电磁屏蔽功能稳定性分析

前言
电子设备工作时产生的电磁能量发射会对周围的设备产生干扰。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必须满足的关键性指标之一。如何使电子设备具有良好的电磁兼容性是设计人员所面临的重大挑战和追求。
电磁兼容设计的目的有3个：首先，是使电子设备内部的电路互不产生干扰，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，特别是无线通信设备，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。
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。当将这些信号中的信息提取出来时就获得了设备所处理的信息。这是1个特殊的电磁兼容问题，即TEMPEST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漏发射。
实现电磁兼容和TEMPEST防护的重要手段之一是电磁屏蔽。电磁屏蔽的目的是切断电磁波的传播途径。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到80dB以上。
但是，屏蔽体受各种因素影响，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、 影响电磁屏蔽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指测试合格的产品交付使用后的问题，这是不全面的。仅举1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，时过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。经查实是因为加工操作者未遵照设计图纸的技术要求，用“强水”作锡焊助焊剂，在焊接时热熔喷流到搭接口外，焊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，通常在接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，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。这些均属于在生产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界面的防护等。往往潜在的因素易被忽视。
二、 解决电磁屏蔽效能稳定性的方法
1 根据技术性能要求正确选用屏蔽材料
屏蔽体的制造选材和表面处理是制约屏蔽体屏蔽效能稳定性的重要因素。
屏蔽体的屏蔽效能由2部分构成，吸收损耗和反射损耗。当电磁波入射到不同介质的分界面时，会发生反射，于是减小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，称为反射损耗。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。
电磁场的性质决定于源的特性、源周围的介质特性、源到观察点的距离。距离源较近时，场的特性由源决定；较远时，由介质决定。由此，将源周围的区域分为 2个，即近场和远场。λ/2π以内的场叫近场或感应场。λ/2π以外的场叫远场或辐射场。
近场时Eθ/Eφ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；辐射源为高电压、小电流时，波阻抗大于377Ω，电场为主。远场时E/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，因此波阻抗下降；磁场波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：

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

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趋肤深度的计算及概念是优选屏蔽材料的参考依据。常用金属的趋肤深度如表1所列（单位：in）。
表1 常用金属的趋肤深度

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吸收损耗的计算公式:

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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屏蔽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的屏蔽效能相差很大。高频时，一方面反射损耗下降，另一方面由于趋肤深度减小，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2个表面上多次反射；而每次到达界面时，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1个界面反射，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，多次反射造成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由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，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，这导致了反射损耗减小。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，如在钢壳表面镀1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。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、铝等均优于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、不同机箱之间地线搭接等。
搭接通常是指在2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、有效的措施。在接口法兰处镀1层相近电位且导电良好的涂层，如钢制法兰和铝制盖板分别镀1层镍，再进行搭接可以取得很好的效果，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多种，所采取的相应措施各不相同。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
正确地选用和安装屏蔽性能好、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，高频时的屏蔽效能较低。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。
（4）
导电橡胶——用不同导电填充物和橡胶制成，与金属丝网相反，低频时的屏蔽效能较低，而高频时的屏蔽效能较高，并且能够同时提供电磁密封和环境密封。缺点是较硬、弹性较差。新开发的双层导电橡胶克服了这些缺点。
（5） 蜂窝屏蔽通风板——抑制电磁波的泄漏。
另外还有导电布衬垫，这种衬垫非常柔软。适合不能提供较大压力的场合使用。
电磁屏蔽密封衬垫的使用要点和方法是：必须具有足够的形变才能提供足够的屏蔽效能，因此，必须保证衬垫上有足够的压力。压力太小，屏蔽效能低；压力过大，会造成衬垫损坏。加固螺钉的间距要适当，压力要均匀适度。因此在使用时要对压缩量进行限位，其工艺手段有多种。安装衬垫的不同方法如图2所示。

图2(a) 安装衬垫的不同方法

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图2(b) 在机柜门壁上正确安装衬垫的方法

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图2(c) 在薄板金属盒上安装导电衬垫的方法

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图2(d) 采用导电衬垫的开关
图2 电磁密封衬垫的安装方法
屏蔽衬垫安装好后，电子设备经过测试合格交付使用。使用一段时间后进行复测（复测时间根据使用环境和使用要求决定）。如果发现安装衬垫的接口处有泄漏应及时采取措施，当衬垫或金属表面腐蚀污染不严重时，可以清洗金属衬垫或金属接触表面；腐蚀情况严重的，立即更换电磁密封衬垫。

4 屏蔽界面的防护措施
电子设备的屏蔽体是用金属材料制成的。在严酷的气候条件下，特别是在高温、高湿和大量工业气体污染或盐雾等恶劣环境中，金属材料特别容易遭受腐蚀，从而严重影响电子设备的可靠性和它的屏蔽效能的稳定性，因此，在屏蔽设计中，对于屏蔽层的防护设计是一个很重要的环节。
由于金属表面和搭接界面的腐蚀和氧化，电子设备的屏蔽效能随着系统使用时间的推移而下降。很多例子表明金属搭接表面的接触阻抗和导电涂覆层表面阻抗会随着时间的推迟而增大，其变化速度取决于设备长期所处工作环境的恶劣程度。设计人员要根据环境条件，开发用在腐蚀环境下的电磁密封装置，包括综合进行密封设计、凸缘表面处理和材料选择；根据环境条件作防腐蚀、防潮湿、防盐雾的有效技术设计。目前，最简捷、可靠的办法是采用表面喷涂一种耐蚀、防湿、防霉覆盖层。将密封和隔离等防护举措纳入综合考虑之中，方能保证屏蔽体在不同环境污染中保持屏蔽效能的稳定性。

5 克服屏蔽体的基本设计缺陷
电磁兼容和TEMPEST防护是一项实践性很强的技术，决不是只了解有关理论就能解决实际问题的。具体地说电磁屏蔽设计的某些环节处理不好会给电磁兼容和 TEMPEST防护产品埋下潜在的不稳定隐患。
基本设计缺陷是设计人员不甚了解电磁屏蔽的原理，往往将静电屏蔽的原理应用到电磁屏蔽上。在静电屏蔽中，只要将屏蔽体接地，就能够获得较高的屏蔽效能；而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是设计人员必须明确的。电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导体。这一点实现起来是十分困难的。因为一个实际的电磁屏蔽体上有许多导致导电不连续的因素，如通风口、显示窗口、操作器件开口、不同部分的结合处搭接口、穿出屏蔽体的各种电缆等，
正是这些因素的存在，使实际屏蔽体的屏蔽效能很难达到预期的效果。再有屏蔽体的接缝处理问题，永久性的接缝要求无阻抗连接，即不得有缝隙出现。这些因素使屏蔽体的设计成为一个较难的问题。在进行电磁屏蔽设计时，解决不好这些开口和贯通导体造成的屏蔽效能下降问题是基本缺陷。最可怕的是有时处理的不十分可靠：当检测时还可以，但工作一段时间后，屏蔽效能将严重下降。
解决上述问题的基本举措是：
通风口要安装通风波导蜂窝板，抑制电磁波的泄漏；显示窗口要安装100至200目金属网透明玻璃制成的屏蔽玻璃或透明的导电膜胶片；操作器件如按键、旋钮、开关、提示灯等通过隔离层上串接穿心电容及滤波功能的接插件来实现；穿出屏蔽体的电源电缆和信号电缆，除自身要用屏蔽电缆外，与屏蔽体的接口要做专用的电源滤波和信号滤波装置，其一是作好屏蔽，其二是抑制信号发射；不同部分的结合处要加屏蔽性能好、抗盐雾、耐化学腐蚀的电磁屏蔽密封衬垫，以保证连续、可靠的导电性能。常用的几种方法如图4所示。
对于永久性的接缝，采用连续性焊接；对于长焊缝处理，为防止机壳由于焊接变形，可采用先点焊后镀锡或镀镍处理后再进行锡焊的方法。使屏蔽体的几面构成一个实际的连续导电的实体，不得有缝隙泄漏现象出现。采取这些措施后屏蔽体方能获得较高的屏蔽性能和较长时期的稳定的屏蔽效能。
在干扰电平很高的环境中，由于设计缺陷，预计会发生大量的故障，在产品寿命初期可以通过工程的设计改进加以纠正。
结论
现代电子产品的一个主要特征是数字化、信息化、微处理器的应用十分普遍，而这些数字电路在工作时会产生很强的电磁干扰。因而，电磁干扰的问题呈现出前所未有的严重性。抑制电磁干扰及电磁能量泄漏的电磁屏蔽效能的长久性、稳定性是一项实践性很强的技术，是军事、航天、航空和信息安全部门特别关注的课题。EMI屏蔽材料的用户在开发表征屏蔽系统稳定性的技术数据库方面应起到积极的作用。这种数据库可以比较不同的导电的电磁密封衬垫，屏蔽体及法兰盘材料和涂覆层在不同环境下的性能。考虑到导电涂层和EMI衬垫界面的防腐性能，设计者在其设计中至少应留有10~20dB的余量。设计者要特别注意控制和纠正基本设计缺陷，从设计到使用全过程都要关注电子设备电磁屏蔽效能的稳定性。