浅谈电磁场屏蔽

2012-03-01窦超

科技视界 2012年15期

窦超

（唐山学院基础教学部河北唐山 063000）

0 引言

随着电子技术的发展，越来越多的电子电气设备进入人们的生活，电磁污染日益严重。另一方面，由于电子电气设备小型化的要求，极易受外界电磁干扰而使其产生误动作，从而带来严重后果。因此人们越来越重视电子产品的电磁兼容性（EMC），电磁场的屏蔽就是电磁兼容技术的主要措施之一。

根据条件的不同，电磁场的屏蔽一般可以分为三类：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场的屏蔽。三种屏蔽的共同点是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中去。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽材料的要求也就不一样。

1 静电屏蔽

静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入到某个区域。实际上对于变化很慢的交流电而言，它周围的电场几乎和静电场一样，只是电荷的分布周期性地变化而已。因此防止低频交流电的电场，也可以归结为静电屏蔽一类。静电屏蔽对导体壳的厚度和电导率无特别要求，但对于低频交流电场，屏蔽壳要选电导率高一点的材料。

图1 空腔导体屏蔽外电场

图2

图3

静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。空腔导体内无电荷，在外电场中处于静电平衡时，其内部的场强总等于零（图1），因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感应电荷，外表面会产生等量同号的感应电荷（图2），此时感应电荷的电场将对外界产生影响。这时空腔导体只能屏蔽外电场，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地（图3）。此时外界无法影响壳内空间，内部带电体对外界的影响也随之消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。

实际使用中一般均采用接地的屏蔽方法，且金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果。例如高压电力设备安装接地金属网，电子仪器的整体及某些部分使用接地金属外壳等。

2 静磁屏蔽

图4

静磁屏蔽的目的是屏蔽外界静磁场和低频电流的磁场，这时必须用磁性介质作外壳。如图4，用磁导率为的铁磁材料制成屏蔽壳，壳与空腔则可看作两个并联的磁阻。由于，空腔磁阻远大于屏蔽壳磁阻，所以外界的磁感线绝大部分穿过屏蔽壳而不进入空腔。要想获得更好的屏蔽效果，可使用较厚的屏蔽壳或采用多重屏蔽壳。因此效果良好的铁磁屏蔽壳一般都比较笨重。在重量和体积受到限制的情况下，常常采用磁导率高达数万的坡莫合金来做屏蔽壳，壳的各个部分要尽量结合紧密，使磁路畅通。磁屏蔽不同于电屏蔽，壳体是否接地不会影响屏蔽效果，但是要求金属材料磁导率要高。

为了防止外界磁场的干扰，常在示波器、显像管中电子束聚焦部分加上磁屏蔽壳，就可以起到磁屏蔽的作用。

3 高频电磁场的屏蔽

从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，因此必须考虑电磁波在导体中透入的深度。电磁波透入的深度与其频率及导体的电导率、磁导率都有关系。频率越高、电导率越大、磁导率越大，透入的深度就越小。当电磁场的频率很高时（例如上百万赫兹或更高），高频电磁波只能透入导体表面薄层内，并在导体表面这一薄层内形成高频交变电流（涡流），这种现象称为趋肤效应。

图5

利用金属材料在高频电磁场中产生的涡流可以起到屏蔽作用。如图5所示，假设A处有高频电磁场（图中只画了磁场），为减少它对B处的干扰，在A、B间加入金属板。此板垂直于交变磁场方向，使金属板感应出涡流。当原交变磁场增强时，感应出的涡流会产生与原磁场方向相反的反磁场。金属板电阻越小、涡流越大，反磁场越强。由于反磁场抵消了原磁场，大大削弱了B处的合磁场，金属板就这样起到了屏蔽作用。若把金属板制成壳体容器，把A处或B处的电路包起来，屏蔽效果会更好。

虽然这是从屏蔽交变磁场角度来说明的，但高频电磁场的电场、磁场相互感应，所以削弱磁场就是屏蔽电磁辐射。我们并未要求屏蔽物接地，因为涡流在金属板上流通与是否接地无关。如果把屏蔽物接地，那就兼有电屏蔽作用，所以高频电路的屏蔽壳体总是接地的。

在实际应用中我们常常建立电磁屏蔽室：学生坐在里面考试，防止他们利用电子设备作弊；一些加密信号的传输在里面测试，可以将发射信号衰减的很微弱，而且场强十分准确；高抗干扰的通信设备，也要在这种电磁“真空”环境里调试，才能工作在电子对抗的战场。

综上所述，静电屏蔽、静磁屏蔽、高频电磁场屏蔽的屏蔽原理、应用条件、屏蔽作用是不同的，所用材料也要从具体情况出发，但它们的目的都是屏蔽电磁场，有本质联系。