【科普】三种电磁屏蔽的目的及原理详解

　　电磁屏蔽一般可分为三种：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽。三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中，原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

　　一、 静电屏蔽

　　静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽依据的原理是：在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布，直到导体内部总场强处处为零为止。接地的封闭金属壳是一种良好的静电屏蔽装置。如图所示，接地的封闭金属壳把空间分割成壳内和壳外两个区域，金属壳维持在零电位。根据静电场的唯一性定理，可以证明：金属壳内的电场仅由壳内的带电体和壳的电位所确定，与壳外的电荷分布无关。当壳外电荷分布变化时，壳层外表面上的电荷分布随之变化，以保证壳内电场分布不变。因此，金属壳对内部区域具有屏蔽作用。壳外的电场仅由壳外的带电体和金属壳的电位以及无限远处的电位所确定，与壳内电荷分布无关。当壳内电荷分布改变时，壳层内表面的电荷分布随之变化，以保证壳外电场分布不变。因此，接地的金属壳对外部区域也具有屏蔽作用。在静电屏蔽中，金属壳接地是十分重要的。当壳内或壳外区域中的电荷分布变化时，通过接地线，电荷在壳层外表面和大地之间重新分布，以保证壳层电势恒定。从物理图像上看，因为在静电平衡时，金属内部不存在电场，壳内外的电场线被金属隔断，彼此无联系，因此，导体壳有隔离壳内外静电相互作用的效应。

　　如果金属壳未完全封闭，壳上开有孔或缝，也同样具有静电屏蔽作用。在许多实际应用中，静电屏蔽装置常常是用金属丝编织成的金属网代替闭合的金属壳，即使一块金属板，一根金属线，亦有一定的静电屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金属壳。

　　在外电场的作用下，电荷在导体上的重新分布，在10-19秒数量级时间内就可完成，因此对低频变化的电场，导体上的电荷有足够长的时间来保证内部场强为零．所以静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果，屏蔽物的电导率应大，接地线要短，与地的接触要良好。

　　身穿高压作业服的人，由于被铜丝编织的衣服所包裹，人体内的场强保持为零，因此没有电流从人体中流过，人体是安全的。不过在作业者刚刚接触高压线的一瞬间高压服上的电荷有一个瞬时分布的过程，在这极小的时间内人体会有短暂的微弱电场作用，一般作业者都能经受住这考验。静电屏蔽的特点是一般只考虑到对静电场的屏蔽，封闭导体的屏蔽作用是完全的（即内部场强可达到真正等于零），对屏壁壳的厚度和电导率也无要求。只有在把低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时，总是希望屏蔽壳的电导率愈高愈好。

　　二、静磁屏蔽

　　静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域，这时必须用磁性介质做外壳。静磁屏蔽依据的原理可借助并联磁路的概念来说明。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中，则铁壳壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路。由于空气的磁导率接近于1，而铁壳的磁导率至少有几千，所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大的多。这样一来，外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”，“进入”空腔内部的磁通量是很少的，这就达到了磁屏蔽的目的。

　　外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响：外壳越厚、磁导率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和体积受到限制的情况下，常常采用磁导率高达几万的坡莫合金来做屏蔽壳，而且壳的各个部分要尽量结合紧密，使磁路畅通。

　　如果要制造绝对的“静磁真空”，则可以利用超导体的“迈斯纳效应”。即将一块超导体放在外磁场中，其体内的磁感应强度永远为零。超导体是完全抗磁体，具有最理想的静磁屏蔽效果，但目前还不能普遍应用。

　　手表为了防磁，在机芯外装一个铁质的衬套 也是一种屏蔽作用。

　　

　　三、高频电磁场屏蔽

　　在火车车厢里，打开半导体收音机，几乎收不到电台的广播，这是由于车厢的蒙皮大部分是由铁皮制成，它起了屏蔽作用。

　　高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。由于电磁场的变化频率很高（例如百万赫兹或更高），场中导体上的感应电荷已不能再看作静止的了（导体不再处于静电平衡状态），因此必须用电磁波在导体中的“贯穿深度”来说明屏蔽的原理：当高频电磁波射向一导体表面，并进入表面后，它会在导体中感应出一个高频交变电流，此电流会激发一个新的电磁波，新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生还导致入射波场能的消耗，结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减，可以用“贯穿深度”来表示衰减的程度。“贯穿深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率及磁导率都有关系：频率越高、电导率越大、磁导率越大“贯穿深度”就越小。当壳罩壁的厚度大于贯穿深度时，壳罩就具有良好的电磁屏蔽作用。高电导率或高磁导率材料制成的壳罩是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳罩材料的电导率或磁导率，增加壳壁的厚度，可以提高电磁屏蔽的效果。

　　

　　像铝、钢、铁这样的金属，1兆赫左右的电磁波在其中的“透入深度”约百分之几毫米，所以这些金属只要一张纸那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的电磁波。尤其是铁，因为它的磁导率很高，故屏蔽效果特别好。如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界电磁场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。

　　高电导率材料制成的屏蔽物对低频磁场的屏蔽效果比较差。例如，在工频50赫时，铜的贯穿深度约为9.4毫米，薄壁铜壳的屏蔽作用很小。在实际应用中，常采用静磁屏蔽措施来屏蔽低频磁场。电磁屏蔽物接地后也可以屏蔽静电干扰。电磁屏蔽物上不能随意开缝，因为电磁屏蔽还利用了涡电流的作用，若缝隙割断了涡电流的通路，屏蔽效果要降低。

　　

　　远近场的划分

　　根据两类基本源的场随1/r（场点至源点的距离）的变化来划分远近场，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。故远近场的划分满足以下原则：

　　近场： 远场：

　　电磁屏蔽材料：

　　选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

　　电场屏蔽

　　【屏蔽机理】：将电场感应看成分布电容间的耦合。

　　【设计要点】：

　　a、屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好！！！

　　b、屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响。全封闭的金属盒最好，但工程中很难做到！

　　c、屏蔽板的材料以良导体为好，但对厚度无要求，只要有足够的强度就可了。

　　有通风需求的屏蔽板

　　

　　铝制蜂窝式通风板

　　

　　磁场屏蔽

　　磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比电场屏蔽和电磁场屏蔽要差的多。

　　

　　【 屏蔽机理】：主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。

　　【设计要点】：

　　a、选用高导磁材料，如坡莫合金；

　　b、增加屏蔽体的厚度；

　　以上均是为了减小屏蔽体的磁阻；

　　c、被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减小通过被屏蔽物

　　体体内的磁通；

　　d、注意屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风空等均可能增加屏蔽体的磁阻，从

　　而降低屏蔽效果。

　　e、对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。

　　典型的交流磁性能

　　

　　

　　

　　对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，如硅钢；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，则材料的排列次序要到过来。

　　在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的绝缘。当没有接地要求时，可用绝

　　缘材料做支撑件。若需接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。

　　

　　电磁场屏蔽

　　电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。

　　【电磁场屏蔽的机理】：

　　a、当电磁波到达屏蔽体表面时，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的厚度，只要求交界面上的不连续；

　　b、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。也就是所谓的吸收；

　　c、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，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，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的反射。

　　总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。

　　【吸收损耗】不同的材料、不同的材料厚度对于电磁波的吸收效果不一样。可根据材料吸收损耗的列线图得出。

　　【反射损耗】分为三类：低阻抗磁场、高阻抗电场、平面波场。

　　其中低阻抗磁场和高阻抗电场的反射损耗列线图计算方法相同，与金属材料、频率及辐射源到屏蔽体的距离有关。

　　对于平面波，波阻抗为一常数，而与辐射源到屏蔽体的距离无关，在列线图中只需连接金属材料和感兴趣的频率就可求出此时的反射损耗值。

　　实际的电磁屏蔽体

　　【结构材料】

　　a、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信号而不是吸收。

　　b、对磁场的屏蔽需要铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。

　　c、在强电磁环境中，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的厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。

　　d、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。

　　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，在结合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距离等。

　　【搭接】

　　a、在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好的搭接。最坏的电搭接对壳体的的屏蔽效能起决定性作用。

　　b、保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。

　　c、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、晓间距的铆接和用螺钉来固定。

　　d、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％，至少不大于1/20波长。

　　e、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。

　　f、保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、震动时保持表面接触。

　　g、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。

　　h、选择高导电率的和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑结合处所使用的频率。

　　i、选择硬韧性材料做成的衬垫，以便划破金属上的任何表面。

　　j、保证同衬垫材料配合的金属表面没有任何非导电保护层。

　　k、当需要活动接触时，使用指形压簧，并要注意保持弹性指簧的压力。

　　l、导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或monel线性衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。

　　以下是按优先等级排列的各种衬垫。

　　1 金属网射频衬垫 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，不适宜用于开与关的面板。

　　2 铜镀合金 有很高的导电性和很好的抗腐蚀性。

　　弹性好，最适合用于和活动面板配合。可制成指条形、螺旋和锯齿面。衰减为100db。

　　3 导电橡胶 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1500℃、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。

　　4 导电蒙布 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，适用于泡沫衬垫 机柜和门板。