2.10 屏蔽

屏蔽（Shielding）可以用來(lái)控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播，這是克服電場(chǎng)耦合干擾、磁場(chǎng)耦合干擾及電磁輻射干擾的最有效手段。屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或高磁導(dǎo)率材料來(lái)減少磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的強(qiáng)度。屏蔽可以應(yīng)用于噪聲源，通過(guò)用屏蔽材料把干擾源包圍起來(lái)可以減弱干擾場(chǎng)的強(qiáng)度，參見(jiàn)圖2.9.14（a）；屏蔽也可以應(yīng)用于需要抑制噪聲的檢測(cè)電路，通過(guò)用屏蔽材料把敏感電路包圍起來(lái)可以減弱電路附近的場(chǎng)強(qiáng)，參見(jiàn)圖2.9.14（b）；也可以兩者都屏蔽，這樣抑制場(chǎng)耦合噪聲的效果會(huì)更好。屏蔽的范圍可以是電纜、個(gè)別器件或整個(gè)電路系統(tǒng)。

屏蔽和接地是抑制干擾噪聲的兩種最有效手段，兩者又相互關(guān)聯(lián)，如抑制電場(chǎng)噪聲的屏蔽層接地后會(huì)更有效。

針對(duì)磁場(chǎng)干擾、電場(chǎng)干擾和電磁場(chǎng)干擾所采取的屏蔽方式和屏蔽材料是有區(qū)別的。因此，在介紹各種不同的屏蔽措施之前，有必要首先了解干擾場(chǎng)的傳播方式和波阻抗的概念。

2.10.1 場(chǎng)傳播與波阻抗

場(chǎng)的性質(zhì)是由干擾源的性質(zhì)、傳播介質(zhì)及到干擾源的距離確定的。在靠近干擾源的地方，場(chǎng)的性質(zhì)主要取決于干擾源的性質(zhì)；在遠(yuǎn)離干擾源的地方，場(chǎng)的性質(zhì)主要取決于傳播介質(zhì)。

任何載有交變電流的導(dǎo)線都會(huì)向其周?chē)l(fā)射交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之比取決于干擾源的性質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)到干擾源的距離及傳播介質(zhì)的性質(zhì)。傳播介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比稱(chēng)為波阻抗ZW，即

對(duì)于尺寸較小的空氣中的發(fā)射源，波阻抗隨著到干擾源的距離r變化的情況如圖2.10.1所示。r＜λ/2π（λ為波長(zhǎng)）時(shí)的場(chǎng)稱(chēng)為近場(chǎng)，或感應(yīng)場(chǎng)；r＞λ/2π時(shí)的場(chǎng)稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)，或輻射場(chǎng)；r=λ/2π附近的區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡區(qū)。

在近場(chǎng)，波阻抗ZW取決于干擾源的性質(zhì)及到干擾源的距離。當(dāng)干擾源為小電流、高電壓時(shí)，近場(chǎng)以電場(chǎng)為主，波阻抗ZW較高，ZW>377Ω，干擾主要由容性耦合引入；當(dāng)干擾源為大電流、低電壓時(shí)，近場(chǎng)以磁場(chǎng)為主，波阻抗ZW較低，ZW<377Ω，干擾主要由感性耦合引入。

在以電場(chǎng)為主的情況下，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度E以1/r3的速率衰減，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H以1/r2的速率衰減，因此ZW逐漸減小，最后減小為傳播介質(zhì)的特征阻抗Z0；而在以磁場(chǎng)為主的情況下，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度E以1/r2的速率增加，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H以1/r3的速率增加，因此ZW逐漸增加，最后增加為傳播介質(zhì)的特征阻抗Z0。

在遠(yuǎn)場(chǎng)，波阻抗等于傳播介質(zhì)的特征阻抗Z0，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H都以1/r的速率衰減，干擾呈現(xiàn)為平面輻射波，這時(shí)的電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量互相垂直，兩者又都垂直于傳播方向。對(duì)于圖2.9.15所示的兩種干擾源，其輻射場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形狀如圖2.9.16所示。圖中的實(shí)線表示磁場(chǎng)，虛線表示電場(chǎng)。

空氣中的波阻抗Z0為常數(shù)，Z0=（μ0/ε0）1/2=377Ω。

在遠(yuǎn)場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H以固定比率（如在空氣中，E/H=377Ω）組合而形成平面輻射電磁波，這時(shí)如果已知E或H中的任何一個(gè)，就可以推算出另外一個(gè)。在近場(chǎng)中，電場(chǎng)干擾和磁場(chǎng)干擾必須分別考慮，這是因?yàn)閮烧叩谋嚷什皇浅?shù)。

在以電場(chǎng)為主的近場(chǎng)中，空氣中的波阻抗約為

ZE≈（j2πfε0r）-1 （2-10-2）

式中，r是到干擾源的距離。而對(duì)于以磁場(chǎng)為主的近場(chǎng)，空氣中的波阻抗約為

ZM≈j2πfμ0r （2-10-3）

介質(zhì)對(duì)平面波的波阻抗等于該介質(zhì)的波阻抗，定義為

式中，ε為傳播介質(zhì)的介電常數(shù)；μ為傳播介質(zhì)的磁導(dǎo)率；σ為傳播介質(zhì)的電導(dǎo)。

對(duì)于絕緣體傳播介質(zhì)，式（2-10-4）可簡(jiǎn)化為

在空氣中，式（2-10-4）可演變?yōu)?/p>

或

式中，μr為對(duì)空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率；σr為對(duì)銅的相對(duì)電導(dǎo)，而銅的電導(dǎo)σC=5.82×10-7S/m。

對(duì)于銅，其波阻抗|ZW|=3.68×10-7（1/f）1/2；對(duì)于鋁，其波阻抗|ZW|=4.71×10-7（1/f）1/2；對(duì)于鋼，其波阻抗|ZW|=3.68×10-9（1/f）1/2。

優(yōu)良導(dǎo)體的波阻抗要比空氣小得多。例如，當(dāng)頻率f=1MHz時(shí)，銅的波阻抗為3.68×10-4Ω。

2.10.2 屏蔽層的吸收損耗

傳播介質(zhì)的吸收作用使得電磁波強(qiáng)度得以衰減，這種衰減也叫做穿透損失。吸收衰減遵從指數(shù)規(guī)律，即

Ex≈E0exp（-x/δ） （2-10-8）

Hx≈H0exp（-x/δ） （2-10-9）

式中，Ex和Hx分別為深度x處的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度；δ為集膚深度，定義為場(chǎng)強(qiáng)衰減到原值（x=0時(shí)的值）的1/e或37%時(shí)所需的深度，其值為

δ≈（πfμσ）1/2（m） （2-10-10）

用相對(duì)電導(dǎo)σr和相對(duì)磁導(dǎo)率μr代替式（2-10-10）中的μ和σ，得

表2.10.1列出了幾種可能用于屏蔽的常見(jiàn)金屬在不同頻率下的集膚深度。

表2.10.1 常見(jiàn)金屬在不同頻率下的集膚深度

厚度為x的屏蔽層的吸收損耗A為

式中，x的單位為m。式（2-10-12）說(shuō)明，厚度為集膚深度的屏蔽層的吸收衰減約為9dB，而且屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高，電導(dǎo)率越高，屏蔽層越厚，對(duì)電磁波的吸收衰減越大。吸收衰減A與屏蔽層厚度x的關(guān)系如圖2.10.2所示，該圖對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和平面波都適用。

2.10.3 屏蔽層的反射損耗

屏蔽層表面對(duì)電磁波的反射作用對(duì)電磁波的場(chǎng)強(qiáng)具有衰減作用。當(dāng)電磁波入射到兩種傳播介質(zhì)的交界處時(shí)，一部分電磁波被反射，另一部分電磁波穿過(guò)界面，如圖2.10.3所示。

反射損耗與反射界面兩邊介質(zhì)的特征阻抗有關(guān)。對(duì)于垂直入射情況，電場(chǎng)傳播系數(shù)為

而磁場(chǎng)傳播系數(shù)為

式中，E1（H1）是入射波的強(qiáng)度；E2（H2）是穿過(guò)界面的透射波強(qiáng)度；Z1和Z2分別是反射界面兩邊傳播介質(zhì)的波阻抗。

若從絕緣體（如空氣）入射到導(dǎo)體，則Z2?Z1，此時(shí)式（2-10-13）和式（2-10-14）可簡(jiǎn)化為

當(dāng)電磁波穿過(guò)屏蔽層時(shí)，入射電磁波遇到兩個(gè)界面，因此它經(jīng)歷了兩次反射衰減，如圖2.10.4所示。

在不存在屏蔽層的吸收和多次反射的情況下，設(shè)屏蔽材料的特征阻抗為Zs，屏蔽層之外的空間介質(zhì)的波阻抗為Zw，則利用式（2-10-13）和式（2-10-14）可得

對(duì)空氣中的金屬屏蔽層，滿足|Zs|?|Zw|，則有

需要注意的是，雖然從式（2-10-19）看起來(lái)屏蔽層對(duì)電場(chǎng)的衰減和對(duì)磁場(chǎng)的衰減是一樣的，但是對(duì)于屏蔽材料為金屬、自由空間為空氣的常見(jiàn)情況而言，根據(jù)式（2-10-13），對(duì)電場(chǎng)的反射衰減主要發(fā)生在從空氣到金屬的入射界面，而根據(jù)式（2-10-14），對(duì)磁場(chǎng)的反射衰減主要發(fā)生在從金屬到空氣的射出界面。因此，對(duì)于電場(chǎng)屏蔽，可以使用很薄的金屬箔；而對(duì)于磁場(chǎng)屏蔽，往往還要利用高磁導(dǎo)率材料的吸收作用。根據(jù)式（2-10-12）可知屏蔽層的厚度需要大一些。

將反射損耗表示為分貝，有

式（2-10-20）所表示的反射損耗R適用于垂直入射的情況。如果不是垂直入射，則反射損耗隨入射角的增加而增加。

下面分別分析遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)中的反射損耗。

1.遠(yuǎn)場(chǎng)中的反射損耗

對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)中的平面波，波阻抗Zw等于空氣的特征阻抗Z0（377Ω），因此對(duì)空氣中的屏蔽層有

式（2-10-21）說(shuō)明，屏蔽材料的電導(dǎo)越高、磁導(dǎo)率越低，則對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波的反射損耗越大。雖然鋼比銅的吸收損耗大，但是其反射損耗要比銅小。

2.近場(chǎng)中的反射損耗

在近場(chǎng)中，波阻抗Zw不取決于介質(zhì)的特征阻抗，而取決于干擾源的特性及到干擾源的距離。

如果干擾源是高電壓、小電流，則干擾場(chǎng)以電場(chǎng)為主，波阻抗Zw高于377Ω，則有

如果干擾源是低電壓、大電流，則干擾場(chǎng)以磁場(chǎng)為主，波阻抗Zw低于377Ω，則有

根據(jù)式（2-10-22）、式（2-10-23），分別對(duì)于相距干擾源1m和30m的銅屏蔽層，各種反射損耗隨頻率和距離變化的情況如圖2.10.5中所示。圖中上部的兩條線是針對(duì)以電場(chǎng)為主的近場(chǎng)的，波阻抗Zw較大，反射損耗也較大；下部的兩條線是針對(duì)以磁場(chǎng)為主的近場(chǎng)的，波阻抗Zw較小，反射損耗也較小。對(duì)于到干擾源的任何指定距離r，3種曲線在f=300×106/（2πr）處匯合，此處相當(dāng)于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的分界點(diǎn)，即圖2.10.1中的r=λ/2π處。圖2.10.5中的曲線適用于只產(chǎn)生電場(chǎng)或只產(chǎn)生磁場(chǎng)的點(diǎn)發(fā)射源。但是實(shí)際的干擾源發(fā)射的往往是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合，因此實(shí)際的反射損耗曲線位于圖2.10.5中以電場(chǎng)為主的曲線和以磁場(chǎng)為主的曲線之間的某處。

2.10.4 屏蔽效果

1.屏蔽總效果

屏蔽效果可以通過(guò)由屏蔽層引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減程度來(lái)說(shuō)明。

對(duì)于電場(chǎng)，屏蔽效果定義為

對(duì)于磁場(chǎng)，屏蔽效果定義為

將屏蔽層的吸收作用、反射作用及其他因素綜合考慮在一起，屏蔽總效果可以表示為

S=A+R+Bs（dB） （2-10-26）

式中，A為吸收損耗，單位為dB；R為反射損耗，單位為dB；Bs為校正系數(shù)，單位為dB。式（2-10-26）中的校正系數(shù)Bs是由屏蔽層內(nèi)的多次反射引起的校正項(xiàng)，即

Bs=10lg[1-2×10-0.1Acos（0.23A）+10-0.2A]（2-10-27）

式中，A為吸收損耗。如果屏蔽材料的吸收作用足夠大（A>15dB），則Bs可以忽略。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于電場(chǎng)和平面波，反射損耗R比校正系數(shù)Bs要大得多，因此也可以忽略Bs。

由這些公式可以看出：

（1）吸收損耗A和反射損耗R都隨屏蔽材料電導(dǎo)的增加而增加；

（2）當(dāng)屏蔽材料的磁導(dǎo)率增加時(shí)，吸收損耗A增加，但是反射損耗R減少；

（3）當(dāng)頻率f提高時(shí)，吸收損耗增加，磁場(chǎng)中的反射損耗增加；如果屏蔽材料的磁導(dǎo)率為恒定值，則電場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中的反射損耗隨頻率f的提高而減少。

對(duì)于常用做屏蔽材料的銅和鋁這些非鐵磁材料，其磁導(dǎo)率為常數(shù)l。但是鐵磁材料的磁導(dǎo)率隨著頻率的升高而減少，低頻時(shí)磁導(dǎo)率越高，磁導(dǎo)率開(kāi)始減少的頻率越低。例如，矽鋼在低頻情況下的相對(duì)磁導(dǎo)率為1000，在頻率為10MHz時(shí)降為500。鎳鐵在低頻情況下的相對(duì)磁導(dǎo)率為20，而當(dāng)頻率為幾千赫茲時(shí)，其磁導(dǎo)率就會(huì)減少一半。從前面介紹的公式和圖表可以看出，電場(chǎng)更容易屏蔽，利用任何良導(dǎo)體在任何頻率都能取得較好的屏蔽效果。由圖2.10.5可知：屏蔽層對(duì)電場(chǎng)的反射損耗較大，因此電場(chǎng)屏蔽不必依靠吸收損耗，可以使用很薄的屏蔽層；屏蔽層對(duì)平面波的反射衰減也不錯(cuò)，但在射頻情況下可能需要利用吸收損耗來(lái)增加衰減，對(duì)于平面波也可以使用薄的屏蔽層，因?yàn)樵谏漕l情況下集膚深度很小，如果屏蔽層很薄，則其吸收作用可以忽略，對(duì)由多次反射導(dǎo)致的校正項(xiàng)Bs必須加以考慮，如果屏蔽層是附在絕緣襯底上的金屬膜，則襯底的厚度可能會(huì)對(duì)屏蔽效果產(chǎn)生一定的影響。磁場(chǎng)中的波阻抗較小，根據(jù)式（2-10-20）知這時(shí)的反射損耗也較小，所以有必要依靠屏蔽層的吸收作用來(lái)達(dá)到屏蔽效果。對(duì)于頻率為幾兆赫茲以上的干擾，可以利用非鐵磁材料的吸收作用；對(duì)于較低頻率的干擾，可以利用一定厚度的磁性材料來(lái)進(jìn)行屏蔽，但要注意在該頻率下屏蔽材料的磁導(dǎo)率沒(méi)有降低太多。除了吸收作用之外，磁性材料的高磁導(dǎo)率還具有集中磁力線的作用，這會(huì)降低屏蔽層之外區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高屏蔽效果。

2.多層屏蔽

對(duì)于頻率很低的磁場(chǎng)干擾，需要使用很高磁導(dǎo)率的屏蔽材料，如鎳鐵高磁導(dǎo)率合金（mu—metal），但這種材料在很低的磁場(chǎng)強(qiáng)度下就會(huì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，因此有必要采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。如圖2.10.6所示，第一層屏蔽使用磁飽和強(qiáng)度較高的低磁導(dǎo)率材料；第二層屏蔽使用磁飽和強(qiáng)度較低的高磁導(dǎo)率材料。經(jīng)過(guò)第一層屏蔽的衰減，到達(dá)第二層屏蔽的磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)比較低，不會(huì)使它飽和；再利用第二層屏蔽的高磁導(dǎo)率，可以把干擾磁場(chǎng)衰減到很低的水平。

在多層屏蔽中可以使用非鐵磁材料（銅）作為第一層，鐵磁材料作為第二層，只有非常苛刻的條件下才會(huì)使用三層屏蔽。在受到機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力時(shí)，鎳鐵合金或坡莫合金等高磁導(dǎo)率材料的磁導(dǎo)率會(huì)降低，因此當(dāng)它們?cè)谑褂眠^(guò)程中落地或受到碰撞時(shí)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行退火，以恢復(fù)其磁導(dǎo)率。

3.屏蔽層上的開(kāi)孔和接縫

對(duì)無(wú)開(kāi)孔和接縫的連續(xù)屏蔽層而言，很容易達(dá)到90dB以上的屏蔽效果。而開(kāi)孔和接縫會(huì)使屏蔽效果大為降低，并可能對(duì)屏蔽效果起著決定作用。由開(kāi)孔和接縫造成的漏磁場(chǎng)問(wèn)題比漏電場(chǎng)問(wèn)題更為嚴(yán)重，漏磁場(chǎng)的大小主要取決于下列3個(gè)因素：①干擾場(chǎng)的波阻抗；②干擾場(chǎng)的頻率；③開(kāi)孔的最大直線尺寸。噪聲磁場(chǎng)在屏蔽層中感應(yīng)出電流，這些電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)可抵消原噪聲磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生屏蔽效果。為了使得這種抵消作用有效發(fā)生，必須允許感應(yīng)出的屏蔽層電流自由流動(dòng)。如果屏蔽層的不連續(xù)性迫使感應(yīng)電流按不同于外界磁場(chǎng)感應(yīng)出的路徑流動(dòng)，則屏蔽效果就會(huì)打折扣。感應(yīng)電流繞路越遠(yuǎn)，屏蔽效果越差。因此，漏磁場(chǎng)主要取決于開(kāi)孔的最大直線尺寸，而不是開(kāi)孔的面積。圖2.10.7給出了同樣面積的兩種開(kāi)孔方式，其中圖（a）中的長(zhǎng)孔使感應(yīng)電流繞路較遠(yuǎn)，屏蔽效果受影響較大，即使長(zhǎng)孔的寬度再窄一些也無(wú)濟(jì)于事；圖（b）中的開(kāi)孔較多，但是所有孔的直線尺寸都不大，感應(yīng)電流繞路不多，屏蔽效果受影響較小。因此，大量的小孔比同樣面積的—個(gè)大孔產(chǎn)生的漏磁要少。

圖2.10.7（a）所示的長(zhǎng)矩形孔還形成了一種槽縫天線，如果其長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的百分之一，即使槽孔的寬度很窄，也會(huì)引起相當(dāng)可觀的漏磁。當(dāng)槽孔長(zhǎng)度等于波長(zhǎng)的一半時(shí)，槽縫天線的輻射作用最大。屏蔽盒的接縫很容易形成這樣的槽縫天線。對(duì)屏蔽層的接縫進(jìn)行焊接或銅焊可以保持屏蔽層的連續(xù)性，從而可以將接縫漏磁減到最少。對(duì)于不能焊接的接縫，要想方設(shè)法保持屏蔽層的電氣連續(xù)性，用導(dǎo)電的EMI襯墊壓緊在接縫處就是一種很好的辦法，這種辦法能在幾千赫茲到幾吉赫茲的頻率范圍內(nèi)控制漏磁。一種最常用的EMI襯墊是把金屬編制網(wǎng)做成條狀，截面為矩形或圓形。EMI襯墊的材料應(yīng)該與同它接觸的屏蔽層金屬相兼容，以防發(fā)生銹蝕。因此，鎳銅合金或鍍銀黃銅襯墊不應(yīng)與鋁屏蔽盒一起使用。

如果屏蔽層上的開(kāi)孔做成波導(dǎo)管的形狀，則可以使干擾場(chǎng)獲得進(jìn)一步的衰減。在實(shí)際應(yīng)用中，如果屏蔽層上的開(kāi)孔直徑小于屏蔽層的厚度，就形成了波導(dǎo)管，其長(zhǎng)度等于屏蔽層厚度。使用由蜂窩狀波導(dǎo)管構(gòu)成的通風(fēng)格柵可以很好地衰減漏磁場(chǎng)。

沒(méi)有開(kāi)孔和接縫的不同屏蔽材料在不同頻率范圍能夠達(dá)到的屏蔽效果如表2.10.2所示。

表2.10.2 不同屏蔽材料在不同頻率范圍能達(dá)到的屏蔽效果

注①：1mm厚屏蔽層的吸收損耗；②：距離干擾源1m處的磁場(chǎng)反射損耗。

綜上所述，關(guān)于金屬材料的屏蔽作用可以總結(jié)如下：①對(duì)于電場(chǎng)和平面波，反射損耗很大；②對(duì)于低頻磁場(chǎng)，反射損耗一般較小；③厚度等于集膚深度的屏蔽層提供大約9dB的吸收損耗；④磁場(chǎng)比電場(chǎng)更難于屏蔽；⑤對(duì)于低頻磁場(chǎng)，要用磁性材料進(jìn)行屏蔽；⑥對(duì)于電場(chǎng)、平面波和高頻磁場(chǎng)，要用良導(dǎo)體材料進(jìn)行屏蔽；⑦實(shí)際屏蔽效果常常取決于屏蔽層上的開(kāi)孔和接縫情況，而不取決于屏蔽材料本身的屏蔽效果；⑧漏磁場(chǎng)的量取決于屏蔽層上開(kāi)孔的最大尺寸，而不取決于開(kāi)孔的面積；⑨大量的小孔比同樣面積的一個(gè)大孔的漏磁要少。