摘要：信息化发展迅速的今天，电子设备产品广泛应用于人们的生活、工作之中。电子设备的电磁屏蔽显得尤为重要。首先介绍电子设备的屏蔽效能、屏蔽分类，然后分析电磁屏蔽机理，最后阐述了孔缝泄漏对电磁泄漏的重要性。

　　论文关键词：电磁兼容，屏蔽效能，孔缝泄漏

　　
　　0引言

　　
　　当今社会，电子产品涉及了计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事，以至人民生活各个方面。使得电子产品的电磁兼容性问题更加凸显，国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在的环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。可见这两个方面都涉及了电磁干扰的影响，因此电磁屏蔽正是为了降低或消除电磁干扰而产生的一门技术。如何对电子产品做到有效而简单的电磁屏蔽从而降低电磁辐射，是每个电子产品设计师不懈追求的目标。

　　
　　1 典型电子设备的屏蔽效能

　　
　　1.1 屏蔽效能的定义

　　
　　屏蔽效能（SE）为空间某一点屏蔽前后场强之比

　　
　　孔缝泄漏 , 电磁兼容

　　
　　根据电磁屏蔽的定义，屏蔽效能可表示为

　　
　　SE=设备的预期（实际）发射－极限值（1）

　　
　　SE＝敏感度极限值－设备预期（实际）的干扰响应阈值（2）

　　
　　（1）式表示对于干扰源的抑制屏蔽效能：

　　
　　（2）式表示对于受干扰设备抗干扰的屏蔽效能。

　　
　　1.2 机柜的屏效技术指标

　　
　　目前涉及有线、无线通信产品的电磁兼容标准主要有YDN065、IEC61587-3、ETS300 342-1、ETS300 342-2、ETS300 342-3等，其中YDN065、IEC61587-3适用有线通信产品，ETS300 342系统标准适用于无线产品。以典型电子设备19英寸机柜的标准为例，给出了IEC61587-3规定的屏蔽等级如下表：

　　
　　表1-1

　　

　　等级

　　屏蔽效能（dB）

　　频率范围（MHz）

　　30～230

　　230～1000

　　1

　　20

　　10

　　2

　　40

　　30

　　3

　　60

　　50

　　
　　ETS300 342系列标准（GSM标准）涉及机柜屏蔽性能的要求为辐射发射及辐射敏感度。下表给出了具体指标。

　　
　　表1-2

　　

　　频率

　　要求

　　频率（MHz）

　　最大极限值（dBm）

　　基站发射机机壳辐射杂散发射

　　30～1000

　　-36

　　1000～4000

　　-30

　　基站接收机机壳辐射杂散发射

　　30～1000

　　-57

　　1000～4000

　　-47

　　基站及固定附属设备辐射敏感度

　　80～1000

　　ENV50140

　　
　　从表中可以看出，GSM设备要求的上限频率为4GHz。

　　
　　3 国内外公司机柜设计屏效对比

　　
　　电磁兼容

　　
　　图1-1 EMCOR公司的TEMPEST级机柜屏效

　　
　　电磁兼容

　　
　　图1-2 Rittal公司EMC多用途机柜屏效

　　
　　电磁兼容

　　
　　图1-3 国内高性能屏蔽机柜的屏效

　　
　　通过大量的实例测试，也可证明上述分析是正确的。因此可以对满足不同标准的设备所需的屏蔽效能，给出下列规律：

　　
　　民用设备：35～65dB

　　
　　军用设备：60～100dB

　　
　　明确了所需的屏蔽效能，就可以确定具体的屏蔽结构以及选取所需的屏蔽材料。

　　
　　2电磁屏蔽分类及屏蔽机理

　　
　　屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。

　　
　　2.1 电磁屏蔽分类

　　
　　电磁屏蔽大致分三类：电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。

　　
　　电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、器件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。

　　
　　磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。

　　
　　电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。

　　
　　工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：非闭合载流导线辐射源和闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成。

　　
　　2.1.1 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：电磁兼容 远场：电磁兼容

　　
　　下面给出两种源的波阻抗模值计算公式：

　　
　　a.电偶极子的近场波阻抗模值 电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　
　　当电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨时，电磁兼容。所以电偶极子在近场的波阻抗为高阻抗。

　　
　　b.磁偶极子的近场波阻抗模值 电磁兼容

　　
　　当电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨时，电磁兼容，所以磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗。

　　
　　c.电偶极子和磁偶极子的远场波阻抗模值电磁兼容

　　
　　所以，可以将上述两种源称为高阻抗电场源和低阻抗磁场源。

　　
　　2.1.2 场源的能量密度

　　
　　场源的总能量密度：孔缝泄漏

　　
　　电场分量能量密度：孔缝泄漏

　　
　　磁场分量能量密度：屏蔽效能

　　
　　表2-1 场源的能量密度

　　

　　场源类型

　　能量密度比较

　　近场（屏蔽效能）

　　远场（电磁兼容）

　　电偶极子

　　电磁兼容

　　电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　磁偶极子

　　电磁兼容

　　孔缝泄漏

　　
　　通过上面波阻抗和能量分析，可以看出两类源在近场的差别较大，因此又可根据其波阻抗和能量的性质，将上述两种源总结如下表：

　　
　　表2-2 场源的远近场比较

　　

　　场源类型

　　近场（屏蔽效能）

　　远场（屏蔽效能）

　　电偶极子（非闭合载流导线）

　　电屏蔽

　　（包括静电屏蔽）

　　电磁屏蔽

　　磁偶极子（闭合载流导线）

　　磁屏蔽

　　（包括恒定磁场屏蔽）

　　电磁屏蔽

　　
　　2.2 屏蔽机理

　　
　　2.2.1 静电屏蔽

　　
　　根据电磁场理论，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，内部没有定向运动的电荷流，因此导体中的电场强度必然为零（外加静电场与在导体上的感应电场的矢量和为零）。另有导体的场方程：

　　
　　电磁兼容

　　
　　方程表明，导体表面一定存在电荷，电力线起始于正电荷而终止于负电荷，电力线垂直于导体表面。静电屏蔽正是利用导体在静电场中的性质来达到屏蔽目的。如果仅用屏蔽体将静电场源包围起来，实际上起不到屏蔽的作用，只有将屏蔽体接地时，才能将静电场源所产生的电力线封闭在屏蔽体内部，屏蔽体才能真正起到屏蔽的作用。

　　
　　2.2.2 低频电场的屏蔽

　　
　　电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　
　　图2-1 低频电场

　　
　　设干扰源g上有一交变电压，在其附近有一受感器s通过阻抗接地，干扰源g对受感器s的电场感应作用等效为分布电容，从而形成了由屏蔽效能构成的回路（上图），在受感器上产生的干扰为：

　　
　　屏蔽效能 （1）为了减少g对s的干扰，在两者之间如上图C中加入屏蔽体，使得原来的变为很小，可以忽略。受感器上被感应的电压：

　　
　　屏蔽效能 （2）从上面两式可以看出，要使比较小，则应比较小，而为屏蔽体的阻抗和接地阻抗之和。这一事实表明，屏蔽体必须选用导电性能好的材料，必须接地。若屏蔽体不接地或接地不良，则（C与两极板间距成反比，与极板面积成正比），这将导致加屏蔽体后，干扰变得更大。因而使用良导体接地是必须的。综上所述，电屏蔽的实质是在保证良好接地的条件下，将干扰源发生的电力线终止于由良导体制成的屏蔽体，从而切断了干扰源与受感器之间的电力线交链。

　　
　　2.2.3 磁屏蔽

　　
　　磁屏蔽包括两部分内容：恒定磁场的屏蔽和对低阻抗磁场源的近区场即低频时变磁场的屏蔽。由Maxwell方程，磁场的散度和旋度表达式：

　　
　　电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　
　　磁场的散度恒为零，旋度不为零，表明了自然界不存在磁荷，所以磁力线一定是闭合的。这个性质说明磁屏蔽无法象电屏蔽那样，将磁力线终止于屏蔽体，而只能利用屏蔽体对磁力线（磁场）进行分流，来切断干扰源与受感器之间的磁力线交链。下图为磁屏蔽示意图及等效磁路图。

　　
　　电磁兼容

　　
　　图2-2 磁屏蔽及等效磁路图

　　
　　显然磁通在磁屏蔽体中与被屏蔽空间中出现分流。

　　
　　电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　
　　为磁屏蔽体的磁阻，为空气的磁阻

　　
　　孔缝泄漏

　　
　　式中—材料的磁导率（H/m）， S－磁路的横截面积（），—磁路的长度（m）

　　
　　显然，在一定的情况下，越小，越大，所以大部分磁通量流过磁屏蔽体，达到了减弱干扰场强的目的，由于与成反比，因而磁屏蔽体选用钢、铁、坡莫合金等高导磁率的铁磁性材料。上述结论无论对于恒定磁场还是低频交变磁场都是适用的。因为低频时，涡流感应电流所产生的屏蔽作用也很小。

　　
　　2.2.4 电磁屏蔽

　　
　　电磁屏蔽是屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽电场和磁场的一种措施。如下图所示

　　
　　电子设备的电磁屏蔽设计与技术探讨

　　
　　图2-3 电磁屏蔽过程

　　
　　当电磁波、向屏蔽体入射时，首先在其左表面感应出电流和电荷，形成了新的辐射源，新辐射源产生向左表面两侧传播的电磁波。反射波为、，透射波为、，透射波由于屏蔽体热损耗的影响以指数规律衰减，在到达右表面时产生反射（、）和透射（、），从而将传到屏蔽体另一侧空间的电磁能量大大减弱，起到了屏蔽的作用。

　　
　　显然，感应电流和电荷越大，所产生的反射场就越强，热损耗（吸收损耗）越大，透射波的衰减越多。因此电磁屏蔽应选用导电材料。

　　
　　3 泄漏结构及控制要素

　　
　　由于金属屏蔽体在高频时的趋肤效应，导致只要满足刚强度的屏蔽体厚度均有足够高的屏效。此时决定屏蔽体的屏效不是金属材料的种类及厚度，而是孔缝泄漏。当屏蔽体表面电流被孔缝所切断，则表面电流在孔缝处就转换为辐射场，从而导致电磁辐射泄漏（耦合）。由于随着频率的增高，当波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当时，则屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。下表分析了不同频率段两类辐射源的泄漏结构。

　　
　　表3-1 辐射源的泄漏结构

　　

　　屏蔽类 型

　　磁屏蔽

　　电屏蔽

　　电磁屏蔽

　　频率范 围

　　10kHz~500kHz

　　1MHz~500MHz

　　500MHz~40GHz

　　泄漏耦合结 构

　　屏蔽体壳体

　　屏蔽体壳体及

　　接地

　　孔缝及接地

　　控制要 素

　　合理选择壳体材料

　　合理选择壳体材料、良好接地

　　抑制孔缝泄漏、良好接地

　　
　　在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键，成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。

　　
　　根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。两者皆大，则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然很大。

　　
　　4 结论

　　
　　电磁屏蔽设计在电子产品中的应用，越来越受到广大电子工程师们的重视，如何做好屏蔽设计避免电磁泄漏是个不断学习不断摸索的过程，必要的经验积累也是必须的。

　　参考文献：

　　[1]谢忠华，电子产品的抗干扰能力和电磁兼容性探讨，武汉职业技术学院学报，2005年第5期

　　[2]杨绍胤。智能建筑实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002

　　[3]张立伟。电磁兼容与电线电缆电磁屏蔽技术的综述[J].天津光电线缆， 2004,（3）。

　　[4] MIL-HDBK-419A 电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南。

　　[5]蒋全兴等。工程中屏蔽材料的屏蔽效能分析和选择[J].电磁干扰与兼容，2008：18～21