电磁屏蔽技术的理论分析与应用

摘 要: 随着电子产品的广泛应用和电磁环境污染的加重，对电磁兼容性设计的要求也越来越高，对电磁兼容设计的主要技术之一的屏蔽技术的分析与研究也就愈显得重要。本文通过对电场屏蔽和磁场屏蔽原理的理论分析, 有助于明确屏蔽的概念及其内涵，有利于EMC 工程师深入理解屏蔽技术分类和屏蔽材料选择时需要遵循的原则。

关键词：电场屏蔽 磁场屏蔽 屏蔽材料

一、屏蔽原理

电磁波是电磁能量传播的主要方式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰。另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。电磁屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，从而消除干扰。在解决电磁干扰问题的诸多手段中，电磁屏蔽是最基本和有效的。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改屏蔽就是用导电或导磁材料制成的盒、壳、板、栅等结构形式，将电磁干扰场限制在一定的空间范围内，使干扰场经过屏蔽体时受到很大衰减，从而抑制电磁干扰源对相关设备或空间的干扰。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量如涡流损耗、反射能量如电磁波在屏蔽体上的界面反射以及抵消能量如电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波的作用，所以屏蔽体具有减弱电磁干扰的功能。

屏蔽的理论基础是电磁波的反射与吸收，投射到屏幕罩上的电磁能量一部分被反射回去，另一部分被屏蔽罩吸收。屏蔽的效果一般是用屏蔽前后同一点场强的比值来表征，称为屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）：屏蔽体的性质的定量评价。从屏蔽的侧重范围则可大体分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种, 本文重点对电场屏蔽和磁场屏蔽技术进行理论分析：

电屏蔽效能为：

磁屏蔽效能为：

E0、H0 分别是未加屏蔽时空间中某点的电场和磁场

E1、H1 分别是施加屏蔽后空间中该点的电场和磁场屏蔽前后场强度衰减量与屏蔽效能的关系如表1 所示：

二、电场屏蔽

从场的观点看, 电场屏蔽实质是干扰源发出的电力线被终止于屏蔽体, 切断易感受器与干扰源的联系。从电路的观点看, 屏蔽体起着避免或减少干扰源与感受器之间分布电容的耦合作用。电场屏蔽又可以细分为静电场屏蔽和交变电场屏蔽。

1. 静电场屏蔽

在静电场中，导体处于静电平衡状态时具有如下性质：导体内部场强为零；导体表面任一点的电场强度矢量与表面相垂直；导体表面是等势面；电荷智能分布在导体表面上。电场线起始于正电荷，终止于负电荷。静电屏蔽关键就是设法使电场线终止于屏蔽体的表面，抑制静电场的影响。当屏蔽带电体的电场时，除了要用导体空腔将带电体屏蔽起来外，还必须将屏蔽空腔接地。

如图1 中屏蔽腔不接地状态下的电场线分布情况，屏蔽腔的内表面感应出与带电体等量的负电荷，外表面则感应出等量的正电荷。在屏蔽体上电场线中断，导体内部没有电场线存在。但是屏蔽空腔外的空间中仍然存在着感应电荷产生的静电场，所以，不接地的屏蔽空腔是不能起到静电屏蔽作用的。若将屏蔽空腔接地，如图所示屏蔽空腔外表面所感应的电荷将通过接地线流入大地，外部电场消失，电场线被限制在屏蔽空腔内部，起到了屏蔽作用。由分析可知，静电屏蔽需要具备两个基本条件：导体空腔和良好的接地。静电屏蔽最常用的材料为导电良好的铜或铝，要求不高时也可采用薄钢板。对于有源静电屏蔽，其屏蔽效果主要取决于金属壳体的接地质量。屏蔽体与地面间的阻抗越小，屏
蔽效果越好。

2. 交变电场屏蔽

交变电场屏蔽的实质是抑制低频电容性耦合干扰，由电磁场原理易知，低频交变电场的骚扰源与接受器之间的电场感应耦合可以用它们之间的耦合电容进行描述，因此低频交变电场的屏蔽可采用电路理论加以进行理论推导分析。如图2 所示，设干扰场源为S，接受器为R 且与地之间的耦合电容为CR，S 与R 之间的耦合电容为CSR0，则R 受S 的影响而产生的感应电压UN0可近似为：

从上式可见， S、R 间的耦合电容CSR0 越大，两者的电场感应就越严重。减小电场感应效果即为了减小S对R 的影响，应设法使CSR0 尽可能小。如图3 所示，

在S 与R 之间插入屏蔽体后，CSR1 CSR0，可忽略CSR1，则可得：

由于屏蔽体与S 之间的距离小于S 与R 之间的距离，而屏蔽体的面积通常会大于R 的面积，因此C1 和C2 均大于CSR0，比较上述两个公式不难发现：屏蔽体若不接地，S 与R 之间的电场感应强度仍然很强，甚至会比无屏蔽体时更强。如图4 所示，

在保证屏蔽体金属体良好接地后，C1 和C2 的影响可略去不计，可得：

此时主要是S 和R 之间迂回金属板的电场所形成的分布电容CSR1 造成的耦合。若金属板足够大，CSR1趋于零，则UN1 也将趋于零，即金属屏蔽体屏蔽了S干扰场源的电场对R 的影响。另外，由上式分析易知金属屏蔽体越是接近R，C2 就越大，则UN1 就越小，故而金属屏蔽体要尽量靠近被屏蔽体。所以电路中常用接地良好的编织线作为屏蔽层将导线包围起来, 能保护线路避免外部电场干扰, 同时防止导线本身产生的电力线向外泄漏。

三、磁场屏蔽

磁场屏蔽可分低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两类。

任何载流导体或线圈周围都会产生磁场, 磁场随导体电流的变化而变化, 这种变化的磁场常对周围的电子线路或敏感器件造成干扰。电子线路中常存在有环形布线线圈、信号环路等, 强信号环路易形成磁场发射, 而弱信号环路则更易受周围交变磁场的干扰。

1. 低频磁场屏蔽

电场有电力线, 磁场有磁力线, 磁力线通过的路径称为磁路。磁路与电路有类似的特征。磁路具有磁阻,磁阻与磁路的长短、磁路的截面积及相对磁导系数相对磁导率金属的磁导率与空气的磁导率之比有关。磁导率越大, 磁阻就越小, 磁通主要选择通过高磁导率材料。

如果磁场中存在高磁导率的磁场通路, 则磁通相对通过周围空气的部分变小, 使得周围空间的磁场干扰也同时减少, 可以等效为起到了磁场屏蔽作用。

对于低频磁场含恒定磁场, 其屏蔽体的屏蔽效能远不如电屏蔽和电磁屏蔽。当磁场频率低于100K HZ 时,屏蔽措施主要有赖于高磁导率材料所起到的磁分路作用,低频磁场屏蔽的机理是利用高导磁材料所具有的低磁阻特性，使磁场通过磁阻小的通路而不扩散到周围空间去，从而起到磁场屏蔽的作用。如图5 所示，磁屏蔽材料的磁阻与其磁导率成反比，磁导率越大，磁阻越小，因此，磁屏蔽通常选用铁磁材料，如铁、硅钢片、坡莫合金等。使用磁屏蔽体时磁屏蔽材料的磁导率越高，屏蔽体越厚，磁阻就越小，屏蔽效果也越好；制作磁屏蔽体时，开口或缝隙不应切割磁感线，否则会增加磁阻，降低屏蔽效果；磁材料不能屏蔽高频磁场，因为高频时磁材料的磁性损耗很大，导致磁导率下降。

值得注意的是，高磁导材料如铁镍合金等磁导率会随外加磁场强度的变化而变。当外加磁场强度较低时, 磁导率会随磁场强度的增加而升高, 而当外加的磁场强度超过某限值时, 磁导率将会急剧下降, 称此时磁导材料发生了磁导饱和, 也意味着该材料同时失去了磁屏蔽性能。磁导率越高, 越容易饱和, 所以选择具有足够磁导率和饱和特性的磁导材料是低频磁场屏蔽的关键。

2. 高频磁场屏蔽

高频磁场的屏蔽原理是屏蔽体利用电磁感应现象所产生的涡流反磁场对原干扰磁场的排斥作用来达到屏蔽目的的。屏蔽体材料采用的是低电阻率的良好导体, 如铜、铜镀银等。由根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，屏蔽体中的感应电流方向与线圈中的电流方向相反，因而在屏蔽体以外空间中，线圈磁场和屏蔽体感应电流产生的磁场相互抵消，透过的磁感线仅仅是线圈所产生的磁感线中的极小部分。在屏蔽体与线圈之间，两者产生的磁感线方向是一致的，线圈所产生的磁通量很少泄漏到屏蔽体外边，所以起到了磁屏蔽的作用。另外，在线圈内部，由于线圈磁感线与感应电流产生的磁感线方向相反，导致线圈内部磁场有所减少，结果线圈的电感量减少。如图6 所示, 选择产生感生电势的载体为良导体的金属板, 则感应电流阻抗近乎于短路而产生涡流, 此涡流产生的反磁场将抵消穿过此金属板的原磁场。反磁场的作用增强了金属板四周的磁场, 看起来就像原磁场从金属板四周绕行而过。

通过上述分析可以清楚的看到，高频磁屏蔽的必要条件是在屏蔽体内部产生高频感应电流，感应电流的大小直接影响屏蔽效果。根据图7 分析可知，屏蔽体中的感应电流为：

式中 : ic 线圈中的电流，A ；

rs: 屏蔽体的电阻，Ω ；Ls: 屏蔽盒电感，Wb/A ；

M: 线圈与屏蔽盒导体之间的互感，mH对公式进行分析后可知：在高频情况下， 由于is<<ωLs , 于是

式中 k ： 线圈与屏蔽体的耦合系数；nc ：线圈匝数；

ns ：屏蔽体的匝数 ；对于常用的屏蔽罩，取ns =1

由上式可得，屏蔽体的感应电流值与线圈中的电流和耦合系数k 的乘积成正比，与频率无关。这一方面说明高频情况下感应电流产生的磁场足以抵消线圈的干扰，起到屏蔽的作用，同时也表明，当频率高到一定程度时，感应电流就不再随着频率提高而继续增大。

在低频情况下，由于is>>ωLs ，则：

可见此时屏蔽体内的感应电流比较小，不能完全抵消线圈磁场的干扰。 因此，在低频时利用这种方法进行磁屏蔽，效果是很差的。

以上分析表明，对高频磁场的屏蔽， 越小越好，这就意味着高频磁场的屏蔽材料需要用良导体, 以减小涡流阻抗, 减小发热和损耗，例如铜、铝或铜镀银等。同时, 要尽量避免在垂直于涡流的方向上有缝隙, 以免阻碍涡流电流的流动, 影响屏蔽效能。由于高频电流的集肤效应, 高频屏蔽盒无需太厚另外，屏蔽体接地与否不影响磁屏蔽的效果，但是如果接地，可以同时起到电场磁场屏蔽的作用，所以实际中屏蔽体使用大都是接地的。

四、电磁场屏蔽

以上的分析是分别从电场和磁场屏蔽展开的，下面将简要介绍电磁场的屏蔽，即电磁屏蔽。顾名思义，电磁屏蔽是指利用金属和磁性材料同时抑制或削弱电场和磁场，即对电磁波进行隔离，有效控制电磁波从一个区域向另一个区域的辐射传播。电磁屏蔽一般是指10kHz以上交变电磁场的屏蔽。交变电磁场中，电场和磁场总是同时存在于同一空间的，因此必须同时考虑电场和磁场的屏蔽。

由于频率的不同，交变电磁场的干扰效应区也不同，实际中可以区别对待。

频率较低时，电磁干扰主要表现在近场区即辐射场，磁场能量脱离辐射体向外发射。在近场区中，随着干扰源性质的不同，电场和磁场的大小也有很大差别。

高电压小电流干扰源以电场为主，可以只考虑电场屏蔽而忽略磁场干扰；低电压大电流干扰以磁场为主，可以只考虑磁场屏蔽而忽略电场干扰。随着频率的提高，电磁辐射能力增强，电磁干扰趋向于远场区即感应场，电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性来回流动，不向外发射。在远场区中，电场干扰和磁场干扰都不可忽略，需要同时是对电场和磁场实施屏蔽。如前所述，采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体，就可同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用。

五、结语

工程实践表明抑制电磁辐射干扰的最直接有效的方法是对电磁场进行屏蔽，用导体把两个带电体之间的电力线截断，或用高导磁率的磁性材料把产生干扰磁场的物体进行屏蔽。值得注意的是用于电场屏蔽的导体需要良好接地才能有效，否则，屏蔽电场的导体不但起不到屏蔽作用，反而会因为电场也会通过感应使屏蔽导体带电。另外，由上文理论分析可知用导体对磁感应干扰进行屏蔽，也会产生意想不到的作用：磁力线穿过导体的时候也会产生感应电流即涡流，涡流又会产生磁场，这个新产生的磁场的方向正好与干扰磁场的方向相反，两者正好可以互相抵消。