EMC电磁屏蔽材料设计者指南.docx
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EMC电磁屏蔽材料设计者指南
ＥＭＣ电磁屏蔽材料设计者指南——连载
（一）
１、ＥＭＣ设计的紧迫性
本章讲解ＥＭＣ设计的紧迫性，为本书重点介绍实际技术提供背景。
首先简单介绍ＥＭＣ符合性测试的要求，然后介绍相关的法规和标准。
最后复习一下电磁屏蔽的理论，以为读者提供足够的知识来选择适当的屏蔽技术。
什么是电磁兼容性？
电磁兼容是一台设备在所处的环境中能满意地工作的能力，它既不对其它设备造成干扰，也不受其它干扰源的影响。
干扰的定义是能引起误动作或性能下降的电磁能量，今后我们称为ＥＭＩ。
任何一个电磁能量会产生扩散的球面波，这种波在所有方向上传播。
在任何一点，这种波包含相互垂直的电场分量和磁场分量，这两种分量都垂直于波的传播方向。
这种情况如图１－１所示。
虽然如图１－２所示的频谱中的任何频率的都能引起干扰，但主要问题是由１０ＫＨz～１ＧＨz范围内的射频能量引起的。
射频干扰（ＲＦＩ）是电磁干扰的一种特殊形式，光、热和Ｘ射线是电磁能量的其它特殊形式。
图1-1电磁场
图1-2电磁谱
电磁干扰需要两个基本条件：
电磁能量源和对这个源产生的特定幅度、频率的能量敏感的器件，称为敏感器。
表１－１给出了一些常见的源和敏感器。
另外，在源和敏感器之间还需要传播路径来传输能量。
电磁干扰屏蔽通常改变电磁能量传播路径来达到的。
表1.1电磁干扰源和敏感器
电磁干扰源
电磁干扰敏感器
电视和广播
航空导航系统
等幅波发射机
微处理器
电气马达
高保真设备
遥控单元
计算机
电焊装置
等幅波接收机
电气设备
心脏起搏器
发动机点火系统
电子测量设备
雷达发射机
广播和电视接收机
电动工具
电子车库门
电磁干扰分为两类：
辐射干扰和传导干扰，这是由传播路径的类型来定的。
当一个器件发射的能量，通常是射频能量，通过空间到达敏感器时，称为辐射干扰。
干扰源既可以是受干扰系统中的一部分，也可以是完全电气隔离的单元。
传导干扰的产生是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接，干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元。
传导干扰经常会影响设备的电源，这可以通过滤波器来控制。
辐射干扰能影响设备中的任何信号路径，其屏蔽有较大难度。
辐射电磁能量成为电磁干扰的机理可以由法拉第定律来解释。
这个定律表明当一个变化的电场作用于一个导体时，在这个导体上会感应出电流。
这个电流与工作电流无关，但是电路会象与工作电流一样来接收这个电流并发生响应。
换句话说，随机的射频信号能够向计算机发出指令，使程序发生变化。
技术驱动力
有许多因素使ＥＭＣ成为电子设备设计中重要的内容。
首先，日益增多的电子设备带来了许多电磁干扰源和敏感器，这增加了潜在的干扰。
设备的小型化使源与敏感器靠得很近。
这使传播路径缩短，增加了干扰的机会。
器件的小型化增加了它们对干扰的敏感度。
由于设备越来越小并且便于携带，象汽车电话、膝上计算机等设备随处可用，而不一定局限于办公室那样的受控环境。
这也带来了兼容性问题。
例如，许多汽车装有包括防抱死控制系统在内的大量的电子电路，如果汽车电话与这个控制系统不兼容，则会引起误动作。
互联技术的发展降低了电磁干扰的阈值。
例如，大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限，而它们精细的几何尺寸的较低的电平下就受到电弧损坏。
它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲，这会带来从Ｉ／Ｏ端口产生宽带发射的问题。
一般来说，高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰。
传统上，电子线路装在金属盒内，这种金属盒能够通过切断电磁能量的传插路径来提供屏蔽作用。
现在，为了减轻重量、降低成本，越来越多地采用塑料机箱。
塑料机箱对与电磁干扰是透明的，因此敏感器件处于无保护的状态。
法律的变化也是驱动力支一。
控制电磁发射和敏感度的强制标准的实施，迫使制造商们实施ＥＭＣ计划。
产品可靠性的法规将使可靠性成为头等重要的事项，因为一旦设备由于干扰而产生误动作造成伤害，制造商要承担法律责任。
这对于医疗设备特别重要。
在竞争日益激烈的工业中，可靠性已经成为电子设备的一个重要市场特征。
自动化设备，特别是医疗设备，必须连续工作，这时设备内的ＥＭＩ屏蔽技术提高了设备的可靠性。
对于数据保密的要求是屏蔽市场发展的一个重要动力。
已有报道揭露美国驻莫斯科使追究中的信息已被前苏联窃取到，这是通过接收使馆内设备产生的电磁能量来实现的。
同样的技术也被用来截获密码，然后攻击银行计算机系统。
通过屏蔽，设备的电磁发射能够减小，提高系统的安全性。
现在，人们越来越开始注意各种辐射对健康的影响。
过量的Ｘ射线和紫外线照射的危险已经被充分证明了。
现在讨论的焦点是微波和射频显示单元产生的辐射对妇女健康的伤害，因为已经有充分的证据说明在高压线附近生活会患疾病。
法规和标准
对于设备工程师，了解不同市场中对电子设备的ＥＭＣ法规和标准的知识是十分必要的。
现在有许多关于产品辐射和传导发射限制的国家标准和国际标准。
有些还规定了对各种干扰的最低敏感度要求。
通常，对于不同类型的电子设备有不同的标准。
表１.２给出了一些电子设备的标准。
虽然一个产品要获得市场的成功，满足这些标准是必要的，但符合这些标准是自愿的。
但是，有些国家给出的是规范，而不是标准，因此要在这些国家销售产品，符合标准是强制性的。
有些规范不仅规定了标准，还赋予当局罚没不符合产品的权力。
下面几节简单概述一下一些主要的管理机构的电磁兼容标准。
表1.2与电磁干扰和兼容相关的标准
标题
国际标准
欧洲标准
英国标准
工业、科学和医疗射频设备射频干扰特性的测量方法和极限值
CISPR11
EN55011
BS4809
汽车、机动船和火花塞点火发动机驱动设备的射频干扰特性测量方法和极限值
CISPR12
EN55012
S833
声音和电视接收机的射频干扰特性的测量方法和极限值
CISPR13
EN55013
BS905
第一部分
家用电器和便携式工具射频干扰特性测量方法和极限值
CISPR14
EN55014
BS800
荧光灯和照明设备的射频干扰性测量方法和极限值
CISPR15
EN55015
BS5394
射频干扰测量装置和测量方法的规范
CISPR16
EN55016
BS727
声音和电视广播接收机敏感度的测量
CISPR20
EN55020
BS905
第二部分
信息技术设备的射频干扰特性测量方法和极限值
CISPR22
EN55022
BS6527
家用电器和类似电气设备引起的电源干扰
IEC555
第1-3部分
EN60555
BS5406
工业过程测量恶化控制设备的电磁兼容性
IEC801
第1-3部分
HD481
BS6667
第1-3部分
国际
ＣＩＳＰＲ是国际电工委员会（ＩＥＣ）的一个分委会，它成立于１９３４年，那时射频干扰问题开始出现。
这是编制防止无线电干扰标准的第一个国际化联合组织。
ＣＩＳＰＲ没有编制法律或发布法规的机构。
它所推荐的标准，只有当个别成员国采取适当的行动时，才能成为法律。
ＣＩＳＰＲ２２中推荐的针对信息技术设备的传导和辐射发射要求构成了许多主要国家标准的基础。
不幸的是，有些国家在将这些推荐标准作为国家标准时，进行了调整，这造成了不同国家的要求之间的差异。
美国
联邦通信委员会（ＦＣＣ）是负责频率管理和干扰控制的政府机构。
ＦＣＣ有覆盖多种设备发射限制的规范。
ＦＣＣ纲要第２０７８０号，第１５部分，第Ｊ分部适用于所有的数字设备。
这些ＦＣＣ规范给出了两个不同的发射极限值。
哪一个极限值适用取决于设备在什么环境中使用。
Ａ级设备被设计成在商业或工业环境中使用。
更严格一引进的Ｂ级适用于在家庭或居民工内使用的设备。
ＦＣＣ没有规定屏蔽效能值，而规定了射频发射值。
表１.３给出了Ａ级和Ｂ级和辐射发射极限值，表１.４给出了传导发射极限值。
所有在美国国内使用的设备必须满足ＦＣＣ规范。
虽然ＦＣＣ的大部分强制性要求在第１５部分，第１８部分也与ＥＭＣ有关。
第１８部分也与ＥＭＣ有关，第１８部分中有关于用于工业、科学和医疗目的的射频发生设备的管理条例。
它规定了在一些频率点上允许的最大幅射值和１０ＫＨz至２４５ＧＨz频段内这类设备可以使用的频段。
表1.3FCC辐射干扰极限值
表1.4FCC传导发射干扰极限值
频率范围，MHz
场强（μV/m）
A级30m
B级3m
30-88
30
100
88-216
50
150
216-1000
70
200
频率范围，MHz
射频电压（μV）
A级
B级
0.45-1.6
1000
250
1.6-30
3000
250
德国
德国的关于干扰控制的法规是基于ＶＤＥ制定的标准。
相关的标准ＶＤＥ０８７１覆盖了所的产生或处理射频能量的设备。
这些极限值不仅适用于所有种类的计算和数字设备，还适用于工业、科学和医疗设备。
唯一的限制是设备产生的基频高于１０ＫＨz。
对于数字设备的要求与ＦＣＣ规定的相似，但是频率范围更宽，低频拓宽到１０ＫＨz。
极限值也分为Ａ级和Ｂ级，更严格的Ｂ级适用于通用的用途。
Ａ级限于需要特殊安装的设备。
ＶＤＥ关于辐射和传导的极限值在表１.５和表１.6中给出。
符合ＶＤＥ０８７１是强制性的，并由德国邮电部执行。
表１.５ＶＤＥ辐射干扰极限值
表１.6ＶＤＥ传导发射干扰极限值
频率范围，MHz
场强（μV/m）
A级100m
B级30m
0.01-0.15
34
34
30米
10米
0.15-30
34
34
30米
10米
30-41
54
34
41-68
29.5
34
68-174
54
34
174-230
29.5
34
230-470
54
34
470-760
45
46
760-1000
59-57
46
频率范围，MHz
射频电压（μV）
A级
B级
0.01-0.15
91-69.5
79-57.5
0.15-0.5
66
54
0.5-30
60
48
英国
从表１.2中可以看出，英国标准协会发布了好几个关于ＥＭＩ的标准。
应用最多的是ＢＳ６５２７关于数据处理和电子办公设备产生的乱真信号的极限值和测量方法。
这个标准的范围和内容与ＣＩＳＰＲ２２相同，尽管它们的标题不同。
覆盖于０.１５～３０ＭＨz频率范围的Ａ级要求适用于商业和工业场合的应用，更严格的Ｂ级极限值适用于住宅区中使用的设备。
两级都包含准峰值和平均测量的要求。
两级的极限值数值是相同的，严格度是通过将测量距离从３０米减小到１０米来实现的。
表１.7给出了推荐的辐射场强极限值。
表１.8给出传导发射的电压极限值。
表１.７６２５７辐射干扰极限值
表１.８ＢＳ６２５７传导发射干扰极限值
频率范围，MHz
场强（μV/m）
A级30m
B级10m
30-230
30
30
230-1000
37
37
频率范围，MHz
射频电压（μV）
A级
B级
准峰值
平均值
准峰值
平均值
0.15-0.5
79
66
66减到56
56减到46
0.5-5
73
60
56
46
5-30
73
60
60
50
欧洲经济共同体
为了在欧共体内实现单一的ＥＭＣ标准，以适应１９９２实行的单一欧洲市场，欧洲委员会推行了欧共指令８９／３３６／ＥＥＣ，它要求成员对所有的电子装置的电磁兼容性法规化。
法规必须包含干扰和敏感度两个方面。
这个指令中定义的“装置”包括所有电气、电子应用设备以及配套的电气、电子器件。
例外情况是出现在其它包含ＥＭＣ要求的指令中的装置。
目前，这种例外包括机动车点火系统和某些电度表。
另外，不是用于商业目的的业余无线电装置也属于例外。
这个法规不仅适用于设备的新设计，也适用于指令实施后继续生产的已有设计。
欧洲委员会已经责成ＣＥＮＥＬＥＣ，电工标准化欧洲组织，制定欧洲标准（ＥＮ）。
成员国必须将这些标准与国家标准等同使用，任何矛盾的标准必须撤除。
ＣＥＮＥＬＥＣ ＥＮ可以在ＩＥＣ或ＣＩＳＰＲ标准的基础上应用，但不一定要与它们等同。
制造商有两种方法来证明符合这个指令，即“自认证”和使用“技术构造文件”。
使用自认证方法时，制造商通过自己测试或按照适当的ＥＮ进行测试，来认证产品是否符合。
在这种方法中，没有明确要求要使用特许的设施。
但是，如果日后发现产品不符合，制造商将承担法律责任。
在关于产品符合性的争端中，一个由特许测试部门提供的测试报告是十分有分量的。
如果没有相关的ＥＮ，或设备制造商不准备使用它，符合性只有通过编辑技术构造文件来证明。
这个文件描述的装置，列出保证设备与指令一致的措施，并包含一个技术报告或权威部门的认证。
在英国，一个权威部门是ＮＡＭＡＳ（国家测量批准服务）批准的ＥＭＣ实验室。
任何权威部门提供认证在欧共体的所有成员国内都是可行的。
军用设备
为军用设计的电子系统必须满足ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１Ｄ的要求，这个标准不仅规定了最大辐射发射和传导发射的限制，还规定了系统对辐射和传导干扰的敏感度要求。
配套标准ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６２规定了必要的测试装置。
商业公司经常将ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１中的某些部分作为产品内部ＥＭＣ规范。
另一个关于ＥＭＩ的军用标准是保密的ＴＥＭＰＥＳＴ计划，这是用来保证保密通信系统安全的。
现在可以接收并复现出大多数电子设备政党工作时所发射的功率很低的射频信号。
象对电子窃听很脆弱的ＣＲＴ终端那样的军用产品就属于ＴＥＭＰＥＳＴ的范畴。
在实践中，ＴＥＭＰＥＳＴ控制设备和系统的发射，使无法解译携带信息的信号。
由于关于ＥＭＣ的法规和标准十分复杂，关于信息技术设备的相关标准总结在表１.９中。
一些标准的频率范围在图１－３中标明。
表1.9信息技术设备（ITE）的电磁兼容标准
IEC/CISPR
FCC
CENELECEC
英国标准
传电和辐射发射
CISPR22
15部分J子部分
EN55022
BS6527
关于以下的敏感度
静电放电
IEC801-2
-
EN55101-2
BS6667第二部分
辐射电磁场
IEC801-3
-
EN55101-3
BS6667第三部分
电气快速瞬态
IEC801-4
-
-
BS6667第四部分
电源线良涌
IEC801-5
-
-
BS6667第五部分
辐射磁场
CISPR
-
未发表的建议稿
-
远程通信线路的传导发射
CISPR
-
-
-
测试
现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在３m、１０m或３０m处规定的。
为了测试设备是否满足这些标准，需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地。
测试场地的背景电磁能量大大低于测试范围。
被测设备所处的状态必须与实际使用状态相同，Ｉ／Ｏ接口与适当的外设连接。
被测系统要放在转台上，这样可以通过旋转来找到最大辐射信号。
转台与天线放在同一个地面上。
这样就可以测量系统工作时的辐射了。
这种测试也可以在半无反射室中进行，但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的。
大多数辐射测试是在开阔场中进行，开阔场是精心选择的，其电磁背景很低，周围没有反射物，如建筑物。
图１－４是开阔场的示意图。
为了获得不同材料的屏蔽效能，采用一些其它的测试方法。
屏蔽盒是最先开发的方法之一。
在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置如图１－５所示。
这个盒子上有一个方形的开口，将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小。
屏蔽室内有信号发生器和发射天线。
被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上，记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强。
这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值。
纯铜板可以用来作为参考值。
图１－６所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度，并且拓宽测量的频率范围。
图1-6屏蔽室测试
屏蔽的理论方法
电磁波理是经典的理论。
麦克斯威尔、法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场和磁场的基本方程式。
然而，对实际中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式。
电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达，这些方程式在屏蔽的设计中广泛应用。
有许多因素会影响电磁能量源周围的场。
源的种类赋予了场一些特征，如辐射幅度。
距离源的距离和电磁波传输的媒介的特性都会影响场与屏蔽之间的相互作用。
在电磁屏蔽中，波阻抗Zw是联系这些参数的有用的概念。
波阻抗定义为电场E与磁场H的比值。
源上的驱动电压决定了干扰的特性。
例如，环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应。
结果是在天线附近产生较小的电场和较大的磁场，具有较低的波阻抗。
另一方面，四分之一波长的距离上，所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特征阻抗，377欧姆。
这时，称为平面波，作为参考，1MHz的波长是300m。
按照到源的距离，电磁波可以进一步分为两种，近场和远场。
两种场的分界以波长λ除以2π的距离为分界点。
λ/2π附近的区域称为过渡区。
源与过渡区是近场，超过这点为远场。
近场波的特性主要由源特性决定，而远场波的特性由传播媒介决定。
如果源是大电流、低电压。
则在的近场以磁场波为主。
高电压、小电流的源产生电场为主的波。
在设计屏蔽控制辐射时，这个概念十分有用。
由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级，相对于屏蔽电磁波为近场的情况。
在远场，电场和磁场都变为平面波，即，波阻抗等于自由空间的特性阻抗。
知道干扰辐射的近场波阻抗对于设计控制方法是十分有用的。
用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波。
反过来，用能将电磁波中电矢量短路的高导电性金属能够屏蔽电场波和平面波。
入射波的波阻抗与屏蔽体的表面阻抗相差越大，屏蔽体反射的能量越多。
因此，一块高导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小。
对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。
入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射，如图1-7所示。
屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示。
SE=A+R+B
表1.10和表1.11给出了不同的屏蔽效能，吸收损耗的计算公式如下：
A=1.13t
式中；t-屏蔽厚度，cm;
μr-屏蔽材料的相对导磁率；
由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。
以下是计算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类似的公式。
R=168101g（μrf/σr）dB
表1.10信号强度的衰减
dB
衰减的百分比
10
90
20
99
30
99.9
40
99.99
50
99.999
60
99.9999
70
99.99999
表1.12给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率。
如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。
在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。
同样，在设计电场或平面波屏蔽时，只考虑反射因子。
当一束电磁波碰到屏蔽体时，在表面上感应出电流。
屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大地，如果在电流的路径上有开口，电流受到扰动要绕过开口。
较长的电流路径带来附加阻抗，因此在开口上有电压降。
这个电压在开口上感应出电场并产生辐射。
当开口的长度达到λ/4时，就变成效率很高的辐射体，能够将整个屏蔽体接收到的能量通过开口发射出去。
为了限制开口效应，一个一般的规则是，如果屏蔽体的屏蔽效能要达到60dB，开口长度在感兴趣的最高频率处不能超过0.01λ。
每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理。
值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因素。
表1.12用于屏蔽的金属特性
金属
相对收导率σr
相对磁导率μr
银
1.05
1
铜
1.00
1
铝
0.61
1
锌
0.29
1
黄铜
0.26
1
镍
0.20
1
铁
0.17
1000
铜
0.10
1000
化学镀镍
0.02
1
总结
所有从事电气或电子设备设计的工程师都应该认识到他们所开发的项目的电磁兼容性要求。
为了用较低的成本来解决这些问题，必须在项目的初期就考虑适当的EMC措施来满足相关的标准。
虽然仔细地进行电路设计能够有效一减小电磁发射和敏感度，但本文后面所详细介绍的有关实际屏蔽技术的资料将使你在每一个特殊项目中采取一种适当的屏蔽。
ＥＭＣ电磁屏蔽材料设计者指南——连载
（二）
2、导电涂层
有了前一章中关于RFI/EMI背景的考虑，现在能研究导电涂层的选择范围。
干扰源
RFI/EMI源可以划分为两类：
· 天然干扰源—例如雷电放电；
· 人为干扰源—它可以进一步划分为有意和无意干扰源，有意辐射信号来源于电源开关，焊接设备和射频加热器，实际上，所有电子和电气设备都不同程度的产生辐射干扰。
（1）干扰场
干扰能量沿着导线和自由空间传播。
因此它成为与线路有关的干扰电压和辐射干扰场强。
所传播的各种干扰都存在一定的频率范围。
低于30MHz的低频干扰，主要是在导线中传播。
这种干扰不能靠简单的屏蔽机壳来防止，而只能用适当的线路滤波器来保护有用信号不受损害。
更高频率的干扰（＞30MHz）与导线的辐射有关，因为这时导线尺寸可以和波长相比拟。
就电磁波而论，电场强度E和磁场强度H是由一定的关系或联系在一起的。
通常是将电场分量和磁场分量分别屏蔽。
在相应的频率范围中符合一定的规则。
在约1MHz以下的较低频率范围内，平行于导体壁的电力线是连续的。
这里，频率的影响取决于所用屏蔽材料的壁厚和导磁率。
在1MHz至100MHz的频率范围内，屏蔽柜内受干扰影响的部位包括：
前面板的连接面、门或窗以及引入的主要部件。
这时电力线不再保证全部是连续的，从约100MHz频率开始，电场屏蔽效能将逐渐减小，而磁场屏蔽效能则不再增加。
对于100MHz以上频率范围，所传播的波的电场和磁场分量应当认为是相等的。
均匀平面波的屏蔽取决于各自分量在屏蔽材料表面的集肤效应，屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗。
（2）RFI/EMI传输的含意
RFI/EMI可以通过传导，耦合或辐射离开干扰源或进入敏感设备，在设备的一部分和另一部分之间，如电源和附近的电路之间，或在两个分开的设备之间，都会产生干扰。
①传导RFI/EMI可以通过信号线、天线馈线、电源线、甚至通过RFI/EMI敏感设备之间的接地线进行传导。
②耦合EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、电路或设备之间耦合，通过这种互阻抗，一个电路中的电流或电压能在另一电路中引起电流或电压。
互阻抗可以是电导、电容或电感，或者是它们的任意组合。
③辐射RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、
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