实用电磁屏蔽

屏蔽外壳通常围绕在产品电路的各个方面。注意确保所有的孔都是小的，每个缝都是密封的。另一方面，不围绕整个产品的护盾也并不少见。通常一个屏蔽只部分覆盖少数电路。这些屏蔽可能被未经过滤的电线穿透，有时由一块金属板组成，可能与地面相连，也可能不与地面相连。

为什么孔径和接缝在某些应用中如此重要，而在另一些应用中则完全无关紧要?答案与不同的应用有不同种类的屏蔽有关。可以方便地将外壳或组件屏蔽分为三类:电场屏蔽、磁场屏蔽和屏蔽外壳。在任何给定的应用中，最佳的屏蔽策略取决于许多因素，包括被屏蔽电路或系统的电气特性、物理限制(例如尺寸、重量和可达性)和成本。

电场盾牌

一个完全包围给定体积的导电外壳可以防止该体积内的任何东西与该体积外的任何东西发生电耦合。这种外壳叫做法拉第笼。在体积内产生的电场要么终止于外壳内的物体上，要么终止于外壳壁的内表面，如图1(a)所示。外壳上的免费电荷根据需要自行重新定位，以精确地取消外壳内部或外部的字段。

不完全导电的外壳仍然是良好的法拉第笼，只要电荷能够快速地重新分布以抵消内部场。大多数没有明显接缝或孔的金属外壳在很宽的频率范围内提供优异的电场屏蔽。

有和没有金属外壳的偶极子源的场

图1所示。电场耦合/屏蔽。

如果没有图1(a)中的屏蔽，磁场线可能会在其他导体上终止，导致这些导体之间的电位差，如图1(b)所示。然而，局部屏蔽[图2(a)]，甚至一个简单的金属板[图2(b)]，可以通过改变电场线的路径，防止较强的电场线到达受害电路，从而大大降低这些电位。

部分屏蔽:带缝和板的屏蔽场线的外壳

图2所示。部分电场屏蔽。

实际电场屏蔽的关键概念是选择一个能拦截较强电场线的位置和选择合适的导电屏蔽材料。材料的导电性必须有多高?这取决于场的频率或时间变化率。只要电荷能够自由移动，以与场变化一样快的速度重新定向，就可以实现对外部场的消除。

对于静电场，几乎任何材料看起来都像导体，因为自由电荷可以慢慢地重新定位。然而，对于高频电场，屏蔽材料的导电性必须足够高，以允许电荷快速来回移动。

用导电屏蔽拦截电场线主要是可视化可能导致不必要耦合的电场线，并定位屏蔽以阻挡这些电场。图3提供了一些例子。

屏蔽的例子

图3所示。电场屏蔽实例。

图3(a)示出用于减少印刷电路板上两个平行迹线之间耦合的保护迹线。图3(b)显示了散热器接地如何衰减散热器与印刷电路板地平面之间的电场。图3(c)演示了子卡的方向如何影响电源总线噪声与母板上组件的耦合。请注意，在导体上终止的场线意味着在这一点上有一个负电荷。在电场线离开导体的位置有一个正电荷。如果电场随时间变化，当这些电荷来回移动时，导体表面就会有电流。

磁场盾牌

因为没有自由磁荷，所以不可能终止屏蔽上的磁通量线。然而，可以重定向磁通量线以防止不必要的耦合。这可以通过在导电屏蔽中诱导电流或通过使用可渗透的(μ_r> > 1)材料。

磁场线被涡流改变方向

图4所示。用良导体屏蔽磁场。

考虑图4(a)所示的配置。电动机的垂直磁场耦合到一个小电路板上，产生干扰。图4(b)显示了具有电路下方铝板的相同配置。如果我们在被入射磁场穿透的平板表面上定义任何闭环路径，法拉第定律告诉我们，表面上必须存在一个电场，这样，

$\oint E \cdot d l ＝ \frac{\partial Φ}{\partial t}$ (1）

方程的右边是总磁通量耦合环路的时间变化率。然而，在良导体表面的任何电场都会导致电流在该导体中流动。这些电流将产生自己的磁通量，与入射通量相反。在一个完美的导体中，这些电流产生的通量将完美地抵消入射通量，使(1)两侧等于零(即没有通量穿透导体，表面没有切向电场)。

在导电材料中由时变磁场以这种方式引起的电流称为涡流．涡流产生的入射场和磁场如图4(b)所示。两个字段之和如图4(c)所示。注意，涡流导致磁通量被转移到板周围，并显著降低耦合到电路。

为了用导电板转移磁场，能够产生持续的涡流是很重要的。由于涡流是由时变磁场驱动的，导电板不能转移静磁场。即使磁场缓慢变化，传导板中的损耗也会导致涡流消散，从而使磁通量穿透板。因此，导电材料在低频(例如低于几百千赫)通常是较差的磁屏蔽。导电磁屏蔽也无效，如果他们有槽或间隙中断涡流流动。

在千赫频率或更低的频率下，通常需要使用可渗透(磁性)材料(μ_r>>1)转移磁场。由于这些材料的磁阻比空气小得多，磁场线可以通过提供一个可渗透材料(如钢或钼金属)的替代路径来有效地重新布线。图5说明了如何使用由可渗透材料制成的屏蔽来保护前面示例中的电路。

被磁性材料重定向的磁场

图5所示。用磁性材料屏蔽磁场。

请注意，对于磁性材料屏蔽来说，将磁通量转移到被屏蔽物体周围是很重要的。电路板上方或下方的一块磁性材料板根本不会提供任何屏蔽。

屏蔽罩

在高频率下，屏蔽层上诱导的电流可能会辐射出与原始磁场源相同的强度(或可能比原始磁场源更好)。这是可能的，当屏蔽的最大尺寸是一个波长或更大的重要部分。在这些频率下，通常需要将电源完全封闭起来，同时密切注意任何可能让电磁能量逸出的孔、接缝或电缆穿透力。

一个理想的屏蔽外壳，具有无限的导电性，没有断裂，将完全隔离(电磁)外壳内的任何东西与外部的任何东西。即使是导电率有限但很高的外壳(例如铜、铝或钢)，如果没有接缝、孔或电缆穿透，在大多数实际应用中也可以提供基本上完美的隔离。

不幸的是，这样的外壳对于电子设备来说并不实用，因为它不可能与里面的任何东西发生电作用。因此，我们能做的最好的事情就是从一个完美的外壳开始，仔细评估每一个接缝、每一个孔和每一个电缆穿透，以确保不允许有显著的干扰信号从一侧传递到另一侧。

光阑

孔是指屏蔽外壳上的孔，如通风、光学显示器、塑料部件或机械支架所需的孔。为了使外壳提供屏蔽，电流必须能够畅通无阻地在表面流动。幸运的是，最大尺寸比波长小得多的光圈对导电表面上的电流流动提供了非常小的阻抗。因此，如果有必要提供一定的开放面积(例如空气流通)，用许多小孔比用几个大孔更好地实现这一点。

图6示出了围绕两个通风网格流动的电流路径。注意图6(a)中的网格如何比图6(b)中的网格更明显地中断电流流动。在电磁屏蔽方面，图6(b)中的网格在两种模式的总开放面积相似的情况下也要优越得多。请注意，即使有大量的开放区域，只要每个单独的孔径比波长小得多，屏蔽外壳也可以非常有效。

一般来说，通过小孔逃离外壳的能量与通过接缝、大开口和穿线逃逸的能量相比是微不足道的。然而，如果外壳密封良好，有必要进一步减少通过孔逃逸的能量，则可以提供足够深度的孔来进一步衰减辐射辐射。使孔径进一步延伸到外壳中，就会产生一个小的波导。对于具有小截面的孔径，外壳内光源的频率很可能远低于波导的截止频率。关于在截止点以下设计波导孔径的信息将在后面的章节中提供。

屏蔽室

图6所示。屏蔽外壳中的两个孔径图案。

接缝

接缝存在于外壳的两块合在一起的地方。由于接缝的长度更大，因此它通常是比孔径更重要的泄漏源。大约半波长长的接缝可以是一个非常有效的辐射源，就像共振半波偶极子一样。通过将低效天线(如电性小的线或环天线)封装在带有谐振槽或接缝的金属外壳中，可以使它们更有效地辐射。

在光学上看起来密封良好的接缝通常会严重破坏表面电流的流动，从而在屏蔽外壳中造成重大破坏。例如，如图7(a)或图7(b)所示，两个简单地相互压在一起的金属表面很少在高频下提供足够可靠的接触。金属板的表面氧化、腐蚀和翘曲降低了电接触的质量。螺钉或铆钉[图7(c)]可以在某些点上提供良好的电接触，但它们不一定能改善紧固件之间位置的连接。减少接缝阻抗的一种技术是将板的两侧重叠，如图7(d)所示。另一种常见的解决方案是采用指托或垫圈，如图7(e)和7(f)所示。

屏蔽罩

图7所示。屏蔽外壳的接缝。

电缆渗透

为了给屏蔽外壳中的电子设备供电和/或通信，通常需要使用穿过外壳壁的电线。单个未屏蔽、未过滤的导线穿过屏蔽外壳可以完全消除外壳以其他方式提供的任何屏蔽好处。如图8所示，导线上的电压和外壳上的电压之间的任何差异都像偶极子天线一样驱动导线/外壳对。由于电线和外壳都是系统中较大的金属物体，因此电线/外壳对通常是在相对低频下非常有效的天线。

因此，非常重要的是要确保任何穿透外壳的电线:

A.屏蔽良好，或者

B.)在所有可能是辐射问题的频率上保持与外壳相同的电势。

相对于屏蔽外壳的导线驱动 >

图8所示。相对于屏蔽外壳的导线驱动。

为了使屏蔽线上的屏蔽有效，它必须使一个低电感连接到屏蔽外壳。这通常是通过使用屏蔽连接器来实现的，该屏蔽连接器与电缆屏蔽和外壳进行360度金属对金属接触，如图9(a)所示。

losure连接

图9所示。电缆屏蔽到外壳连接。

一个猪尾如图9(b)所示的连接将具有显著的电感。因此，任何电流流在屏蔽将产生一个压降通过pigtail驱动电缆屏蔽相对于外壳，导致辐射发射。

如果穿过屏蔽外壳的导线没有被屏蔽，则必须进行过滤。滤波将最大限度地降低辐射频率下电线和外壳之间的电压，同时允许低频信号或功率不受衰减地通过。通常需要将滤波器放置在尽可能靠近连接器位置的地方，以便最大限度地减少连接的电感，并防止噪声耦合到过滤后的导线的可能性。滤波器位置的示例如图10所示。

过滤器配置

图10所示。可能的电缆滤波器配置。

波导在截止点以下造成的衰减

有时为了通风的目的，在防护罩上有大量的孔是必要的。在具有非常严格的屏蔽和热要求的大型外壳中，可能需要进一步减少可以通过任何给定孔径逸出的能量。这可以通过增加孔径的深度来实现，使其类似于一个小波导。在孔径的横截面尺寸相对于半波长较小的频率上，通过孔径传播的能量将以与通过低于截止频率的波导传播的能量衰减相同的方式衰减。

能量在波导中的传播频率低于截止频率。相反，磁场呈指数衰减。用一个简单的近似公式来计算开口随深度的衰减量，d，以及最大高度或宽度，一个是:

$一个 t t e n u 一个 t 我 o n ＝ 30. \frac{d}{一个} \sqrt{1 - {（ \frac{f}{f_{c}})}^{2}} dB$ （2）

在哪里f场的频率和f_c为开口的截止频率。截止频率大约是最大高度或宽度，一个，等于半波长。

使用矩形波导进行推导

对于具有高度的矩形波导b、宽度一个和长度d时，截止频率最低的传播模式为TE₁₀模式。

矩形波导几何

图11所示。矩形波导几何。

TE的传播常数₁₀模态由，

$β ＝ \sqrt{{（ \frac{2 π}{λ})}^{2} - {（ \frac{π}{一个})}^{2}}$ （3）

在根下项为负的频率上，传播常数是虚的，场不传播。这发生在λ > 2a。TE的截止波长₁₀因此模态是λ_c= 2。截止频率是，

$f_{c} ＝ \frac{v}{λ_{c}} ＝ \frac{v}{2 一个}$ （4）

其中v是波导介质中的传播速度(3x10⁸M /s在空中)。

在截止频率以下，波导中的磁场大小呈指数衰减，

$E （ z) ＝ E_{o} e^{- | β | z}$ （5）

在一段距离内，磁场的总衰减，d，以dB表示，则

$一个 t t e n u 一个 t 我 o n 我 n d B ＝ 20. {日志}_{10} e^{- | β | d} ＝ 8.7 | β | d$ (6）

(3)、(4)、(6)式组合，

$一个 t t e n u 一个 t 我 o n 我 n d B \approx 27 \frac{d}{一个} \sqrt{1 - {（ \frac{f}{f_{c}})}^{2}}$ (7）

使用圆形波导进行推导

对于直径为圆形的波导一个和长度d，如图12所示，截止频率最低的传播模式为TE₁₁模式。

圆形波导几何

图12所示。圆形波导几何。

传播常数由，

$β ＝ \sqrt{{（ \frac{2 π}{λ})}^{2} - k_{c}^{2}} ＝ k_{c} \sqrt{1 - {（ \frac{k}{k_{c}})}^{2}} ＝ k_{c} \sqrt{1 - {（ \frac{f}{f_{c}})}^{2}}$ （8）

在哪里k_c对于TE₁₁模式,

$k_{c} ＝ \frac{3.682}{一个}$ ．（9)

令式(8)中根式下的项为零，则截止频率为:

$f_{c} ＝ \frac{0.586 v}{一个}$ (10)

其中v是波导介质中的传播速度(3x10⁸M /s在空中)。

在截止频率以下，波导中的磁场大小呈指数衰减，

$E （ z) ＝ E_{o} e^{- | β | z}$ ．（11）

在一段距离内，磁场的总衰减，d，以dB表示，则

$一个 t t e n u 一个 t 我 o n 我 n d B ＝ 20. {日志}_{10} e^{- | β | d} ＝ 8.7 | β | d$ （12）

(8)、(10)、(12)式组合，

$一个 t t e n u 一个 t 我 o n 我 n d B \approx 32 \frac{d}{一个} \sqrt{1 - {（ \frac{f}{f_{c}})}^{2}}$ ．（13）

假设及注意事项

请注意，基于矩形和圆形波导的导数在前面都有一个常数，在30的3db范围内。其他模式的传播产生不同的常数，但低阶模式占主导地位，所以使用值为30是合理的。

注意，该表达式的厚度接近于0 dBd的值趋于0。然而，即使是薄孔径也会提供一些衰减，如果他们的横截面相对于波长小。式(2)中的近似表达式不是很准确，除非d>>一个．

这个模型没有解释电场是如何在开口的一端建立的，也没有解释电场从另一端辐射的效率如何。因此，它本身不能用来确定任何特定屏蔽的屏蔽效果。在(2)中计算的衰减应该被添加到从薄屏蔽中相同孔径配置获得的屏蔽效果中。

请注意，如果导线或任何类型的第二导体穿透开口，则传播的最低阶模式是TEM模式。在TEM模式下，任何频率的电场都可以穿透小孔，因此如果有电线穿透小孔，则使用粗孔径没有任何好处。

一些教科书指出，如果有多个孔径，(2)中的衰减应该减少10*log10(#个孔径)。但是，式(2)中的衰减是薄孔径或薄孔径阵列提供的衰减之外的衰减。式(2)不能直接计算屏蔽效果;如果从多个薄孔径提供的衰减开始，则没有理由降低多个厚孔径的式(2)值。

参考文献

H. Ott，电磁兼容工程， John Wiley & Sons，纽约，2009年。

c·r·保罗，电磁兼容性介绍，第二版。，微波与光学工程中的Wiley系列，2006。