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問

什么是靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽？

答

總所周知，電磁屏蔽是抑制干擾，增強設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段，合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備，而靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場屏蔽，都屬于電磁屏蔽，這三種屏蔽的目的都是防止外界的電磁場進入到某個需要保護的區(qū)域中，原理都是利用屏蔽對外場的感應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)來抵消外場的影響，但是由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對屏蔽殼材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

什么是靜電屏蔽？
靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場進入需要保護的某個區(qū)域。靜電屏蔽依據(jù)的原理是：在外界靜電場的作用下導(dǎo)體表面電荷將重新分布，直到導(dǎo)體內(nèi)部總場強處處為零為止。接地的封閉金屬殼是一種良好的靜電屏蔽裝置。如圖所示，接地的封閉金屬殼把空間分割成殼內(nèi)和殼外兩個區(qū)域，金屬殼維持在零電位。根據(jù)靜電場的唯一性定理，可以證明：金屬殼內(nèi)的電場僅由殼內(nèi)的帶電體和殼的電位所確定，與殼外的電荷分布無關(guān)。當(dāng)殼外電荷分布變化時，殼層外表面上的電荷分布隨之變化，以保證殼內(nèi)電場分布不變。因此，金屬殼對內(nèi)部區(qū)域具有屏蔽作用。殼外的電場僅由殼外的帶電體和金屬殼的電位以及無限遠處的電位所確定，與殼內(nèi)電荷分布無關(guān)。當(dāng)殼內(nèi)電荷分布改變時，殼層內(nèi)表面的電荷分布隨之變化，以保證殼外電場分布不變。因此，接地的金屬殼對外部區(qū)域也具有屏蔽作用。在靜電屏蔽中，金屬殼接地是十分重要的。當(dāng)殼內(nèi)或殼外區(qū)域中的電荷分布變化時，通過接地線，電荷在殼層外表面和大地之間重新分布，以保證殼層電勢恒定。從物理圖像上看，因為在靜電平衡時，金屬內(nèi)部不存在電場，殼內(nèi)外的電場線被金屬隔斷，彼此無聯(lián)系，因此，導(dǎo)體殼有隔離殼內(nèi)外靜電相互作用的效應(yīng)。

如果金屬殼未完全封閉，殼上開有孔或縫，也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實際應(yīng)用中，靜電屏蔽裝置常常是用金屬絲編織成的金屬網(wǎng)代替閉合的金屬殼，即使一塊金屬板，一根金屬線，亦有一定的靜電屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金屬殼。在外電場的作用下，電荷在導(dǎo)體上的重新分布，在10－19秒數(shù)量級時間內(nèi)就可完成，因此對低頻變化的電場，導(dǎo)體上的電荷有足夠長的時間來保證內(nèi)部場強為零．所以靜電屏蔽裝置對緩慢變化的電場也有屏蔽作用。為了提高對變化電場的屏蔽效果，屏蔽物的電導(dǎo)率應(yīng)大，接地線要短，與地的接觸要良好。
身穿高壓作業(yè)服的人，由于被銅絲編織的衣服所包裹，人體內(nèi)的場強保持為零，因此沒有電流從人體中流過，人體是安全的。不過在作業(yè)者剛剛接觸高壓線的一瞬間高壓服上的電荷有一個瞬時分布的過程，在這極小的時間內(nèi)人體會有短暫的微弱電場作用，一般作業(yè)者都能經(jīng)受住這考驗。靜電屏蔽的特點是一般只考慮到對靜電場的屏蔽，封閉導(dǎo)體的屏蔽作用是完全的（即內(nèi)部場強可達到真正等于零），對屏壁殼的厚度和電導(dǎo)率也無要求。只有在把低頻交流電場的屏蔽包括在靜電屏蔽中時，總是希望屏蔽殼的電導(dǎo)率愈高愈好。

什么是靜磁屏蔽？
靜磁屏蔽的目的是防止外界的靜磁場和低頻電流的磁場進入到某個需要保護的區(qū)域，這時必須用磁性介質(zhì)做外殼。靜磁屏蔽依據(jù)的原理可借助并聯(lián)磁路的概念來說明。把一高磁導(dǎo)率的材料制成的球殼放在外磁場中，則鐵殼壁與空腔中的空氣可以看成是并聯(lián)的磁路。由于空氣的磁導(dǎo)率接近于1，而鐵殼的磁導(dǎo)率至少有幾千，所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大的多。這樣一來，外磁場的磁感應(yīng)通量中絕大部分將沿著鐵殼壁內(nèi)“通過”，“進入”空腔內(nèi)部的磁通量是很少的，這就達到了磁屏蔽的目的。

外殼的厚度和磁導(dǎo)率對屏蔽效果有很明顯的影響：外殼越厚、磁導(dǎo)率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和體積受到限制的情況下，常常采用磁導(dǎo)率高達幾萬的坡莫合金來做屏蔽殼，而且殼的各個部分要盡量結(jié)合緊密，使磁路暢通。如果要制造絕對的“靜磁真空”，則可以利用超導(dǎo)體的“邁斯納效應(yīng)”。即將一塊超導(dǎo)體放在外磁場中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強度永遠為零。超導(dǎo)體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但目前還不能普遍應(yīng)用。

什么是高頻電磁場屏蔽？
高頻電磁場屏蔽是防止外界的高頻電磁場進入到某個區(qū)域。由于電磁場的變化頻率很高（例如百萬赫茲或更高），場中導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷已不能再看作靜止的了（導(dǎo)體不再處于靜電平衡狀態(tài)），因此必須用電磁波在導(dǎo)體中的“貫穿深度”來說明屏蔽的原理：當(dāng)高頻電磁波射向一導(dǎo)體表面，并進入表面后，它會在導(dǎo)體中感應(yīng)出一個高頻交變電流，此電流會激發(fā)一個新的電磁波，新激發(fā)的電磁波在導(dǎo)體內(nèi)部與入射的電磁波相位相反、同時導(dǎo)體內(nèi)電流的產(chǎn)生還導(dǎo)致入射波場能的消耗，結(jié)果使得導(dǎo)體內(nèi)部總的電磁場基本上隨深度呈指數(shù)衰減，可以用“貫穿深度”來表示衰減的程度。
“貫穿深度”與入射電磁波的頻率、導(dǎo)體的電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率都有關(guān)系：頻率越高、電導(dǎo)率越大、磁導(dǎo)率越大“貫穿深度”就越小。當(dāng)殼罩壁的厚度大于貫穿深度時，殼罩就具有良好的電磁屏蔽作用。高電導(dǎo)率或高磁導(dǎo)率材料制成的殼罩是一種良好的電磁屏蔽裝置。提高殼罩材料的電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率，增加殼壁的厚度，可以提高電磁屏蔽的效果。

像鋁、鋼、鐵這樣的金屬，1兆赫左右的電磁波在其中的“透入深度”約百分之幾毫米，所以這些金屬只要一張紙那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的電磁波，尤其是鐵，因為它的磁導(dǎo)率很高，故屏蔽效果特別好。如在收音機中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界電磁場的干擾從而避免雜音。
音頻饋線用屏蔽線也是這個道理，示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備。高電導(dǎo)率材料制成的屏蔽物對低頻磁場的屏蔽效果比較差。例如，在工頻50赫時，銅的貫穿深度約為9.4毫米，薄壁銅殼的屏蔽作用很小。在實際應(yīng)用中，常采用靜磁屏蔽措施來屏蔽低頻磁場。電磁屏蔽物接地后也可以屏蔽靜電干擾。電磁屏蔽物上不能隨意開縫，因為電磁屏蔽還利用了渦電流的作用，若縫隙割斷了渦電流的通路，屏蔽效果要降低。

電屏蔽、磁屏蔽的原理：
“電屏蔽”的實質(zhì)是減小兩個設(shè)備（或兩個電路、組件、元件）間電場感應(yīng)的影響。電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產(chǎn)生的干擾終止于由良導(dǎo)體制成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導(dǎo)體做為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個關(guān)鍵因素。
“磁屏蔽”的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場進行分流，因而選擇鋼、鐵、坡莫合金等高磁導(dǎo)率的材料和設(shè)計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關(guān)鍵因素。
“電磁屏蔽”的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場，即同時屏蔽場源所產(chǎn)生的電場和磁場分量。由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關(guān)鍵的控制要素。
電磁屏蔽和靜電屏蔽有相同點也有不同點，相同點是都應(yīng)用高電導(dǎo)率的金屬材料來制作；不同點是靜電屏蔽只能消除電容耦合，防止靜電感應(yīng)，屏蔽必須接地。而電磁屏蔽是使電磁場只能透入屏蔽體一薄層，借渦流消除電磁場的干擾，這種屏蔽體可不接地。但因用作電磁屏蔽的導(dǎo)體增加了靜電耦合，因此即使只進行電磁屏蔽，也還是接地為好，這樣電磁屏蔽也同時起靜電屏蔽作用。

電磁屏蔽的材料參數(shù)
因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面衰減到表面值的1/e（約36.8％）處的厚度稱為趨膚厚度（又稱透入深度），用d表示，有其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。若電視頻率f=100MHz，對銅導(dǎo)體（σ=5.8×107／·m，μ≈μo＝4π×10-7H／m）可求出d=0．00667mm?？梢娏紝?dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著。如果是鐵（σ＝107／·m）則d=0.016mm。如果是鋁（σ＝3.54×107／·m）則d＝0.0085mm。
為了得到有效的屏蔽作用，屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內(nèi)部的電磁波波長（λ=2πd）。如在收音機中，若f＝500kHz，則在銅中d＝0.094mm（λ=0.59mm）。在鋁中d＝0.12mm（λ=0.75mm）。所以在收音機中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果。
因為電視頻率更高，透入深度更小些，所需屏蔽層厚度可更薄些，如果考慮機械強度，要有必要的厚度。在高頻時，由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大，從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降，故一般不采用高磁導(dǎo)率的磁屏蔽，而采用高電導(dǎo)率的材料做電磁屏蔽。在電磁材料中，因趨膚電流是渦電流，故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽。
在工頻（50Hz）時，銅中的d＝9.45mm，鋁中的d＝11.67mm。顯然，采用銅、鋁已很不適宜了，如用鐵，則d＝0.172mm，這時應(yīng)采用鐵磁材料。因為在鐵磁材料中電磁場衰減比銅、鋁中大得多。又因是低頻，無需考慮Q值問題?？梢?，在低頻情況下，電磁屏蔽就轉(zhuǎn)化為靜磁屏蔽。

電磁屏蔽的技術(shù)要求
電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。
（1）屏蔽一般分為兩種類型：
一類是靜電屏蔽，主要用于防治靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。靜電屏蔽應(yīng)具有兩個基本要點，即完善的屏蔽體和良好的接地。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，對屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。因而為了滿足電磁兼容性要求，常常用高導(dǎo)電性的材料作為屏蔽材料，如銅板、銅箔、鋁板、鋁箔、鋼板或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層。
（2）在實際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于機箱的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。
機箱上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。穿過機箱的電纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。解決機箱縫隙電磁泄漏的方式是在縫隙處用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導(dǎo)電連續(xù)性。常見的電磁密封襯墊有導(dǎo)電橡膠、雙重導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊、定向金屬導(dǎo)電橡膠等。機箱上開口的電磁泄漏與開口的形狀、輻射源的特性和輻射源到開口處的距離有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計開口尺寸和輻射源到開口的距離能夠改善屏蔽效能的要求。通風(fēng)口可使用穿孔金屬板，只要孔的直徑足夠小，就能夠達到所要求的屏蔽效能。

（3）通風(fēng)量的要求高時，必須使用截止波導(dǎo)通風(fēng)板（蜂窩板），否則不能兼顧屏蔽和通風(fēng)量的要求。
如果對屏蔽要求不高，并且環(huán)境條件較好，可以使用鋁箔制成的蜂窩板。這種產(chǎn)品的價格低，但強度差，容易損壞。如果對屏蔽的要求高，或環(huán)境惡劣（如軍用環(huán)境），則要使用銅制或鋼制蜂窩板，這種產(chǎn)品各方面性能優(yōu)越，但價格高昂。諸如計算機顯示屏等，即要滿足視覺需要，又要滿足防電磁泄漏要求。通常在顯示屏前加裝高性能屏蔽視窗。屏蔽機箱上絕不允許有導(dǎo)線直接穿過。
（4）當(dāng)導(dǎo)線必須穿過機箱時，一定要使用適當(dāng)?shù)臑V波器，或?qū)?dǎo)線進行適當(dāng)?shù)钠帘巍?br /> 干擾抑制濾波技術(shù)濾波技術(shù)的基本用途是選擇信號和抑制干擾，為實現(xiàn)這兩大功能而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)都稱為濾波器。通常按功用可把濾波器分為信號選擇濾波器和電磁干擾(EMI)濾波器兩大類。信號選擇濾波器是以有效去除不需要的信號分量，同時是對被選擇信號的幅度相位影響最小的濾波器。電磁干擾濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標(biāo)的濾波器。電磁干擾濾波器常常又分為信號線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等幾類。線路板上的導(dǎo)線是最有效的接收和輻射天線，由于導(dǎo)線的存在，往往會使線路板上產(chǎn)生過強的電磁輻射。
（5）同時，這些導(dǎo)線又能接受外部的電磁干擾，使電路對干擾很敏感。
在導(dǎo)線上使用信號濾波器是一個解決高頻電磁干擾輻射和接收很有效的方法。脈沖信號的高頻成分很豐富，這些高頻成分可以借助導(dǎo)線輻射，使線路板的輻射超標(biāo)。信號濾波器的使用可使脈沖信號的高頻成分大大減少，由于高頻信號的輻射效率較高，這個高頻成分的減少，線路板的輻射將大大改善。

答

電磁屏蔽的材料參數(shù)
因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面衰減到表面值的1/e（約36.8％）處的厚度稱為趨膚厚度（又稱透入深度），用d表示，有其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。若電視頻率f=100MHz，對銅導(dǎo)體（σ=5.8×107／·m，μ≈μo＝4π×10-7H／m）可求出d=0．00667mm。可見良導(dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著。如果是鐵（σ＝107／·m）則d=0.016mm。如果是鋁（σ＝3.54×107／·m）則d＝0.0085mm。
為了得到有效的屏蔽作用，屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內(nèi)部的電磁波波長（λ=2πd）。如在收音機中，若f＝500kHz，則在銅中d＝0.094mm（λ=0.59mm）。在鋁中d＝0.12mm（λ=0.75mm）。所以在收音機中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果。
因為電視頻率更高，透入深度更小些，所需屏蔽層厚度可更薄些，如果考慮機械強度，要有必要的厚度。在高頻時，由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大，從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降，故一般不采用高磁導(dǎo)率的磁屏蔽，而采用高電導(dǎo)率的材料做電磁屏蔽。在電磁材料中，因趨膚電流是渦電流，故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽。
在工頻（50Hz）時，銅中的d＝9.45mm，鋁中的d＝11.67mm。顯然，采用銅、鋁已很不適宜了，如用鐵，則d＝0.172mm，這時應(yīng)采用鐵磁材料。因為在鐵磁材料中電磁場衰減比銅、鋁中大得多。又因是低頻，無需考慮Q值問題。可見，在低頻情況下，電磁屏蔽就轉(zhuǎn)化為靜磁屏蔽。