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一文了解電磁兼容屏蔽的概念及原理
電磁兼容屏蔽的定義就是用導(dǎo)電或?qū)Т诺牟牧现瞥傻慕饘倨帘螝んw,將電磁騷擾源限制在一定范圍內(nèi),形成電磁隔離,即其內(nèi)的電磁場不能超出這一區(qū)域,而外來的輻射電磁場不能進(jìn)入這一區(qū)域或者進(jìn)入該區(qū)域的電磁能量將受到很大衰減。
在空間中的兩個區(qū)域之間插入一塊金屬隔板就可以形成一個屏蔽體,這種方法通常用于控制電場和磁場從一個區(qū)域向另一個區(qū)域的傳播,這也是電子/電氣產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)EMC設(shè)計中通常接觸的。如果屏蔽體能夠那樣將噪聲源包圍起來,電磁場就被限制在屏蔽體所形成的腔體內(nèi)部,這種方法可以為所有在屏蔽體外的敏感型設(shè)備提供電磁保護(hù);同樣也可以將電磁輻射限制在某個區(qū)域之外,但是這種措施只能保護(hù)處于屏蔽體內(nèi)的設(shè)備。
從系統(tǒng)總體設(shè)計的角度來看,屏蔽噪聲源的效果要好于屏蔽被 干擾對象的效果。但在實際應(yīng)用中,有一些“源”是允許輻射的(如廣播站、雷達(dá)等),這個時候就需要對被 干擾對象單獨(dú)進(jìn)行屏蔽處理。
屏蔽效能
在度量屏蔽體或殼體的屏蔽性能好壞時,有一個非常重要的概念——屏蔽效能。
通常,使用屏蔽體使電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度削減的程度來表示屏蔽效能,一般以分貝(dB)為單位來表示,這種表示方法非常方便。有了它,能夠很容易地用加法來表示多種屏蔽方法所產(chǎn)生的總屏蔽效能。
下面將詳細(xì)討論近場與遠(yuǎn)場條件下的屏蔽效能,一般采取兩種方法來分析確定屏蔽效能:一種方法是應(yīng)用電路理論,另一種則是應(yīng)用場的理論。根據(jù)電路理論,噪聲場會在屏蔽體上產(chǎn)生感應(yīng)電流,反過來這個電流產(chǎn)生另一個與原來的場方向相反的場,所以在場中的某些區(qū)域趨向于與原來存在的場抵消,本規(guī)范中主要述及場理論分析。
在進(jìn)行屏蔽設(shè)計時,有兩個問題需要重點(diǎn)考慮:
(1)屏蔽材料本身的屏蔽效能;
(2)屏蔽體上有開孔或其他不連續(xù)性時的屏蔽效能。
理論上,一個完整的、沒有縫隙或開孔的屏蔽體的屏蔽效能是**確定的,接下來的問題就是慮不連續(xù)性和開孔對屏蔽效能的影響。屏蔽效能的大小隨著頻率、屏蔽體的幾何結(jié)構(gòu)、被測量的場在屏蔽體中的位置、被衰減的場的類型、電磁波的入射方向和電磁波的極化方向等因素的變化而變化。
電磁波入射到金屬表面時會產(chǎn)生兩種類型的損耗:金屬表面能夠反射部分電磁波,這部分損耗稱為反射損耗;其他進(jìn)入金屬的電磁波在穿過介質(zhì)時被衰減,這部分通常稱為吸收損耗(或稱為穿過損耗)。無論是近場還是遠(yuǎn)場、電場或是磁場都會產(chǎn)生吸收損耗,而反射損耗則取決于波阻抗以及場的類型。
總而言之,任何一種導(dǎo)體材料的總屏蔽效能等于吸收損耗(A)加上反射損耗(R)以及一個考慮薄屏蔽體中多次反射的校正因數(shù)(B),即總屏蔽效能表示為下面的表達(dá)式:上式中的所有項必須以dB為單位來表示。假若吸收損耗大于9dB(也有資料說明是15dB),那么多次反射因數(shù)B可以忽略不計。從實際工程實踐結(jié)果來看,對于電場和平面波,校正因數(shù)B也可以忽略不計。
近場和遠(yuǎn)場
在討論結(jié)構(gòu)的屏蔽設(shè)計時,必須要考慮場的特性,即對結(jié)構(gòu)屏蔽體而言,所屏蔽的場是遠(yuǎn)場還是近場;而場的特性取決于源、源周圍的介質(zhì)和源到觀察點(diǎn)的距離等因素。在距離源比較近的點(diǎn),場的特性主要由源的特性決定;如果是在距離源比較遠(yuǎn)的點(diǎn),那么場的特性主要取決于場傳輸過程中所經(jīng)由的介質(zhì)。所以,輻射源周圍的空間可劃分為2個區(qū)域。距離源比較近的區(qū)域稱之為近場或感應(yīng)場;到源的距離大于λ/2π(λ為波長)的區(qū)域稱之為遠(yuǎn)場或輻射場;而接近λ/2π的區(qū)域則是遠(yuǎn)場與近場的過渡區(qū)域(這個分界點(diǎn)到源的距離近似等于1/6波長)。
波阻抗與觀察點(diǎn)到源的距離和場特性之間的關(guān)系:
電場E對磁場H的比值在物理學(xué)上稱為波阻抗。在遠(yuǎn)場條件下,波阻抗E/H的大小等于介質(zhì)的特性阻抗(例如,在空氣或自由空間中,波阻抗E/H=Z0=377Ω);而近場條件下,波阻抗E/H的大小由源的特性和源到場中觀察點(diǎn)的距離決定。如果源具有大電流、低電壓特性,那么近場主要是磁場;反之如果源具有高電壓、小電流特性,則近場主要是電場。
波阻抗與觀察點(diǎn)到源的距離和場特性之間的關(guān)系:
對于磁場占優(yōu)勢的情況,例如環(huán)狀天線產(chǎn)生的場,靠近天線的區(qū)域波阻抗為低阻。隨著觀察點(diǎn)與源之間距離的增大,磁場以1/r3大小的速率衰減,而電場以1/r2大小的速率衰減,所以波阻抗隨著觀察點(diǎn)到源的距離的增加而逐漸增大,并在該距離等于λ/2π時近似等于自由空間的波阻抗;在遠(yuǎn)場條件下,電場和磁場衰減的速率都等于1/r。