电磁屏蔽技术及材料应用研究新动向

摘要：从材料角度剖析屏蔽理论，介绍了从电场屏蔽、磁场屏蔽到电磁场屏蔽的原理以及新型屏蔽材料的研究进展，总结了一些常用屏蔽材料和新型屏蔽材料的特性。

关键词：电场屏蔽；磁场屏蔽；交变磁场；屏蔽体

    目前高频、高压、大电流、大功率治疗设备在医学临床实践中屡见不鲜，众所周知，医学临床环境中不允许存在不符合国家EMI标准的辐射源，这不仅仅考虑到可能存在的电磁辐射干扰，而且长时间的暴露于高功率的辐射源中亦会对人身体造成损伤。因此，增强抗干扰能力，抑制可能存在的电磁辐射已是对工作环境敏感的各种现代自动化设备应用时所应考虑的最基本问题。本文试从屏蔽的原理出发，对电场、磁场及电磁场的屏蔽技术进行介绍。

1 屏蔽原理

    屏蔽是利用屏蔽体(具有特定性能的材料)阻止或衰减电磁干扰能量的传输通道，从而抑制电磁干扰。屏蔽有两个目的：限制内部辐射的电磁能量泄漏；防止外来的辐射干扰进入。因屏蔽体对来自外部的电磁干扰波及内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电场，可以抵消部分干扰电磁波)的作用，因此它具有减弱干扰的功能。根据屏蔽的工作原理可将屏蔽分为以下3大类：电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽。

1．1 电场屏蔽
   当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与电子设备之间就存在容性电场耦合，可将其视为分布电容问的耦合。为消除或抑制这种干扰，要进行电场屏蔽。其设计应遵从的原则是：
1)屏蔽体要尽量靠近受保护物，而且屏蔽体的接地必须良好；
2)屏蔽效果的好坏与屏蔽体的形状有着最直接的关系。屏蔽体如果能够做成全封闭的金属盒最好，但在工程实践中还需要根据实际情况而定；
3)屏蔽体的材料要以良导体为好，对厚度没有严格的要求，只要有足够的强度即可。

    在实际应用中，又把电场按静电场和交变电场分开处理。静电场现实中并不多见，其屏蔽手段多采取金属屏蔽体接地的做法，而交变电场屏蔽可在干扰源和敏感电路之间设置导电性能好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地，目的就是为了降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压。通常交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。

1．2 磁场屏蔽
    当干扰源以电流的形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。此时，为了抑制干扰，要施行磁场屏蔽。磁场屏蔽机理主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，从而使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。

    磁场屏蔽比电场屏蔽难做得多，但也不是不可能实现的。早期研究发现，超导体具有“完全抗磁性”，即超导体内部理论上不会有磁力线，但利用超导体实现磁屏蔽成本太高。实际上目前常用的屏蔽材料还是铁磁性介质。理论依据是，磁场在从磁导率低的介质向磁导率高的介质传播时，磁力线会像光线一样“折射”，磁导率越高，磁力线越偏向介质边界面。我们能找到磁导率比空气或真空高上万倍的铁磁性材料，这样空气中的磁力线绝大部分在进入此介质以后，沿介质内表面传播，合理地设计介质形状，就能让磁力线很少能穿过介质到达另一面。抗磁性介质之所以不能用作磁屏蔽，是因为所有这类介质(除超导体)，其抗磁性都非常弱，远不足以抵消外部磁场。

    磁场屏蔽体的设计还必须要考虑到干扰源的频率高低。对于低频磁场(磁场频率低于100kHz)干扰源，通常采用铁、硅钢片、坡莫合金材料进行屏蔽[1 ]。如图1所示，设相近的两平行导线1和导线2。导线1对导线2的磁场耦合干扰为：

U₂=jωMI¹

式中： M 为两导线间的分布互感， M= Φ /I1 ； I¹ 为导线 1 流过的电流； Φ 为电流 I1 产生的对导线 2 为交连的磁通。为抑制磁场耦合干扰，应尽量减少分布互感 M ，也就是减少交连磁通 Φ ^{[3,4] 。}屏蔽此类干扰，最好选用高导磁率的铁磁材料做成屏蔽壳体，将干扰源或被干扰电路屏蔽起来。铁磁材料的磁导率越大。因此，实际中常采用多层屏蔽提高屏蔽的效能。

    对于高频磁场(磁场频率高于100 kHz)干扰源，因铁磁材料的磁导率随频率的升高而下降，从而使屏蔽效能下降，所以低频磁场屏蔽的方法不能用于高频磁场的屏蔽。目前高频磁场干扰源屏蔽材料广泛使用铜、铝等金属良导体。若用金属壳将高频磁场干扰源包裹起来，则其会在金属壳内壁产生涡流，将磁场干扰源限制金属壳内，起到了主动屏蔽的作用；而金属壳体外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属壳体，不能进入金属壳体内，又起到了被动屏蔽的作用。