电磁兼容效能稳定性分析

摘要：电磁兼容性是电子应用系统设计的重要内容。产品研制中的诸多因素会造成电子应用系统受到严重的电磁干扰以及自身会产生严重的电磁辐射和信息泄露。解决电磁兼容首先要解决电磁屏蔽，即要正确选择屏蔽材料，要有良好的屏蔽接口工艺及安装方法，要注意保护屏蔽防护层并注意克服屏蔽体的基本设计缺陷。 电子设备在工作运用时会受到周围设备电磁能量发射产生的干扰。随着电子设备密集程度的增加，设备相互间的电磁干扰问题越来越严重。过去电子设备的电磁兼容性要求仅作为选择性要求，而现在已经成为电子设备具有良好的兼容性是设计人员所面临的重大挑战和追求。

关键词： 电磁兼容（EMC） 电磁屏蔽

电磁兼容设计的目的有三个：首先，是使电子设备内部的电路互相不产生干扰，这是最起码的要求。由于现代设备工作的频率越来越高，数字电路和模拟电路混合的场合越来越多，要使设备能够可靠稳定地工作也是有一定的难度的；第2，是使设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值。这对于计算机设备十分重要。计算机设备中的脉冲电流会产生较强的电磁辐射，干扰周围的设备，特别是无线电通讯设备，如不采取有效的抑制辐射措施，计算机会严重影响系统的正常工作；第3，是使设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗能力。在路内，越来越多的电子控制装置运用到机车上，要让这些装置正常的发挥效能运用，就必须解决装置在环境中承受周围电磁干扰的能力，具备良好的电磁兼容效能稳定性。

由于电子设备产生的电磁发射是设备内部的信号电流或电压产生的，因此这些发射中包含了电压或电流的变化信息。当将这些信息中的信息提取出来时就获得了设备所处理的信息。这是一个特殊的电磁兼容问题，即TEMPEST（未分类码字---为来自处理分类数据的电气设备和电子设备的潜在辐射性而定义的未分类码字）问题。TEMPEST技术是防止电子信息设备通过电磁能量发射产生信息泄露发射。

实现电磁兼容和TEMPEST防护的重要手段之一就是电磁屏蔽。电磁屏蔽的目的是切断电磁波的传输途径。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题。它既能保证电子设备内的电路正常工作，又能保障设备的安全。屏蔽性能的好坏用屏蔽效能来表示。屏蔽效能表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度，通常用分贝（dB）来表示：一般商业设备的屏蔽体的屏蔽效能可达40dB；军用设备屏蔽体的屏蔽效能可达60dB以上；TEMPEST设备的屏蔽效能可达80dB以上。

但是，屏蔽体受到各种因素的影响，随着时间的推移，屏蔽效能会发生变化。如何保持电磁屏蔽效能的稳定性是电子产品设计人员，尤其是从事电磁兼容技术和信息安全的专业人员要特别重视的课题。

一、影响电磁兼容效能稳定性症结分析

在电磁兼容（EMC）和TEMPEST防护产品研制设计实践中，发现有诸多因素会造成电磁屏蔽系统不稳定或产生严重的电磁能量的发射和信息泄漏，而且这些因素是贯穿在由产品的设计到使用全过程的。有人认为电磁屏蔽效能稳定性只是测试合格的产品交付使用后的问题，这是不全面的。仅仅举一个实例加以说明：有1台TEMPEST防护产品，在交付检验时测试指标非常好，时间过了半年复测时发现屏蔽效能下降10Db。经检查发现屏蔽体搭接处的镀镍层有锈蚀现象，与电磁屏蔽密封衬垫压接处的阻抗变大，造成缝隙泄漏。经过查实是因为加工操作者未遵照设计图纸的技术要求，用“镪水”作锡焊助焊剂，在焊接时热熔喷流到搭接口外，焊接后没有认真清洗而造成金属表面锈蚀。

另外一个例子是焊缝的腐蚀问题。要保证屏蔽体的导电完整性，必须对结合处进行连续焊接。为了解决焊接长焊道变形的问题，通常在结合处采用点焊压接后，再镀镍而后用锡焊封缝。由于在电镀前要进行酸洗处理，往往这些酸洗液很难清洗干净，而残留在压接缝中，造成慢延腐蚀现象。这些均属于在加工过程中的质量控制环节问题而影响了电子产品在使用过程中电磁屏蔽效能的稳定性。

归结起来，影响屏蔽效能稳定性的原因有许多潜在的因素，也有时效的因素。它贯穿在设计阶段的设计观念和屏蔽材料、材质和表面处理的选择；生产、加工、装配的质量控制；使用、维护操作的正确性和在恶劣环境下对屏蔽截面界面的防护等。往往潜在的因素容易被忽视。

二、解决电磁兼容效能稳定性的方法

1、根据技术性能要求正确选用屏蔽材料

屏蔽体的制造选择材料和表面处理是制约屏蔽效能稳定性的重要因素。屏蔽体的屏蔽效能由两部分构成：吸收消耗和反射消耗。当电磁波入射到不同介质的分界面时，会发生反射，于是由于减少了继续传播的电磁波的能量。由于反射造成的电磁波的衰减，成为反射消耗。当电磁波在屏蔽材料中传播时会产生损耗，这种损耗称为吸收损耗。

电磁场的性质取决于源的特性、源周围的介质特性、源到观察点的距离。距离较近时，场的特性由源的决定；较远时，由介质决定。由此，将源的区域分为2个，即：近场和远场。λ/2π以内称为近场或感应场；λ/2π以外称为远场或辐射场。近场时Еθ/Εψ称为波阻抗。辐射源为大电流、低电压时，波阻抗小于377Ω，磁场为主；辐射源为小电流、高电压时，波阻抗大于377Ω，电场为主。远场时Ε/H称为波阻抗，等于377Ω。随着距离的增加，电场中的电场分量衰减比磁场分量快，因波阻抗下降；磁场中的电场分量衰减比磁场分量慢，因此波阻抗增加。当电场波在介质中传播时，它的幅度按照指数规律衰减：

E1=E0e-d/δ H1=H0e-d/δ

电磁衰减为原始强度的1/e或37%时，所传播的距离称为趋服深度。趋服深度的计算公式为：

δ=2.6/（fμrσr）1/2

趋服深度的计算及概念是优选屏蔽材料的参考数据。常用金属的趋服深度如表1所示（单位：in）：

表1 常用金属的趋服深度

吸收损耗的计算公式:
A=20lg（E0/E1）=20lg（ed/σ）
式中d的单位为in；A的单位为dB；

从吸收损耗的公式可以得出以下结论：屏蔽材料的厚度越大，吸收损耗越大。屏蔽材料的厚度每增加1个趋肤深度，吸收损耗增加约9dB。屏蔽材料的磁导率越高，吸收损耗越大；屏蔽材料的电导率越高，吸收损耗越大；被屏蔽电磁波的频率越高，吸收损耗越大。

反射损耗与电磁波的波阻抗和评比材料的特征阻抗有关。电场波的反射损耗大，磁场波的反射损耗小。屏蔽材料的导电性越高反射损耗越大。
综合屏蔽效能：低频时，由于趋肤深度很大，吸收损耗很小，屏蔽效能主要取决于反射损耗；而反射损耗与电磁波的阻抗关系很大，因此，低频时不同的电磁波屏蔽效能相差很大。高频时，一方面反射损耗下降，另一方面由于趋肤深度减少，吸收损耗增加，屏蔽效能主要由吸收损耗决定；而吸收损耗与电磁波的种类无关。

        当金属较薄时，电磁波在金属内的损耗很小，因此会在金属的两个表面上多次反射；而每次达到界面时，都会泄漏一部分能量。因此会造成屏蔽体的额外泄漏。当屏蔽体较厚时，能量在金属内的损耗很大，多次反射造成的泄漏可以忽略。对于电场波，由于大部分能量在金属与空气的第一个截面反射，进入金属的能量很小，因此可以忽略多次反射造成的泄漏。对于磁场波，多次反射灶火曾的泄漏及其影响是必须考虑的。

低频磁场由于其频率较低，因此吸收损耗很小。又由于磁场的波阻抗很低，因此反射损耗也很小；而屏蔽材料的屏蔽效能有吸收损耗和反射损耗两部分构成，当这两部分都很小时，总的屏蔽效能也很低。为了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必须想办法提高吸收损耗和反射损耗。提高吸收损耗吸收损耗，可以使用导磁率高的材料；但是，导磁率高的材料通常导电性不是很好，这就导致了反射损耗的减小。为了增加反射损耗，可以在高导磁率材料的表面增加1层高导电率材料，如在钢壳表面电镀一层镍，对于频率极低的磁场，即使使用较厚的高导磁率的材料仍然达不到所需要的屏蔽要求。这时可以采用导磁率很高的材料，为磁场提供1条通路。使磁场绕过敏感器件。须要注意的是，高导磁材料容易发生饱和，其导磁率随着频率升高而降低；高导磁材料的导磁率对机械冲击很敏感，当材料受到加工冲击后，导磁率会大幅度降低，这在加工时要特别注意。有些材料可以通过适当的热处理可以恢复材料的导磁率，但这种材料的价格很贵。

从磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多数是在直流情况下的。在1kHz时，钢的磁屏蔽效能高于铜和铝，低于μ金属；在10kHz时，钢反而优于μ金属；而在100kHz时，钢、铜和铝均优于μ金属。这是由于频率高时，磁导率下降的缘故。
总之，用于作为屏蔽体的材料选用是保证屏蔽效能稳定性的关键。

2.屏蔽体接口良好的搭接工艺

电子设备屏蔽体金属部件之间的低阻抗连接又称为搭接。例如。电缆屏蔽层与机箱之间搭接、屏蔽体上不同部分之间的搭接、滤波器与机箱之间的搭接、不同机箱之间地线的搭接等。搭接通常指在两种不同或相同金属之间的低阻抗连接。这里值得注意的是，不同金属搭接在一起时电位应尽量接近，以避免在恶劣环境中由于电位差造成金属发生电化学腐蚀的现象。接触面的腐蚀会导致接触阻抗变大而使屏蔽效能下降，因此要采取相应的、有效的措施。在接口法兰处电镀一层相近电位且导电性能良好的涂层，如在钢制法兰和铝制盖板分别电镀1层镍，再进行搭接可以取得良好的效果，同时，能获得锡焊的性能。对于长期固定的接口还可以用锡焊连接。
屏蔽体金属部件之间的低阻抗连接的类型有很多种类型，所采取的饿相应的措施也各不相同。处理不好潜在的因素，会直接影响屏蔽效能的稳定性，所以，屏蔽体接口处搭接技术及其工艺控制是非常重要的。

3. 电磁密封衬垫的正确选用及安装方法

正确选用和安装屏蔽效能好、抗盐雾、耐电化学腐蚀的电磁密封衬垫是保证屏蔽体屏蔽效能稳定性的重要手段。常用的方法是在搭口缝隙处用电磁密封衬垫，利用其导电性和弹性好的特性实现缝隙电磁密封。

常用的电磁密封衬垫及其性能有以下几种：
（1）铍铜指形簧片---高频、低频时的屏蔽效能都较高，并且适用于滑动接触的场合。缺点是价格较高。
（2）金属丝网套橡胶芯衬垫---低频时的屏蔽效能高，高频时的屏蔽效能低。一般用在1GHz以下的场合。
（3）螺旋管衬垫---高频、低频时的屏蔽效能都较高，特别是镀锡铍铜制成的螺旋管衬垫，具有很高的屏蔽效能。缺点是受到过量压缩时容易损坏。