应用电磁场基本理论指导电磁屏蔽设计

应用电磁场基本理论指导电磁屏蔽设计 中 计算机学 国 会 第 算机 六届计 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与 工艺学术年会 应用电磁场基本理论指导电磁屏蔽设计 ,;,,,,, , ,, ,, ,, ,, , , , , , , , , , ,,,,,,,; ,, ,,, , ,, , , ,, , ,; ,,, , , ;,,,, , , , , , , ,,, , ,, ,,,,,,; ,, 陈京会 田继华 ,, ,,,, ,, ,, ,, ,, ,, , , , , 中 七 九研究所) ( 船总第 , ( , ,,,; ，,,,, , „ ,,, ,,,) , , ?? 摘 要 本文基 于电磁场理论 中两个重要 的内容 ，剖析屏蔽的 实质 与机理 ，明确实 际 工程 中屏 蔽设计的思考 方法和设计的方 向，指 出电磁屏蔽设计必需依据 的程序。通过 分 析表明在屏蔽设计中完善性设计前的初步设计工作十分重要。 ,, ,, ,,, , , , ,,, ; ,,, , , ;,, ,, , , , ,, , , , , , , , ,; , , , ,, , ,,,, ,,, ,,,,, ,; ,, ,, , , , , 即, ,, ,, ,, , ,, ,, ,, ,,, , , , ,, ;, ,,, , , , , , , , , , ,,,， , , , ,,, ,,, ,, ,;, ,, ,, ,,， ,,, , , , ,, ,, , , ,, ,,,, , , ,,, , ,, , , , , , , ,, ,,, , ,,, , ,, ,,; ,, , , ,, , ,, , , , , ,; ,, ,,,, ,, , ,,,, ,,, ,, , ,,,, ,; ,,, , ,, , , ,,;, , ,,,, ,, ,,, , ,, , ,, , ,,,, ,, , ,;,, ,, , , ,,, , ,, , , ,,, , , , , , ,, ,, , , , , , , , , , ,,,,, ,,; ,,,, ,,( , ,, , ,, ,, , ,, , ,,,, ,,, ,, , ,,, , ,, ,, ,,, , , , ,,, , ,, , , , , , ,, ,,, ,, ,,,, ,, , ,, ,,,, , ,, ,,,, ,, , , , , , 关键词 ,,( 磁兼容) 屏蔽 屏蔽效能 电 , 电 磁场 波阻抗 ,,,, , ( ; , ,,; ,,,, ，,,, , ,,, , ,, ,, , ,, , , ,, , ,,, ,,, ; ,,,,,) ,, ， ,,,, ,;， , , , , , ,;,, ,,, , ,， , ,, ,( , , , , ,, ,,,, ,; ,, ,, ,, , ; 、概 述 ,,( 磁兼容)的 目前我国 , 电 理论研究突飞猛进，对电磁兼容的含义及学科上的内 ,〕 容也有 了一定程度 的了解。但在进行 ,(工程设计时却存在着比较大的缺 陷，远远不能 , , 达到 , 的理论水平，除了 容技 因为电磁兼 术是一门实践 性非常强的技术外，理论与实 践不能很好的结合是重要原因。设计人员 ,设 , , 在进行 ,, 计时，往往将前人在进行 , 设 计过程中采取的措施不加思素的撅用到自己的设计中，而忽略了对为何采取这些措施的 作者简介:陈京会，男，助理工程师，主要从事电子设备结构设计 田 继华，男，高级工程师。主 要从事电子设备结构设计 ,,, ,, , 通信地址:,,, 武汉 ,, 信箱, 分箱,,卜流分析，不仅造成设计成本的增加，而且没有达到设计初预期的目的，有时甚至会适得其反。本文将从电磁场理论出发，指出屏蔽设计与之的契合 点，结 合 电子 设备的电磁屏蔽设计程序，阐述在具体的设计过程中如何有针对性的进行电磁兼容分析，并提出有效的设 计措施 。 二 、电磁场基 本理论与屏蔽设 计 电磁场理 论 这里只 与,, 提出 ,结构设计有重要关系的其中两个内容: , 功产全和 宕屠孩口 , 理 论 , ,武 场 ，, 理论旧:心 了 , 周洋摆崖狡 侧礴, ; 专 必分莽藏少理质灼邵洋偷时尝产兰反 , 澎 软 下图为电磁波特性图，以电磁 波的波阻抗来表示。波阻抗指电磁波在传输过程中电场与磁场的比值，是反映电磁波特性最重要的参数。 波 阻 抗 瓜场 澎 源 面 平浪 磁场源 , , , , ,: ,, ” ? 近场 远场 入, 卫 到场源 的距离 电屏蔽 从 ,中 图 可以看出近场电场属于高波阻抗场，在近场以电场为主要场源中的金属导体波阻 抗远大于空气波阻抗。而电场的产生是由于两个导 体间存在着不同电位，因此电屏蔽设 的 计的目 就是要尽可能 减少连接导体间的电位差。要提高电屏蔽效能除了选用铝、 导体 铜等良 外， 在进行电屏蔽体的设计时要注意以下几点: ( , 连 接的两导体选用同种 金属材料或电位差尽量 小的金属。 、 连接或搭接面清理干挣，表面涂覆不能影响 机箱或机柜的导, 导体 电连续性。 , 接地。接 、 地使机柜内各 设备机壳与机柜壳体保持电位一致。 , 电屏蔽与 、 屏蔽体的厚 度无关，只需满足机械强度和刚 度。 磁屏蔽 从图 , 近场磁场属于低 可知 波阻抗场，比空气波阻抗小或近似，可 见常用金属很难对磁场波起到反射或衰减的作用， 而且只要存在载流导体 就会产生磁场，因此对磁场进行屏蔽是非常困难的。这从磁屏蔽 效能的定量计算结果中也可看出，比 如在进行磁屏蔽设计中，估算机箱机柜的屏蔽效能可借 用下式: , , , , 一, ,“ ,拐 , , 。 一( , ，, ,, , ( , ,, 〔 , ,)〕 , , 屏蔽体等 :屏 , 蔽体 壁厚 ， :与 容积的等效球半径 上式最大磁屏蔽效能 ( : , 可见， , 值为 。,, 十 。 要提高磁屏蔽体的屏蔽效能主要从 屏蔽体的材料入手，采用磁导 率较高的材料，另 外通过屏蔽体结构形式也能十分有限的 提 高磁屏 蔽效能。因此 材料与结构是在进行磁屏蔽设计时考虑的重点: 、 , 尽可能选用高磁导率 根 的材料。 据实际情况可以 选用铁磁性材料如钢、纯铁、 硅钢、坡莫合金等。 、 , 对屏蔽体进行机加工后必须退火，以 消除机 械应力。机械 应力的存在将很大 率，比 程度的降低材料的磁导 如具有较高磁导率的 坡莫合金机加工后不退火 , 的磁导率仅为退火后的 ,， , 适当增加磁屏蔽体的壁厚或采取多层屏蔽( ， 这样将 提高屏蔽体对磁场波的反 射与衰减作用。 ， , 磁屏蔽与屏蔽体接地与否无关 ，但考虑 到防 场 止电 感应，一 般也要求接地。 磁屏蔽与电 屏蔽存在着一定的局限 性，尤 其是磁屏蔽针对低频或甚低频其屏蔽效果 不好，因此判别关键设备、关 键部件主要场源的 特性是 很重要的。 在实际的设备中，理 想的电场源和磁场源是不存在的，我 们一般把具有高电 压低电流的 元器件看作电场源， 而把低电压高电 流和电感元器件作为磁场源分析。 对于发射和 接收天线，柱状天线作为 电场源，环状天线作为磁场源分析。 电磁屏蔽 从图 , 可知远场电磁波以 抗 ,,欧)传 恒定波阻 (, 播。电磁屏蔽就是主 要针对高频电磁场进行的。 ， 根据理论 , 屏蔽作用的 产生主要是因 为屏蔽体对通过的电 磁波具有反射和吸收损耗作用。 反射损耗和吸收损耗跟电 磁波的频率关 系密切，且反射 损耗与离场源的距离也有 关。下图以铜为例，反映了 反射、吸收损耗与频率、 距离的关系。 反 反 射 射 损 、吸 耗 收 摄 耗 频率 频率 图 , 图 , 图,表明:在近区，电场的 反射损耗大于磁场的反射损耗。在低频，吸收损耗较 小，屏蔽作用以反射损耗为主。到高频端，吸收损耗随着频率的上升迅速增加，反射损 耗却随着频率的上升而下降，因此，高频端的屏蔽效能以吸收损耗为主。不难看出，进乒 越 石 „,一丁 气 ,一 君行电磁屏蔽设计前确定电磁环境与系统设备的主要工作频段能有效的提高电磁屏蔽效能。 源的 图,指出场 性质不同，反射损耗与距离的关系也不同。 从 所以， 这里也可发现，在我们进行结构设计时，首先判别场源的性质是非常重要的。 电磁波的传 输过程中， 除了 材料， 因为屏蔽体本身的物理特性 ( 体积，壁厚等)将产生衰减与损耗外，实际的电子设备出于功能需要，存在许多造成电磁能量泄漏的不利因素 (电源线 、控制线、信 号线等出入孔 和出于操作 、调 节、显示 、通风散热 目的的各种开口 ， 和缝隙，以及设备机箱各部分的连接缝隙等) 这都将一定程度 磁屏蔽设计需了解以下一些内的降低屏蔽体的屏蔽效能。 据上所述，电 容: 、 工 电磁屏蔽主要是阻止高频电磁 场在空间的传播，但在具体结构设计时， 不能 忽略它对高频磁场、高频电场的屏蔽作尾，譬如， 在使用屏蔽衬垫减少缝 隙泄漏时、对衬垫的安装要求不损害连接面的导电 连续性 , 屏蔽体的体积、形式( 、 壁厚对提高屏蔽效能起很大作用。在设计时， 需考虑 这些因素带来的设备机箱重量、占用空间及机械特性 ( 刚度、强度)方面 的负面影响 。 , 对屏蔽体非实心型因素 ( 、 缝隙、孔洞等)进行完善性设计是电磁屏蔽设计最 终成功的关键。 三 、 电磁屏 蔽设计程序 上面分析了屏蔽设计的机理，明确了屏蔽设计的目的和方向。在实际的电磁兼容性结构设计中，很少有一个很大的电场源或磁场源对电子设备进行电磁干扰，往往都是设备处于一种复杂的电磁环境中或者设备本身就是一个复杂的电磁环境。这种复杂的电磁场不仅功率强、频带宽、频谱多样，而且还具有一定的偶然性。因此，我们只对那些比较小型的具有较强电场、磁场发射源或敏感线路的设备进行专门的电屏蔽或磁屏蔽设计，一般 在电磁环境较恶劣的情况下对设备进行 电磁 屏蔽设计 。 电磁屏蔽设计是电 磁兼容 性结构设计的一个重要内容， 也是电子设备结构设计的组成部分。掌握正确的设计程序，是设计成功的前提: 第一步:根据系统、设备环境与兼容要求 提出确保正常 运行所必需的屏蔽效能值，这是进行以下设计的依据。在实际的设计过程中很难估算出该值，可根 据兼容条件中要求的设计指标，把电磁兼容检测极限值作为参考值。 第二步:结合场源 特性和 要求的屏蔽效能值，确定屏蔽设计的 类型。首先必须根据系统特性划分系统关键设备、部件和非关键设 即 备、部件 ( 在设计前 进行合理布局)然后确定进行电屏蔽设计、磁屏蔽设计还是电磁屏蔽设计。如要求的 屏蔽效能值太高，可以考虑进 行双层或 多层屏蔽设计。 第三步:在确定了 , ， 屏,类型后，根据系 统容许的空间和各种屏蔽类型的结构要素(确定屏蔽体的结 ,面提到磁屏蔽和电磁屏蔽的效果都与屏蔽体 , 构形式与主要尺寸 在,? 距场源位置有关，尤其在对近场 屏蔽时，如在具体的结构设计中能有意识的 利用空间距离衰减，就可降低对屏蔽设计的 要求。另外，屏蔽体的设计 要避开谐振频率。 谐振频 率由屏蔽体的腔体尺寸确定。 第四步:考虑到屏蔽体的 其它设计，如抗振缓冲设计所要求的机械 特性 ( 主要是刚度、强度) 效比 ，较高的费 等， 结合第三步，选择屏蔽 体材料， 确定 屏蔽体的壁厚。 第五步:进行屏蔽体的完 善性设计。指利用结 生 构形式、 产工艺条 件和 其它屏蔽材料降低屏蔽体非实心型因素造成 的屏蔽效能值的下降。完善 性屏蔽设计措 施具有很强的实践性，己 料进 经有很多资 行介绍，由 于不是本文的重点就不再赘 述了。 四、 结束语 电磁兼容性结构设计的 初步设计是十分重要的过程。在对显控台、加固机和一些机箱机柜的设计中，由于加强了对电磁屏蔽的理论分析，严格了屏蔽设汁程序，我们在 好电子设备 电磁兼容性结构设计方 面收到了 良 的效果。 因此，在详细的结 构设计前， 从电磁兼容性出发考虑布局，依据电磁屏蔽设计程序进行设计，尤其是重视进行初步设计，一定能起到事半功倍的作用，也是费效比较高的一项措施。 参考文献 ( ,, ,吕仁消 蒋全兴，电磁兼容性结构设计，东南大学 出版社 ，,, ( ,, ,陈穷主编，电磁兼容性工程 设计手册，国防工业出版社 ，,,