部空间与A的静电场是一样的。

        如果此时，将B的外壳做接地处理，则B的外壁的正电荷将被引入“地”，此时，球壳外壁电位为零，金属球周围不存在静电场，静电场被封闭在金属球壳内部，金属球壳B对导体A起到了电场屏蔽的作用。这就是主动屏蔽，静电场屏蔽的条件是采用金属屏蔽体和接地（见图1）。

图1 静电场的屏蔽（主动）

如果空间本来就存在一个静电场，此时将一个金属球壳放入该静电场中，则该球壳的外壁两侧将分别感应出等量的正、负电荷，其电力线分布如图2所示。此时，无论该球壳是否接地，只要金属球壳完全封闭，则内部是没有电荷的，因此，内部是没有感应静电场的，可以说球壳起到了屏蔽外部静电场的作用。这种屏蔽也称为被动屏蔽。但在现实情况中，外部金属壳体是不可能完全封闭的，总会有些孔缝，此时如果不接地，则电力线容易通过孔缝侵入屏蔽壳体内部，从而影响屏蔽性能，因此，金属屏蔽体还是要求接地的。

图2 静电场的屏蔽（被动）

（2）交变电场的屏蔽

        除了静电场，工业现场更多的是都是交变的电场，因此，我们需要对交变的电场的屏蔽进行了解。如图3所示的电路中，有两个导体g和s。如果导体g上对地有一交变电压ùg，则其周围存在一个交变的电场，该交变的电场会使其附近的导体s产生感应电压ùs。交变电场的耦合可以通过电容耦合的电路理论来描述。

图3  交变电场耦合

根据电路理论，可以得到导体g上的电压ùg通过耦合电容Cj在导体s上产生的干扰电压ùs：

低频时：

 可以看到，干扰电压与耦合电容的大小成正比，耦合电容Cj越大，干扰越强。

 为了减小耦合电容，可以考虑在导体g和s之间插入一个金属板，如图4所示。此时，耦合电容变为两个电容Cj’和Cj’’的串联，但由于电磁波在空间传播的特性，还有一部分会绕过金属板进行传播，因此可以认为还存在一个Cj’’’，此时的耦合电容就变成了Cj’和Cj’’的串联再与Cj’’’进行并联，但Cj’’’毕竟比较小，因此在计算时一般可忽略。

图4 插入金属板

此时，可以得到金属板上的感应电压为

其中Zj为金属板对地的阻抗。如果金属板接地，则Zj=0，金属板上感应的干扰电压ùj亦为0。而金属板上的干扰电压也会继续通过耦合电容Cj’’耦合到导体s上，其感应电压ùs’为：

此时，如果ùj为0，则最终ùs’=0。这就表明金属板接地时，将切断导体g对导体s的辐射干扰，起到了电场屏蔽的作用。但如果不接地或接地不良，怎可能产生比没有金属板时更为严重的干扰。

因此，对于电场的屏蔽，其必要条件是屏蔽材料是金属体，且良好接地。电场屏蔽时，可以不考虑金属材料的厚度。

2. 磁场屏蔽

 磁场屏蔽时抑制噪声源和敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。磁场屏蔽需要根据频率来选取相应的措施。

（1）低频磁场的屏蔽

 线圈种流过电流时，线圈的周围就会产生磁场，其磁力线是闭合的，如同5所示。由于磁力线也是分布在整个空间，因此就会对其中的敏感设备产生干扰。

当磁场的频率比较低时（<100kHz），一般采用磁导率较高的铁磁性材料，让磁力线集中在其内部通过的方式进行磁场的屏蔽。铁磁性材料包括铁、硅钢片、坡莫合金等，其磁导率一般约为周围空气的103~104倍。如果将线圈绕在由铁磁性材料组成的闭合环路中，则磁力线将主要在该闭合环路的磁路中通过，漏磁通很小，如图6所示。

图6 磁场的主动屏蔽

（a）空芯线圈       （b）带闭合铁芯的线圈

 从（b）中可以看出，铁磁材料的磁导率越高、磁路的截面积越大，则磁路的磁阻越小，集中在磁路中的磁通就越大，泄露的磁通就越小，因此，铁磁材料的屏蔽作用，主要原理是对磁力线进行了集中的分流。这种方式也是磁场主动屏蔽的方式。

与电场屏蔽类似，磁场屏蔽也有被动方式，如图7所示。将铁磁性材料做成的屏蔽壳放入外磁场中，磁力线将集中在屏蔽体内通过，不至于泄漏到内部空间，从而保证内部空间不受外磁场的影响。

图7 磁场的被动屏蔽

 由于磁屏蔽层的厚度过厚时，会导致成本增加较多，此时，可以考虑多层屏蔽的方式，其屏蔽效果也非常好。

另外，由于铁磁性材料的磁导率会随着频率的升高而下降，同时，由于高频时铁磁性材料的磁损会增加，因此，对于高频磁场，这些低频磁场的屏蔽方法就不适用了。

（2）高频磁场的屏蔽

高频磁场的屏蔽材料采用的是金属的良导体，例如：铜、铝等。当高频磁场穿过金属板时，在金属板上产生感应电动势，并产生较大的涡流，而涡流又会产生反磁场，与穿过金属板的原磁场相互抵消，如图8所示。

图8 金属板的高频磁场屏蔽

对于高频磁场，也可以通过良导体材料制成的金属封闭体将线圈封闭起来进行主动屏蔽或被动屏蔽，见图9所示。

图9 高频磁场的主动屏蔽和被动屏蔽

 因此，对于高频磁场来讲，其屏蔽体材料应采用导电性强的良导体，同样不需要较厚的材料。理论上，并不需要接地，但实际应用中，最好还是进行接地处理，因为此时，既可屏蔽高频磁场，也能屏蔽低频磁场。

3. 自屏蔽

除了上述的屏蔽方法，还有一些方法是用来弥补上述方法的不足，例如有时我们不可能完全将电路都封闭起来，因此需要考虑在电路设计上是否能通过自身的特性来克服电路之间的耦合干扰，进行“自屏蔽”。

（1）环路的自屏蔽

由于环路中流过电流时，将对外产生辐射场，场强的大小与环路面积成正比；而如果将环路置于外界电磁场时，环路中也将感应出电流，感应电流的大小也与环路面积成正比。因此，我们设计电路时，应考虑尽量减小环路的面积，这样既可以减小环路对外产生电磁污染，又可以抑制环路受到外场的干扰，对于自屏蔽来讲，这是一个非常重要的方法。

 如果环路面积实在无法再减小，则可以考虑将两个环路远离，或者尽量不要平行放置，减小环路内场线的穿过量以及强度，也是进行自屏蔽的一种有效方法。

 另外，如果能够将信号环路的电流途径进行适当的设计，也能起到自屏蔽的作用。例如：将两条平行导线更换成同轴电缆，并且让同轴电缆的外层导体做为芯线的回流线，并进行接地处理，则既可以进行磁场屏蔽，又可以进行电磁屏蔽，是比较好的自屏蔽的方法。

（2）双绞线

采用双绞线也是进行自屏蔽的重要手段。双绞线由于有绞线对的存在，可以互相抵消干扰，既可以减少自身回路向外的辐射，又可以抵御外部磁场的干扰。

        

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