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内置PCB板的屏蔽机箱的频效计算正文.pdf
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内置PCB板的屏蔽机箱的频效计算正文.pdf
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第一章 序言
随着电子技术的迅速发展,现代电子设备已广泛应用于人类生活的各个领域。
电子设备的广泛应用和发展,必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不
断增加。也就是说,电子设备不可避免地在电磁环境中工作。因此,解决电子设
备在电磁环境中地适应能力越来越受到重视。电磁兼容的中心课题是研究如何控
制和消除电磁干扰,使电子设备或系统与其他设备联系在一起时,不引起设备或
系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。电磁兼容的关键技术在于有效地控制
电磁干扰。电磁干扰地抑制技术是电磁兼容领域地重要课题,抑制电磁干扰的方
法很多,电磁屏蔽是其中一种很重要的技术。
电磁波进入屏蔽电子系统的途径主要有两条,一是通过系统的天线耦合进入
系统,即所谓的“前门”耦合;二是通过系统上的孔洞和缝隙等进入系统,即所
谓的“后门”耦合。由于通过前门耦合的能量有可能被系统的保护器件阻隔而不
会对系统产生干扰或破坏,而系统的孔缝不可避免, 所以,通过后门耦合进入系
统,并对系统的器件进行干扰或破坏是高功率微波能量进入目标系统的重要途径
之一。
对于许多电子产品而言,没有屏蔽外壳就无法达到电磁兼容要求。然而,为适
应通风、散热等要求,往往需要在屏蔽体上开孔,完整性受到破坏。这样外部电
磁场通过孔缝进入屏蔽体部,可能耦合到电路板的导线上,产生感应电流和感应
电压。通过对孔缝电磁耦合的数值仿真,计算屏蔽体场的分布,有利于指导电路
和器件的合理布局,使敏感器件避开场的峰值区域,提高电子设备的抗干扰能力。
应此,研究孔缝耦合的屏蔽效能十分重要。
Ansoft HFSS 软件是应用有限元方法的原理来编制的,可对孔缝电磁耦合的
数值仿真,计算屏蔽体场的分布,得出屏蔽体的屏蔽效能
第二章 屏蔽效能的定义
屏蔽的基本概念
采用屏蔽措施,将那些对于电磁脉冲比较敏感的电子、电气设备及系统在空
间上与电磁脉冲辐射环境相隔离,减小电磁脉冲场对设备及系统的耦合影响,是
实施电磁脉冲防护的重要手段之一。所谓屏蔽就是用导电或导磁材料,或用既导
电又导磁的材料,制成屏蔽体,将电磁能量限制在一定的空间围,使电磁能量从
屏蔽体的一面传输到另一面时受到很大的削弱。
1.屏蔽效果的表示方法
屏蔽体的屏蔽效果一般可以用一下两种方法表示。
(1) 传输系数 T
传输系数 T 系指加屏蔽后某一测点的场强
E
s
和
H
s
与同一测点未加屏蔽时的
场强
E
0
和
H
0
之比,即
对电场
T
e
E
s
/ E
0
对磁场
T
m
H
s
/ H
0
T 值愈小,表示屏蔽效果愈好。
(2) 屏蔽效能 SE
屏蔽效能 SE 系指未加屏蔽后某一测点的场强
E
0
和
H
0
与同一测点加屏蔽时
的场强
E
s
和
H
s
之比,当以 dB 为单位时,
对电场
SE
e
20 log(
E
0
/
E
s
)
对磁场
SE
m
20 log(
H
0
/
H
s
)
屏蔽效能有时也称屏蔽损耗,其值愈大,表示屏蔽效果愈好。
2.屏蔽原理
在讨论屏蔽原理时,可将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽几种类型。
(1)电场屏蔽
以电导率较高的材料作屏蔽体并良好接地 ,将电场终止在屏蔽体表面并通过
接地泄放表面上的感应电荷,可防止电场耦合。完整的屏蔽体和良好的接地是实
现电场屏蔽必须具备的两个条件。
(2) 磁场屏蔽
磁场屏蔽的屏蔽机理与磁场频率有关。
对于低频(包括直流)磁场的屏蔽,屏蔽体须采用高磁导率材料,从而使磁
力线主要集中在由屏蔽体构成的低磁阻磁路,以防止磁场进入屏蔽空间 。因此要
获得好的低频磁场屏蔽效果,屏蔽体不仅要选用磁导率高的材料,而且屏蔽材料
在被屏蔽磁场不应处于饱和状态,这就要求屏蔽体的壁具有相当的厚度。 对于高
频磁场的屏蔽其原理则有所不同,主要利用金属屏蔽体上感生的涡流产生反磁场
起排斥原磁场的作用。因此,在同一外场条件下,屏蔽体表面的感生涡流愈大,
则屏蔽效果愈好。所以高频磁场的屏蔽应选电导率高的金属材料 。对同一屏蔽体
材料,感生涡流随外场频率的提高而增大,屏蔽效果随之提高。由于高频的趋肤
效应,涡流只限于屏蔽体表面流动,因此对于高频磁场的屏蔽只需采用很薄的金
属材料就可收到满意的屏蔽效果。
(3) 电磁屏蔽
电磁波在穿透导体时会急剧衰减并在导体面上发生反射,利用由导体制成的
屏蔽体的这一特性便可有效地隔离时变电磁场的相互耦合。
实际上对电磁场而言,电场和磁场不可分割,电场分量和磁场分量总是同时
存在的。只是当电流源的频率较低时,在距离电流源不远处(距离远小于波长的
1/6),按照源的不同特性,其近场的电场分量和磁场分量各自在总场所占的份额
有所不同。在近场以磁场为主的情况下,可忽略电场分量;反之,近场若以电场
为主,磁场分量可忽略。
3.孔洞和缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响
没有任何孔洞和缝隙的连续金属板具有很高的电磁屏蔽效能。但实际应用的
屏蔽室由于使用的需要,必须设置门、通风窗、进线孔等,从而在屏蔽体上形成
孔洞和缝隙,造成电磁泄漏,导致屏蔽室的屏蔽效能降低。
对孔洞而言,影响其电磁能量泄漏的因素很多,其中最主要的是孔洞的面积
和形状。实验证明,对于某一个固定场源, 电磁泄漏随孔洞面积增加而增加 ,在
孔洞面积相同的情况下,矩形孔泄漏大于圆形孔。
关于缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响,可从缝隙对入射电磁波的屏蔽作用入手
来分析。缝隙的屏蔽作用由两部分构成:其一,由于缝隙开口处的阻抗与自由空
间的阻抗不同而造成的反射损耗;其二,当电磁波投入缝隙后,在缝隙传输时产
生的传输损耗。
4.防止屏蔽体孔缝电磁泄漏的工程措施
4.1 屏蔽门的电磁密封措施
对于安装在屏蔽室上的屏蔽门,由于门扇与门框之间存在门缝,必须采取电
磁密封措施。通常采用由锡磷青铜或铍青铜制成的梳形簧片,可确保门缝在频繁
活动的情况下仍具有良好的电气接触。亦可在门缝处安装导电衬条,通过与门框
之间的挤压实现电磁密封。在对磁场屏蔽有较高要求的场合,还可采用充气推拉
门,门缝外两侧装有簧片和气囊,从而获得比较理想的电磁密封效果。不同屏蔽
要求的屏蔽室,可选用采用不同电磁密封措施因而具有不同屏蔽效能的屏蔽门。
4.2 防止通风窗口电磁泄漏的措施
为了防止屏蔽室通风窗口造成的电磁泄漏,最重要的是如何合理设计窗的位
置、形式和尺寸;此外还可采用以下措施:在应用这些手段时,合理设计其结构
形式和尺寸同样是至关重要的!
(1) 在通风窗口上覆盖金属网。金属丝网的屏蔽效能与丝网材料的电导率、金
属丝直径和网孔的疏密程度等因素有关。一般来说,丝网材料电导率高,
网丝粗,网孔密,屏蔽效能好。但当频率高于 100MHz 时,屏蔽效能开始
下降。因此,频率较高时不适用。
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