【科普】三種電磁屏蔽的目的及原理詳解

　　電磁屏蔽一般可分為三種：靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場(chǎng)屏蔽。三種屏蔽的目的都是防止外界的電磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域中，原理都是利用屏蔽對(duì)外場(chǎng)的感應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)來(lái)抵消外場(chǎng)的影響。但是由于所要屏蔽的場(chǎng)的特性不同，因而對(duì)屏蔽殼材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

　　一、 靜電屏蔽

　　靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場(chǎng)進(jìn)入需要保護(hù)的某個(gè)區(qū)域。靜電屏蔽依據(jù)的原理是：在外界靜電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(gè)區(qū)域，金屬殼維持在零電位。根據(jù)靜電場(chǎng)的唯一性定理，可以證明：金屬殼內(nèi)的電場(chǎng)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(wú)關(guān)。當(dāng)殼外電荷分布變化時(shí)，殼層外表面上的電荷分布隨之變化，以保證殼內(nèi)電場(chǎng)分布不變。因此，金屬殼對(duì)內(nèi)部區(qū)域具有屏蔽作用。殼外的電場(chǎng)僅由殼外的帶電體和金屬殼的電位以及無(wú)限遠(yuǎn)處的電位所確定，與殼內(nèi)電荷分布無(wú)關(guān)。當(dāng)殼內(nèi)電荷分布改變時(shí)，殼層內(nèi)表面的電荷分布隨之變化，以保證殼外電場(chǎng)分布不變。因此，接地的金屬殼對(duì)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(shí)，通過(guò)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(shì)恒定。從物理圖像上看，因?yàn)樵陟o電平衡時(shí)，金屬內(nèi)部不存在電場(chǎng)，殼內(nèi)外的電場(chǎng)線被金屬隔斷，彼此無(wú)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(kāi)有孔或縫，也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實(shí)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(chǎng)的作用下，電荷在導(dǎo)體上的重新分布，在10-19秒數(shù)量級(jí)時(shí)間內(nèi)就可完成，因此對(duì)低頻變化的電場(chǎng)，導(dǎo)體上的電荷有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)保證內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零．所以靜電屏蔽裝置對(duì)緩慢變化的電場(chǎng)也有屏蔽作用。為了提高對(duì)變化電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)保持為零，因此沒(méi)有電流從人體中流過(guò)，人體是安全的。不過(guò)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(gè)瞬時(shí)分布的過(guò)程，在這極小的時(shí)間內(nèi)人體會(huì)有短暫的微弱電場(chǎng)作用，一般作業(yè)者都能經(jīng)受住這考驗(yàn)。靜電屏蔽的特點(diǎn)是一般只考慮到對(duì)靜電場(chǎng)的屏蔽，封閉導(dǎo)體的屏蔽作用是完全的（即內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到真正等于零），對(duì)屏壁殼的厚度和電導(dǎo)率也無(wú)要求。只有在把低頻交流電場(chǎng)的屏蔽包括在靜電屏蔽中時(shí)，總是希望屏蔽殼的電導(dǎo)率愈高愈好。

　　二、靜磁屏蔽

　　靜磁屏蔽的目的是防止外界的靜磁場(chǎng)和低頻電流的磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域，這時(shí)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(lái)說(shuō)明。把一高磁導(dǎo)率的材料制成的球殼放在外磁場(chǎng)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(lái)，外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)通量中絕大部分將沿著鐵殼壁內(nèi)“通過(guò)”，“進(jìn)入”空腔內(nèi)部的磁通量是很少的，這就達(dá)到了磁屏蔽的目的。

　　外殼的厚度和磁導(dǎo)率對(duì)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(dá)幾萬(wàn)的坡莫合金來(lái)做屏蔽殼，而且殼的各個(gè)部分要盡量結(jié)合緊密，使磁路暢通。

　　如果要制造絕對(duì)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(chǎng)中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度永遠(yuǎn)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。

　　手表為了防磁，在機(jī)芯外裝一個(gè)鐵質(zhì)的襯套 也是一種屏蔽作用。

　　三、高頻電磁場(chǎng)屏蔽

　　在火車車廂里，打開(kāi)半導(dǎo)體收音機(jī)，幾乎收不到電臺(tái)的廣播，這是由于車廂的蒙皮大部分是由鐵皮制成，它起了屏蔽作用。

　　高頻電磁場(chǎng)屏蔽是防止外界的高頻電磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)區(qū)域。由于電磁場(chǎng)的變化頻率很高（例如百萬(wàn)赫茲或更高），場(chǎng)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(lái)說(shuō)明屏蔽的原理：當(dāng)高頻電磁波射向一導(dǎo)體表面，并進(jìn)入表面后，它會(huì)在導(dǎo)體中感應(yīng)出一個(gè)高頻交變電流，此電流會(huì)激發(fā)一個(gè)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(shí)導(dǎo)體內(nèi)電流的產(chǎn)生還導(dǎo)致入射波場(chǎng)能的消耗，結(jié)果使得導(dǎo)體內(nèi)部總的電磁場(chǎng)基本上隨深度呈指數(shù)衰減，可以用“貫穿深度”來(lái)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(shí)，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?yàn)樗拇艑?dǎo)率很高，故屏蔽效果特別好。如在收音機(jī)中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界電磁場(chǎng)的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個(gè)道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場(chǎng)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(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽效果比較差。例如，在工頻50赫時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中，常采用靜磁屏蔽措施來(lái)屏蔽低頻磁場(chǎng)。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(kāi)縫，因?yàn)殡姶牌帘芜€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。

　　遠(yuǎn)近場(chǎng)的劃分

　　根據(jù)兩類基本源的場(chǎng)隨1/r（場(chǎng)點(diǎn)至源點(diǎn)的距離）的變化來(lái)劃分遠(yuǎn)近場(chǎng)，兩類源在遠(yuǎn)近場(chǎng)的場(chǎng)特征及傳播特性均有所不同。故遠(yuǎn)近場(chǎng)的劃分滿足以下原則：

　　近場(chǎng)： 遠(yuǎn)場(chǎng)：

　　電磁屏蔽材料：

　　選擇使用什么種類電磁密封襯墊時(shí)要考慮四個(gè)因素：屏蔽效能要求、有無(wú)環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求、成本要求。按機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。

　　電場(chǎng)屏蔽

　　【屏蔽機(jī)理】：將電場(chǎng)感應(yīng)看成分布電容間的耦合。

　　【設(shè)計(jì)要點(diǎn)】：

　　a、屏蔽板以靠近受保護(hù)物為好，而且屏蔽板的接地必須良好！?。?/p>

　　b、屏蔽板的形狀對(duì)屏蔽效能的高低有明顯影響。全封閉的金屬盒最好，但工程中很難做到！

　　c、屏蔽板的材料以良導(dǎo)體為好，但對(duì)厚度無(wú)要求，只要有足夠的強(qiáng)度就可了。

　　有通風(fēng)需求的屏蔽板

　　鋁制蜂窩式通風(fēng)板

　　磁場(chǎng)屏蔽

　　磁場(chǎng)屏蔽通常是指對(duì)直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其效果比電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差的多。

　　【 屏蔽機(jī)理】：主要是依靠高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻，對(duì)磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大為減弱。

　　【設(shè)計(jì)要點(diǎn)】：

　　a、選用高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金；

　　b、增加屏蔽體的厚度；

　　以上均是為了減小屏蔽體的磁阻；

　　c、被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減小通過(guò)被屏蔽物

　　體體內(nèi)的磁通；

　　d、注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凡接縫、通風(fēng)空等均可能增加屏蔽體的磁阻，從

　　而降低屏蔽效果。

　　e、對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。

　　典型的交流磁性能

　　對(duì)要屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)的，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，如硅鋼；而內(nèi)

　　部可選用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等。

　　反之，如果要屏蔽內(nèi)部強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，則材料的排列次序要到過(guò)來(lái)。

　　在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時(shí)，要注意彼此間的絕緣。當(dāng)沒(méi)有接地要求時(shí)，可用絕

　　緣材料做支撐件。若需接地時(shí)，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。

　　電磁場(chǎng)屏蔽

　　電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施。

　　【電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理】：

　　a、當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；

　　b、未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過(guò)程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；

　　c、在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時(shí)，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會(huì)形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個(gè)金屬的交界面上可能有多次的反射。

　　總之，電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。

　　【吸收損耗】不同的材料、不同的材料厚度對(duì)于電磁波的吸收效果不一樣。可根據(jù)材料吸收損耗的列線圖得出。

　　【反射損耗】分為三類：低阻抗磁場(chǎng)、高阻抗電場(chǎng)、平面波場(chǎng)。

　　其中低阻抗磁場(chǎng)和高阻抗電場(chǎng)的反射損耗列線圖計(jì)算方法相同，與金屬材料、頻率及輻射源到屏蔽體的距離有關(guān)。

　　對(duì)于平面波，波阻抗為一常數(shù)，而與輻射源到屏蔽體的距離無(wú)關(guān)，在列線圖中只需連接金屬材料和感興趣的頻率就可求出此時(shí)的反射損耗值。

　　實(shí)際的電磁屏蔽體

　　【結(jié)構(gòu)材料】

　　a、適用于底板和機(jī)殼的材料大多數(shù)是良導(dǎo)體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場(chǎng)，主要的屏蔽機(jī)理是反射信號(hào)而不是吸收。

　　b、對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽需要鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵。主要的屏蔽機(jī)理是吸收而不是反射。

　　c、在強(qiáng)電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種成分，因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。

　　d、對(duì)于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時(shí)摻入金屬纖維。

　　必須盡量減少結(jié)構(gòu)的電氣不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機(jī)殼進(jìn)出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構(gòu)措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長(zhǎng)度，在結(jié)合面上加入導(dǎo)電襯墊，在接縫處涂上導(dǎo)電涂料，縮短螺釘間距離等。

　　【搭接】

　　a、在底板和機(jī)殼的每一條縫和不連續(xù)處要盡可能好的搭接。最壞的電搭接對(duì)殼體的的屏蔽效能起決定性作用。

　　b、保證接縫處金屬對(duì)金屬的接觸，以防電磁能的泄漏和輻射。

　　c、在可能的情況下，接縫應(yīng)焊接。在條件受限制的情況下，可用點(diǎn)焊、曉間距的鉚接和用螺釘來(lái)固定。

　　d、在不加導(dǎo)電襯墊時(shí)，螺釘間距一般應(yīng)小于最高工作頻率的1％，至少不大于1/20波長(zhǎng)。

　　e、用螺釘或鉚接進(jìn)行搭接時(shí)，應(yīng)首先在縫的中部搭接好，然后逐漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲。

　　f、保證緊固方法有足夠的壓力，以便在有變形應(yīng)力、沖擊、震動(dòng)時(shí)保持表面接觸。

　　g、在接縫不平整的地方，或在可移動(dòng)的面板等處，必須使用導(dǎo)電襯墊或指形彈簧材料。

　　h、選擇高導(dǎo)電率的和彈性好的襯墊。選擇襯墊時(shí)要考慮結(jié)合處所使用的頻率。

　　i、選擇硬韌性材料做成的襯墊，以便劃破金屬上的任何表面。

　　j、保證同襯墊材料配合的金屬表面沒(méi)有任何非導(dǎo)電保護(hù)層。

　　k、當(dāng)需要活動(dòng)接觸時(shí)，使用指形壓簧，并要注意保持彈性指簧的壓力。

　　l、導(dǎo)電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時(shí)，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠或monel線性襯墊將出現(xiàn)最嚴(yán)重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導(dǎo)電橡膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料。

　　以下是按優(yōu)先等級(jí)排列的各種襯墊。

　　1 金屬網(wǎng)射頻襯墊 容易變形，壓力為1.4kg/cm時(shí)，衰減為54db。

　　資料表明，頻率較低時(shí)衰減最大。

　　用于永久密封較好，不適宜用于開(kāi)與關(guān)的面板。

　　2 銅鍍合金 有很高的導(dǎo)電性和很好的抗腐蝕性。

　　彈性好，最適合用于和活動(dòng)面板配合?？芍瞥芍笚l形、螺旋和鋸齒面。衰減為100db。

　　3 導(dǎo)電橡膠 適用于只需名義上連接和少量螺釘?shù)牡胤健?/p>

　　實(shí)現(xiàn)水汽密封和電氣密封經(jīng)1500℃、48小時(shí)老化后，體電阻率為10～20mω/cm（max）。變形度限制值為25％。資料表明，頻率較高時(shí)衰減為最大。

　　4 導(dǎo)電蒙布 在泡沫塑料上蒙一塊鍍銀編織物，形成一個(gè)軟

　　襯墊，占去大部分疏松空間，主要為民用，適用于泡沫襯墊 機(jī)柜和門板。