EMC基础屏蔽滤波静电防护.docx
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EMC基础屏蔽滤波静电防护
第1讲屏蔽与滤波
.1屏蔽
电磁波是电磁能量的传播的主要形式，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。
因此屏蔽的
作用可分为两个方面：
一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。
由此可见屏蔽的作用是切断
电磁波的传播途径，有效地抑制通过空间传播的电磁干扰，从而消除干扰，是抑制干扰源的有力措施之一。
.1.1屏蔽的分类
屏蔽就是利用磁性材料或者低阻材料铝、铜等制成容器将需要隔离的设备、装置、电路全部包起来。
屏蔽性质的分类，从要屏蔽的电磁场性质来划分，有电场屏
蔽（静电场屏蔽及交变电场屏蔽）、磁场屏蔽（静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽）及电磁场屏蔽（同时存在电场和磁场的辐射电磁场的
屏蔽）等。
从屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽（屏蔽室或屏蔽盒等）、非完整屏蔽体屏蔽（带有孔洞、金属网、波导管及蜂窝结构等）以及编织带屏蔽（电缆等）。
.1.2屏蔽的机理
.1.2.1电场的屏蔽原理
电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。
为分析简洁起见，不妨把电场感应看成是分布电容间的耦合。
在图8-1中，干扰源A和受感应物的电位分别为UA和UB，那么
UA和UB间的关系为：
UB
C1
（8-1）
UA
C1
C2
式中，C1为A、B之间的分布电容；C2为受感应物B的对地
电容。
通过上式可以看出，为了减弱受感应物
B上的电场感应，可
能采用的方法有：
1）增大A、B之间的距离，目的是减少A、B间的分布电容；
2）尽可能使受感应物B贴近接地板，以增大其对地电容；
3）可以在A、B之间插入一块称之为屏蔽板的金属薄板。
下面对金属屏蔽板的作用作一分析，请参阅图8-2所示。
从图8-2可见，插入屏蔽板后，新造就了两个分布电容C3和
C4，其中C3被屏蔽板短路到地，它不会对B点的电场感应产生影
响。
而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容C2和C4实际上
是处于并联的位置上（因为屏蔽板是接地的）。
这样，受感应物B的感应电压UB′应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1′与并联电容C2和C4的分压，即
C1
UA
（8-2）
UB
C1C2
C4
由于C1′远小于未屏蔽时的
C1值，故UB′值要远小于未屏
蔽时的UB值。
因此，采用金属屏蔽体进行电场屏蔽应具备两个条件，即完善的屏蔽及良好的接地。
——2
A
B
A
C1
B
C1
C3
C4
UA
C2
UB
U
S
C2
U
图8-1电场感应示意图图8-2电场屏蔽作用的分析
.1.2.2磁场屏蔽的机理
磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。
首先考察静磁场的情况，不论是由电磁铁或是由直流线圈产生的磁场均在空间散布磁力线或磁通，磁力线所通过的路径称为磁路。
磁力线主要集中在低磁阻的磁路通过。
因此对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合金等。
这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样，磁力线将“封闭”在屏蔽体内，起了磁屏蔽的作用。
对于低频交变磁场，磁屏蔽的机理同静磁屏蔽一样，利用高磁导率材料作屏蔽体，将磁场约束在屏蔽材料内。
为了获得好的磁屏蔽效果，必须保证磁路的畅通，即小的磁阻。
因此，当屏蔽盒需要开狭缝时，狭缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与磁通的方向垂直，否则将影响磁屏蔽的效果。
对于高频磁场，磁屏蔽则依据另一种原理。
高频磁场会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来的磁场；同时增强屏蔽体旁边的磁场，使磁力线绕行而过，从而起到磁屏蔽的作用。
3——
高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。
涡流越大，屏蔽效果越好。
因此，对于高频磁场的屏蔽，应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。
随着频率增大，涡流亦增大，即磁屏蔽效果越好。
但当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁场时，涡流也不再增大，保持一个常值。
此外，由于趋肤效应，涡流只在材料的表面产生。
因此，对于高频磁场，只要很薄的金属材料就足以屏蔽。
.1.2.3电磁场屏蔽的机理
在远场条件下，通常所说的电磁干扰均是电场和磁场同时存在的高频辐射电磁场。
与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同，电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理：
1）当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。
这种反射不要求屏蔽材
料必须有一定厚度，只要求交界面上的不连续。
电磁波到达屏蔽
体表面时产生的能量反射主要是由于介质（空气）与金属的波阻
抗不一致引起的，二者相差愈大，由反射引起的损耗也愈大；而
反射和频率有关，频率愈低，反射愈严重。
2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的
过程中，被屏蔽材料所衰减。
这种物理过程被称为吸收。
电磁波
在穿透屏蔽体时的能量吸收损耗主要是由于涡流引起的。
涡流一
方面产生反电磁场来抵消原干扰磁场，同时产生热损耗，因此，
频率越高，屏蔽体越厚，涡流损耗也越大。
3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，在遇到金属与空气不连续的交界面时，会形成再次反射，并
重新返回屏蔽体内。
这种反射在两个金属的交界面上可能有多次
——4
的反射。
这样看来，高频电磁屏蔽的原理主要依据电磁波到达金属屏蔽体时产生的反射及吸收作用。
.1.3屏蔽的措施
依据屏蔽的机理，可以采取相应的屏蔽措施来抑制不同机理的干扰。
.1.3.1电场屏蔽的措施
1）屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好。
2）形状对屏蔽效能的高低有明显影响。
例如，全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽盒，其屏蔽效能都会受到不同程度的影响。
3）屏蔽板的材料以良导体为好，但对厚度并无要求，只要有足够强度就可以了。
.1.3.2磁场屏蔽的措施
1）选用高导磁率的材料，如坡莫合金；
2）增加屏蔽体的壁厚；
3）以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻；
4）被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通；
5）注意磁屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。
为此，可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小；
5——
6）对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。
对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。
反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料排列次序要倒过来。
在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的磁绝缘。
当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。
若需要接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。
但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发，一般还是要接地的。
.1.4屏蔽材料的特性和选择
.1.4.1屏蔽材料的的特性
对于不同的场的屏蔽，包括电场、磁场和电磁场，它对屏蔽材料的要求是不同的。
不论是吸收损耗，还是反射损耗，都与材
料的相对电导率σr和相对磁导率μr有密切的关系。
鉴于磁性材料
的相对磁导率μ与频率有关，表8-1给出了典型屏蔽材料在
150kHz的值。
表8-1
典型屏蔽材料在150kHz
的电气特性
金属
相对电导率σr
相对磁导率μr
银
1.05
1
铜（退火后）
1.00
1
铜（冷拉）
0.97
1
金
0.70
1
铝
0.61
1
镁
0.38
1
——6
锌
0.29
1
黄铜
0.26
1
镉
0.23
1
镍
0.20
1
磷青铜
0.18
1
铁
0.17
1000
锡
0.15
1
钢SAE1045
0.10
1000
铍
0.10
1
铅
0.08
1
高磁导率镍钢
0.06
80000
莫涅耳合金
0.04
1
μ－合金
0.03
80000
坡莫合金
0.03
80000
不锈钢
0.02
1000
.1.4.2屏蔽材料的选择
选择屏蔽材料的依据是它要能泄放感应电荷和承载足够异相
的电流，以便抵消干扰场的影响。
对材料本身所要考虑的特性是
它的相对电导率和相对磁导率，屏蔽体的厚度和需要衰减的信号
频率也是要考虑的重要因素。
为使屏蔽材料选得恰当，应遵循下列基本规则：
1）在低频时，只有磁性材料才能对磁场起明显的屏蔽作用。
2）对于既定的材料，磁场比电场要有更厚的屏蔽体。
3）在频率较高时，对于同种材料，频率升高以后，所要求的屏蔽层厚度就下降。
7——
4）当频率足够高时，有些金属材料（如铜或铝）不论对电场还是磁场都将起相当大的屏蔽作用。
5）对60Hz～80Hz（即交流电源）的电场分量，用铁、铜、铝和黄铜等导电薄板料就能轻易地达到屏蔽。
.1.4.3影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素
掌握了屏蔽的机理后，可以发现下面的结论对于结构设计是十分重要的。
1）材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差，铁的导磁性很好，但导电性较差。
应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。
2）频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗。
3）反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。
因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用导磁率较高的材料作屏蔽材料。
4）反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小。
5）频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。
6）电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏
蔽的。
尤其是低频（1kHz以下）磁场，很难屏蔽。
对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材
——8
料和高导磁性材料符合起来的材料。
.1.5屏蔽设计
屏蔽效能是电磁波经过屏蔽物时能量被衰减的量。
这里以能量场原理来说明屏蔽效能。
对于传输电磁波而言，屏蔽效能可以用传输线方程来分析。
将平面波考虑为一信号源，从前面入射到一无限大平面薄板上；或将一点信号源封闭在一球形屏蔽体中，或两条平行带电线封闭在一圆筒形屏蔽体中。
屏蔽效能一般随下列因素而变动：
频率、屏蔽物的形状与材料，屏蔽中测量的位置，电磁波的种类，电磁波的入射及极化方向。
通常以S表示屏蔽效能，以E0（H0）表示入射的电、磁场能量，而以E1（H1）表示经过屏蔽物后的电磁场能量，则：
S20logE0
（dB）
（8-3）
E1
或：
S20logH0
（dB）
（8-4）
H1
此外，当电磁波穿过任何金属物时，通常有两类型的损耗，一是吸收损耗，一是反射损耗，因此，屏蔽效能又可写成：
S＝A＋R＋B（dB）（8-5）
式（8-5）中A为吸收损耗，R为反射损耗，B为正或负的修
正项；当A大于15dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波所引起的。
式（8-5）中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数σ和导
9——
磁率μ，频率f（Hz）以及所存在的各种物理参数的函数。
.1.5.1吸收损耗
吸收损耗A不仅取决于σ，μ和f，而且也取决于屏蔽材料的厚度d（cm）。
A（dB）8.48df（8-6）
.1.5.2反射损耗
反射损耗取决于源的电性能和屏蔽体到源之间的距离r（cm）。
低阻抗场（如距离<<λ/2π的环）的反射损耗为：
R20lg0.1820.345f0.354（dB）
f
r
（8-7）
条件为：
f<<2x109Hz
高阻抗场（如距离<<λ/2π的棒）的反射损耗为：
f3
R34620lg（r）（dB）（8-8）
条件为：
f<<2x109Hz
平面波（如距离>>λ/2π的棒或环）的反射损耗为：
f
（8-9）
R16820lg（）（dB）
条件为：
f<<2x109Hz
——10
.1.5.3内部反射修正项
如果A等于或大于15dB，修正项B可以忽略不计。
如果A小于15dB，则必须对因屏蔽材料内部多次反射而造成的影响进行修正。
这个修正项B是复杂的，因为它取决于材料、尺寸和频率参数。
通常为：
B20lg[110（A/10）
（cos0.23Asin0.23）]（dB）
（8-10）
.1.6机柜（或屏蔽盒）之屏蔽
前面的讨论中，都把电磁屏蔽体看成是一个全封闭的屏蔽体，亦即它在电气上是连续均匀的，没有孔隙的屏蔽体。
但在实际的
机箱和屏蔽盒结构设计中，这种屏蔽体并不存在，因为机箱通常都有电源线和控制线的引入和引出，在面板部分还有操作键、显示屏的开孔，后面板上还有通风孔等等，所以实际机箱在电气上并不连续，而电气不连续的机箱会降低其屏蔽效能。
下面是对机箱（或屏蔽盒）设计中的一些基本做法：
.1.6.1结构材料
1）适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射而不是吸收。
2）对磁场的屏蔽需用铁磁材料，如高导磁率合金和铁。
主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。
3）在强电磁场环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。
屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。
4）对于塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。
11——
5）必须尽量减少结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。
提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在接合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距等。
.1.6.2搭接
1）在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。
最坏的电搭接对壳体的屏蔽效能起决定性作用。
2）保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。
3）在可能的情况下，接缝应焊接。
在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。
4）在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的1％波长，至少不大于1/20波长。
5）用螺钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲。
6）保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面接触。
7）在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。
8）选择高导电率和弹性好的衬垫。
选择衬垫时要考虑接合处所使用的频率。
9）选择硬韧材料做成的衬垫，以便划破金属上的任何表面。
10）保证同衬垫配合的金属表面没有非导电保护层。
11）当需要活动接触时，使用指形压簧（而不用网状衬垫），并要注意保持弹性指簧的压力。
12）导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。
——12
纯银填料的橡胶或线形衬垫将出现最严重的电化腐蚀。
银镀铝填料的导电胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。
表8-2是按优先等级排列的各种衬垫。
表8-2按优先等级排列的各种衬垫
优先
衬垫种类
等级
金属网射频衬
1垫
2铜镀合金
3导电橡胶
导电蒙布、
4泡沫衬垫
备注
容易变形，压力为1.4kg/cm时，衰减为54dB。
资料表明，频率较低时衰减最大。
用于永久密封较好，不适用于开与关的面板。
有很高的导电性和很好的抗腐蚀性能。
弹性好，最适合用于和活动面板配合。
可制成指形条、
螺旋和锯齿面。
衰减性能常超过100dB。
适用于只需名义上连接和少量螺钉的地方。
实
现水汽密封和电气密封经150℃、48小时老化后，体电阻率为10~20mΩ/cm（max）。
变形度限制值为25%。
资料表明，频率较高时衰减为最大。
在泡沫塑料上蒙一块镀银编织物，形成一个软衬垫，占去大部分疏松空间，主要为民用，适用于机柜和门板。
.1.6.3穿透和开口
1）要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。
典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低
30dB
以上。
2）电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。
滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一隔舱。
3）信号线、控制线进入/穿出机壳时，要通过适当的滤波器。
13——
具有滤波插针的多芯连接器（插座）适于这种场合使用。
4）穿过屏蔽体的金属控制轴，应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。
也可不用接地的金属轴，而用其它轴贯穿波导截止频率比工作频率高的圆管来作控制轴。
5）必须注意在截止波导孔内贯通波导金属轴或导线时会严重降低屏蔽效能。
6）当要求使用对地绝缘的金属控制轴时，可用短的隐性控制轴，不调节时，用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。
7）为保险丝、插孔等加金属帽。
8）用导电衬垫和垫圈、螺母等实现钮子开关防泄漏安装。
9）在屏蔽、通风和强度要求高而重量不苛刻时，用蜂窝板屏蔽通风口，最好用焊接方式保持线连接，防止泄漏。
10）尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容滤波。
11）在不能从后面屏蔽指示器/显示器和对引线滤波时，要用
与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器/显示器的前面。
对夹金属丝的屏蔽玻璃，在保持合理的透光度
条件下，对30~1000MHz的屏蔽效能一般可达50~110dB。
在透明塑料或玻璃上镀透明导电膜，其屏蔽效果一般不
大于20dB。
但后者可消除观察窗上的静电积累，在仪器上常用。
——14
.2滤波
实践表明，即使一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会有传导骚扰发射或传导骚扰进入设备。
滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰滤除。
滤波就是利用滤波器将不需要的信号去除。
而就电性上言，所谓滤波器是集中或分散之定值电阻、电感以及电容在不同组合下之线路，其目的是让需要的信号顺利通过，而阻止其它不需要的信号进入线路、装备或系统中。
所以就传导性的干扰而言，滤波器具有极大的功能。
.2.1滤波器的特性
滤波器的特性一般包括有插入损耗、频率特性、阻抗匹配、额定的电压及电流值、绝缘电阻值、物理尺寸及重量、使用之环境以及本身之可靠性。
所谓插入损耗是在装置滤波器前后负载端所接收能量之差异；以算式表示：
IL20LogE1/E2
式中E1是线路中装置滤波器后之输出电压；E2则是线路中
未装置滤波器时之输出电压。
频率特性是在装置滤波器时插入损耗与频率之对应值。
故若要该特性曲线之斜率大，则应装置大量数值准确的元件，简单的说应采用价格高（即高品质）之滤波器。
阻抗匹配包括信号源与负载之阻抗，若两者均为未知者，或
15——
变动较大，则应将滤波器固定与某一阻抗，以求较稳定的效果。
要使滤波器有最佳的衰减性能，滤波器端接的阻抗应使滤波
器在严重失配的状态下工作，失配越厉害，实现的衰减越理想，
得到的插入损耗特性就越好。
也就是说，如果噪音源内阻是低阻
抗的，则与之对接的滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量
很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则滤波器的输入
阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。
电压使用的容许范围应涵盖所有可能的运作，尤其应特别重视较大的电压变动及脉冲存在的情况；否则，超过容许范围的电压会损及滤波器中的电容及电阻。
制订额定电流时应考虑连续运作时的最大值，否则将损及其中的电感及电阻。
此外，额定电流量应配合线路上所使用的保险丝、断路器以及导线的允许值。
使用于滤波器上的安全系数应与线路上其它元件相配合，以避免造成安全上或价格上的困扰。
由于滤波器本身的使用年限相当长，因此其绝缘电阻应能满足所有正常运作的情况。
在选购滤波器时应仔细查询制造商，以求得最佳的尺寸、重量来配合整个线路。
滤波器在可能使用环境中温度的考虑也很重要。
通常用于军
用装备中的温度范围为-65℃至＋85℃；而商用及工业用的温度范围则较小。
滤波器的本身应有较高的可靠性，以免增加故障排除时困扰。
.2.2滤波器的种类
由于滤波器使用的场合不同，因此有不同线路元件所组成的
滤波器。
在分类上有依功能分者，如高频通滤波器、低频通滤波
器等；又有以元件及线路架构的不同分类者，如T型、L型、π
——16
型等滤波器。
然而不论如何，都有一个不变的通则：
高值串联阻
抗与低值并联阻抗用于被衰减的频段；而低值串联阻抗与高值并
联阻抗用于所需的频段。
此外，大部分的滤波器均由电容、电感
以及阻抗所组合而成。
现以线路架构着眼来简述几种类型的滤波器：
1）T型滤波器一般用于信号源及负载的阻抗值均小（通常小于50欧姆）；
2）π型滤波器则用于信号源及负载的阻抗值较高的场合；
3）L型滤波器用于阻抗不对称的情况。
上述各型滤波器的线路示意图如图8-3所示：
图8-3不同线路组合的滤波器
此外，就低频通滤波器而言，上述各型滤波器的插入损耗分别为（假定RS＝RL以简化算式）：
17——
L
3
2
C
CR
2
IL10Log1
2LC
dB
2
L
R
2R
2
T型
π型
3
2
2
2
IL10Log1
2LC
L
LCR
CRdB
2R
2
2
L
2
2
2LC
CR
IL10Log
R
dB
4
IL10Log1F2dB
L型
对于电容式滤波器其插入损耗为：
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