楊三璽

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

引言

電磁屏蔽是利用導電或導磁材料組成的屏蔽體將需要防護區(qū)域封閉起來，阻止和減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體對內(nèi)限制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁波的泄漏，對外防止外部的輻射進入自身區(qū)域。若電子設備外部箱體設計成連續(xù)屏蔽體，則可以較好達到上述屏蔽目的。但實際設計中，屏蔽體上不可避免地存在各種縫隙、開孔以及進出電纜等各種缺陷，這些缺陷使屏蔽體局部電流不連續(xù)，造成了屏蔽體的屏蔽效能急劇地劣化。

1 屏蔽效能

屏蔽體的屏蔽能力用屏蔽效能ES來表示，通常用分貝（dB）來計量，它的值表示屏蔽體對電磁波的衰減程度。假設無屏蔽體時空間某點的電場強度E1（或磁場強度H1），有屏蔽體時該點電場強度E2（或磁場強度H2）的，則電場屏蔽效能、磁場屏蔽效能表達式如公式（1）、公式（2）。

2 屏蔽的機理分析

屏蔽通常是把屏蔽體看成是一個在結構上完整，在電氣上連續(xù)的均勻封閉體。當電磁波入射到屏蔽體時，電磁波將會以三種能量形式進行損耗。屏蔽體的整體屏蔽效能可用公式（3）表示。

如圖1所示，當電磁波入射到屏蔽材料上時，由于屏蔽材料兩側的介質均為空氣，在屏蔽材料的第一界面發(fā)生阻抗的突變，一部分電磁波就被反射，即為反射損耗，用R表示；另一部分透過屏蔽材料表面進入屏蔽材料內(nèi)部，在屏蔽材料內(nèi)部按指數(shù)規(guī)律衰減，又消耗掉一部分電磁能量，即吸收損耗，用A表示；透射波在離開板的第二個分界面時，又發(fā)生反射，而且是在兩個界面之間多次反射，這種反射稱為多次反射修正因子，用B表示。圖1所示是實心屏蔽材料的屏蔽效能模型。

圖1 實心材料屏蔽效能模型

根據(jù)圖1模型可以看出，屏蔽材料對電磁波的反射和吸收損耗使電磁能量被衰減，將電場和磁場同時屏蔽，即電磁屏蔽。

對于良性導體，吸收損耗A用公式表示為

式中：σr為相對銅的電導率（S／m）；μr為相對銅的磁導率，H／m；f為磁場頻率，Hz；t為材料厚度，mm。

公式（4）表明，吸收損耗A與屏蔽體的厚度正比，并隨著頻率、相對磁導率以及相對電導率的提高而增加。表1［1］是幾種常用金屬材料的相對電導率和相對磁導率。

表1 常用金屬材料的相對電導率σr和相對磁導率μr

3 結構屏蔽設計

3.1 屏蔽材料的屏蔽特性

公式（4）和表1表明高磁導率的材料吸收損耗較高，適用于磁屏蔽環(huán)境。不銹鋼材料可以制造電子設備具有高可靠性的電磁屏蔽殼體。目前新型的屏蔽體材料還有發(fā)泡鋁、發(fā)泡鎳、導電塑料、活化導電鍍膜塑料等。

3.2 縫隙的屏蔽

研究表明，當縫隙的最大線性尺寸等于干擾源波長的λ／2的整數(shù)倍時，縫隙的電磁泄漏量最大。結構設計中一般要求縫隙的最大線性尺寸不大于λ／10［2］波長。縫隙的結構示意圖和等效電路如圖2所示。

圖2 縫隙結構示意圖及等效電路

3.3 接縫的處理

電子設備需要隨時調試、維護，因此它的結構件不可避免地形成了縫隙，這些縫隙的結合面受表面粗糙度、材料剛度及緊固點的位置等影響，會不同程度地使屏蔽效能下降。在電子設備設計時，太原航空儀表有限公司（以下簡稱太航）可以對縫隙采用特殊的處理，以提高結構件的屏蔽效能。

3.4 增加縫隙深度和結合面的配合寬度

產(chǎn)品設計中，可以通過在連接處折彎，增加縫隙的深度，如圖3所示。從圖3可以看出，圖3－1的結合面大于圖3－2，圖3－2的結合面大于圖3－3。因此，屏蔽性能圖3－1最佳，但圖3－1的加工工藝相對復雜，在實際的產(chǎn)品設計中可以根據(jù)需要也可以選擇圖3－2選擇中的結合方式。

圖3 殼體結合方式

3.5 避免長條縫隙

在結構設計中，在條件許可情況下，增加連接件數(shù)量可以減小間距，減短縫隙長度。在有特殊功能要求，無法減少長條縫隙的情況下，可以通過合理設置緊固點間距和在結合處放置導電柔性介質的方法進行屏蔽。

1）設置緊固點間距。為了減小縫隙的最大尺寸，最直接的方法就是減小緊固點的間距。縫隙的最大尺寸并不等于緊固點的間距，在兩個螺釘之間的材料也是會接觸在一起的。理論上螺釘間距越小，屏蔽效果就會越好。但螺釘布置越密，裝配結構的工藝性越差，而且還會影響產(chǎn)品的美觀。因此，緊固點的間距是結構設計中比較重要的數(shù)據(jù)，在實際設計中一般可取螺釘間距為λ／20［2］。

2）使用導電柔性材料的屏蔽設計。導電柔性介質主要包括導電橡膠、導電布、簧片、金屬絲網(wǎng)條、指形簧片和多重導電橡膠等。多重導電橡膠、導電襯墊和導電橡膠條可以在縫隙處形成可靠電接觸，實現(xiàn)導電的連續(xù)性，是產(chǎn)品結構屏蔽設計中經(jīng)常使用的一種方法。結構件表面采用化學氧化處理，并在搭接處加裝導電橡膠條，可以有效防止了電磁泄露，如圖4所示。

圖4 導電橡膠條安裝位置

需要注意的是導電襯墊的金屬填充材料應與屏蔽機箱材料的相容性，應盡量避免兩種材料產(chǎn)生電化學腐蝕；設計結構時，需保證導電襯墊與結構件之間有一定的壓力，即一方面保證兩者接觸可靠，另一方面也不能使導電襯墊過度壓縮。

屏蔽材料在縫隙中具體安裝形式主要有卡裝、直接緊固連接和膠粘接等形式。在結構件許可情況下，盡量采用安裝槽的形式。

4 電纜屏蔽設計

電纜穿透的數(shù)學模型十分復雜，為了直觀地分析這種屏蔽的破壞作用，太航可以簡單地將電纜簡化成一個導體，忽略芯線的影響，如圖5所示，在屏蔽體內(nèi)部為AB段，在屏蔽體外部為BC段。屏蔽體內(nèi)部的干擾耦合到電纜AB段上，產(chǎn)生干擾電流iS。干擾電流流過B點時，與B點的屏蔽體之間未連接，ZB足夠大，因此干擾電流直接穿透屏蔽體到BC段。在BC段干擾電流通過空間向外輻射，等效電路如圖5所示。

由圖5分析可知，如果在B點保證與屏蔽體之間的可靠接觸，可以認為ZB＝0，因此ie＝0，屏蔽體外部基本無輻射。

圖5 電纜穿透等效模型

以上將電纜簡化成了一個導體，忽略了線芯的影響，從而清楚地闡述了線纜需要可靠接地的原理。實際上，由于芯線的存在，芯線的干擾電流將更加直接，而且芯線可能與屏蔽層之間形成干擾電流回路，因此對屏蔽性能的破壞實際上還要大得多。

圖6是某產(chǎn)品電纜穿透的電磁屏蔽的處理方式，插座與殼體安裝處之間加導電襯墊，保證導電連續(xù)性，需要注意的是屏蔽殼體表面需要做導電處理，并選取合適的導電襯套以保證足夠低的接觸阻抗。

圖6 電纜穿透的電磁屏蔽

電纜屏蔽層的種類有很多，其中金屬絲編織層以成本低、安裝方便、重量輕等特點備受設計人員青睞。在設計中，可以根據(jù)實際屏蔽需求可以選擇不同編制密度、不同層數(shù)的金屬絲編織層。

5 結語

合理的結構設計一方面可以使電子設備自身穩(wěn)定可靠地運行，另一方面也能減少設備對外釋放電磁干擾，所以設計人員必須對結構的電磁屏蔽設計給予足夠的重視。在產(chǎn)品開發(fā)的初期，兼顧結構設計與電路設計，結合電磁環(huán)境方面的因素，制定電磁屏蔽方案，這樣一定能達到理想的效果。

［1］ 馮慈章，馬西奎.工程電磁場導論［M］.北京：高等教育出版社，2002.