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電磁輻射的屏蔽問題
現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)界已愈來愈注意到SE/EMC的需求,而隨著更多電子組件的使用,電磁兼容性亦更受到關(guān)切。電磁輻射照射及耐受程度應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計之初即開始考慮,但因產(chǎn)品性能和成本需求常使電磁干擾(EMI)問題無法在電子組件的選用上獲得解決,因此產(chǎn)品機箱(外殼)及導(dǎo)線應(yīng)加以屏蔽,以符合電磁波兼容性的各種規(guī)范。
EMI屏蔽可使產(chǎn)品快速且有效的符合EMC的規(guī)范,當(dāng)頻率在10MHz以下時電磁波大多為傳導(dǎo)的形式,而較高頻率的電磁波則多為輻射的形式。設(shè)計時可以采用單層實心屏蔽材料、多層實心屏蔽材料、雙重屏蔽或者雙重以上屏蔽等新型材料屏蔽。對于低頻的電磁波需用厚的屏蔽層,最合適使用磁導(dǎo)率高的材料或磁性材料,如鎳銅合金等,以獲得最大的吸收損耗,而對于高頻電磁波可使用金屬屏蔽材料。 新型屏蔽結(jié)構(gòu)材料和屏蔽方法 新型屏蔽結(jié)構(gòu)和常用材料。由鋁、鋼、銅組合的屏蔽體,對電磁波有很大的反射損耗,所以只適用電屏蔽。鐵和高導(dǎo)磁率的合金體則對磁場波有很大的吸收損耗,所以適合用在磁屏蔽環(huán)境。如果條件允許可用不銹鋼制造具有很高可靠性的電磁屏蔽機殼。當(dāng)設(shè)備處于機械應(yīng)力下時,防傾斜拐角有助于機殼保持機械性能的完整性和屏蔽效能。在通信、計算機、自動化、醫(yī)療等商用電子設(shè)備上選擇最有效的電磁屏蔽襯墊時,通常可以考慮以下三種襯墊類型:導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電布、鈹銅指簧?,F(xiàn)在流行的新型的屏蔽材料還有導(dǎo)電塑料、活化導(dǎo)電鍍膜塑料、發(fā)泡鋁、發(fā)泡鎳、超微晶納米晶合金、鎳基/鈷基非晶態(tài)合金、坡莫合金箔帶等等。
多重屏蔽。多重屏蔽的原則是:各屏蔽層之間不能連接在一起,其間應(yīng)該隔開空氣或者填充其他介質(zhì),否則就失去多層屏蔽的作用,各層屏蔽體的材質(zhì)也不應(yīng)該相同。除了要考慮磁導(dǎo)率外,還要考慮飽和電平。有的時候由于需要不得不對系統(tǒng)/分系統(tǒng)進(jìn)行雙重甚至更多層的電磁屏蔽。有些系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境非常惡劣,使得對外殼屏蔽效能的要求也就很高。一般設(shè)備中最大的干擾源是振蕩電路,這種電路應(yīng)該用輔助分屏蔽體封閉后再裝入系統(tǒng)主屏蔽體中。這些分屏蔽體和主屏蔽箱內(nèi)、外屏蔽體/其他分屏蔽體之間只有一個必要的連接點,其他地方必須分開,不能連接。
多層屏蔽(系統(tǒng)箱屏蔽體或電纜)在很寬的頻段內(nèi)可以提供最佳的屏蔽效果。但在多種可供選擇的電磁兼容性方式中,是否選用多層屏蔽,主要由它的成本來決定。此外,電纜線采用多層編織線屏蔽后,其柔軟性將降低。
屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)有時候也稱屏蔽損耗、屏蔽衰減、屏蔽效果,是指未加屏蔽時某一測點的場強(E0、H0)與加屏蔽后同一測點的場強(E1、H1)之比,并以dB為單位。屏蔽效能的理論值由R(反射損耗)、A(吸收損耗)、B(校正因子)三項因素決定。一個簡單的屏蔽罩會使電磁場強度衰減十倍,即SE等于20dB;而有些場合可能會要求SE等于100dB。 吸收損耗A 是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數(shù)量,吸收損耗計算式為 AdB=1.314(f×s×m)1/2×t,其中 f:頻率(MHz),m:銅的導(dǎo)磁率,s:銅的導(dǎo)電率 ,t:屏蔽罩厚度。多孔薄型屏蔽層的例子很多,比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等,當(dāng)各孔間距較近時設(shè)計上必須要仔細(xì)考慮。此類情況下屏蔽效率計算公式 SE=[20lg (fc/o/s)]-10lg n,其中 fc/o:截止頻率,n:孔洞數(shù)目。注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況,也可用于計算金屬編織網(wǎng)的相關(guān)屏蔽效率。愈高頻的電磁波其波長愈短,這表示隨著電磁波頻率的增加,它能穿過的縫隙愈小。 金屬網(wǎng)和導(dǎo)電玻璃屏蔽效能的比較 市場上一般可以購買到的導(dǎo)電玻璃表面電阻10W/方塊,其屏蔽效能最接近于金屬屏蔽網(wǎng)。但是頻率越高,二者差別就越大,在無線電頻率范圍內(nèi),特別是在30MHz以上頻率時,導(dǎo)電玻璃的屏蔽性能要比金屬網(wǎng)的低的多。但若從美觀角度看,導(dǎo)電玻璃則比屏蔽網(wǎng)好,因此采用那一種作為系統(tǒng)設(shè)備的窺視窗,要根據(jù)屏蔽要求及實際情況來定。從表1可以知道,導(dǎo)電玻璃的屏蔽效能要比金屬屏蔽網(wǎng)低。 連接器的屏蔽 連接器屏蔽設(shè)計要注意在插針接通以前,連接器的屏蔽環(huán)先接地,而在斷開時,插針應(yīng)在連接器外殼脫開以前斷開;接到負(fù)載線路的插針應(yīng)該是陰性的或者是凹形的,以避免和連接器外殼上的其他部分發(fā)生接觸。 顯示儀器的屏蔽方法 顯示屏、陰極射線管和表頭等數(shù)據(jù)輸出口會在設(shè)備的機箱上造成屏蔽的不連續(xù)性。為此,可在讀出裝置后背的外面安裝一個屏蔽罩,并對讀出裝置的所有引入、引出線采取濾波措施。屏蔽玻璃可以用在顯示裝備上。這些材料包括銅質(zhì)網(wǎng)、銅質(zhì)薄膜、不銹鋼薄片、導(dǎo)電涂料等。 屏蔽電纜和專用連接器 金屬絲編織層由于其質(zhì)軟、實用性強,所以使用在屏蔽電纜上的機會最多。一般屏蔽效能隨著編織的密度增加而增加,隨著頻率的升高而降低。應(yīng)該注意在系統(tǒng)和分系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)使用屏蔽電纜,但不要在設(shè)備外使用,以避免不必要的電磁耦合和串?dāng)_的不良影響。對于電纜可以采用多點接地的方法,即將電纜的屏蔽層兩端接地,也可以考慮在中間加一個接地連接器,以便于接地。 音頻電纜只能一端接地,屏蔽線層絕對不能接地,一定要對地絕緣。當(dāng)然這種線路也不適合和別的信號線路共同使用一個屏蔽電纜。對于既是音頻又是視頻的電纜要使用絞合線,屏蔽層兩端也要接地。 其他屏蔽材料 ● 導(dǎo)電橡膠:在橡膠中摻入導(dǎo)電顆粒,使這種復(fù)合材料既具有橡膠的彈性,又具有金屬的導(dǎo)電性。但由于在橡膠中摻入重量達(dá)75%以上的導(dǎo)電顆粒,破壞了橡膠的結(jié)構(gòu),已經(jīng)沒有了純橡膠的彈性好、拉伸強度高等特性。 ● 雙重導(dǎo)電橡膠:它不是在橡膠所有部分摻入導(dǎo)電顆粒,這樣獲得的好處是既最大限度地保持了橡膠的彈性,又保證了導(dǎo)電性,是一種新型的屏蔽材料。 金屬編織網(wǎng)套:用金屬絲編織成的空心網(wǎng)套,這種材料具有彈性和導(dǎo)電性。 ● 橡膠芯編織網(wǎng)套:以橡膠為芯的金屬編織網(wǎng)套,這種材料由于用橡膠為芯,因此彈性很好且很耐壓。 ● 螺旋管襯墊:用不銹鋼、鈹銅或鍍錫鈹銅卷成的螺旋管,具有很好的彈性和導(dǎo)電性。 ● 指形簧片:用鈹銅做成的彈性簧片材料。 結(jié)語 屏蔽是降低設(shè)備電磁輻射干擾方法的主要一種,在屏蔽的同時也應(yīng)該注意濾波和接地的重要性。如使用平衡變壓器、接地、隔離變壓器、鐵氧體磁環(huán)、光電耦合器、減小公共地的阻抗、減小互聯(lián)電纜的環(huán)路面積、對電纜進(jìn)行分組、將帶寬減小到必要的程度 、減小輸入阻抗、減小電路的環(huán)路面積、將敏感器件屏蔽起來、使用瞬間干擾抑制器件、改變工作頻率、PCB電磁兼容布線等設(shè)計合理,就會對屏蔽效能要求甚少,有時候不屏蔽就可以滿足性能要求。 限于篇幅本文沒有介紹截止導(dǎo)波透氣窗和縫隙泄漏的問題。