杨三玺

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006）

引言

电磁屏蔽是利用导电或导磁材料组成的屏蔽体将需要防护区域封闭起来，阻止和减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体对内限制内部辐射区域的电磁波的泄漏，对外防止外部的辐射进入自身区域。若电子设备外部箱体设计成连续屏蔽体，则可以较好达到上述屏蔽目的。但实际设计中，屏蔽体上不可避免地存在各种缝隙、开孔以及进出电缆等各种缺陷，这些缺陷使屏蔽体局部电流不连续，造成了屏蔽体的屏蔽效能急剧地劣化。

1 屏蔽效能

屏蔽体的屏蔽能力用屏蔽效能ES来表示，通常用分贝（dB）来计量，它的值表示屏蔽体对电磁波的衰减程度。假设无屏蔽体时空间某点的电场强度E1（或磁场强度H1），有屏蔽体时该点电场强度E2（或磁场强度H2）的，则电场屏蔽效能、磁场屏蔽效能表达式如公式（1）、公式（2）。

2 屏蔽的机理分析

屏蔽通常是把屏蔽体看成是一个在结构上完整，在电气上连续的均匀封闭体。当电磁波入射到屏蔽体时，电磁波将会以三种能量形式进行损耗。屏蔽体的整体屏蔽效能可用公式（3）表示。

如图1所示，当电磁波入射到屏蔽材料上时，由于屏蔽材料两侧的介质均为空气，在屏蔽材料的第一界面发生阻抗的突变，一部分电磁波就被反射，即为反射损耗，用R表示；另一部分透过屏蔽材料表面进入屏蔽材料内部，在屏蔽材料内部按指数规律衰减，又消耗掉一部分电磁能量，即吸收损耗，用A表示；透射波在离开板的第二个分界面时，又发生反射，而且是在两个界面之间多次反射，这种反射称为多次反射修正因子，用B表示。图1所示是实心屏蔽材料的屏蔽效能模型。

图1 实心材料屏蔽效能模型

根据图1模型可以看出，屏蔽材料对电磁波的反射和吸收损耗使电磁能量被衰减，将电场和磁场同时屏蔽，即电磁屏蔽。

对于良性导体，吸收损耗A用公式表示为

式中：σr为相对铜的电导率（S／m）；μr为相对铜的磁导率，H／m；f为磁场频率，Hz；t为材料厚度，mm。

公式（4）表明，吸收损耗A与屏蔽体的厚度正比，并随着频率、相对磁导率以及相对电导率的提高而增加。表1［1］是几种常用金属材料的相对电导率和相对磁导率。

表1 常用金属材料的相对电导率σr和相对磁导率μr

3 结构屏蔽设计

3.1 屏蔽材料的屏蔽特性

公式（4）和表1表明高磁导率的材料吸收损耗较高，适用于磁屏蔽环境。不锈钢材料可以制造电子设备具有高可靠性的电磁屏蔽壳体。目前新型的屏蔽体材料还有发泡铝、发泡镍、导电塑料、活化导电镀膜塑料等。

3.2 缝隙的屏蔽

研究表明，当缝隙的最大线性尺寸等于干扰源波长的λ／2的整数倍时，缝隙的电磁泄漏量最大。结构设计中一般要求缝隙的最大线性尺寸不大于λ／10［2］波长。缝隙的结构示意图和等效电路如图2所示。

图2 缝隙结构示意图及等效电路

3.3 接缝的处理

电子设备需要随时调试、维护，因此它的结构件不可避免地形成了缝隙，这些缝隙的结合面受表面粗糙度、材料刚度及紧固点的位置等影响，会不同程度地使屏蔽效能下降。在电子设备设计时，太原航空仪表有限公司（以下简称太航）可以对缝隙采用特殊的处理，以提高结构件的屏蔽效能。

3.4 增加缝隙深度和结合面的配合宽度

产品设计中，可以通过在连接处折弯，增加缝隙的深度，如图3所示。从图3可以看出，图3－1的结合面大于图3－2，图3－2的结合面大于图3－3。因此，屏蔽性能图3－1最佳，但图3－1的加工工艺相对复杂，在实际的产品设计中可以根据需要也可以选择图3－2选择中的结合方式。

图3 壳体结合方式

3.5 避免长条缝隙

在结构设计中，在条件许可情况下，增加连接件数量可以减小间距，减短缝隙长度。在有特殊功能要求，无法减少长条缝隙的情况下，可以通过合理设置紧固点间距和在结合处放置导电柔性介质的方法进行屏蔽。

1）设置紧固点间距。为了减小缝隙的最大尺寸，最直接的方法就是减小紧固点的间距。缝隙的最大尺寸并不等于紧固点的间距，在两个螺钉之间的材料也是会接触在一起的。理论上螺钉间距越小，屏蔽效果就会越好。但螺钉布置越密，装配结构的工艺性越差，而且还会影响产品的美观。因此，紧固点的间距是结构设计中比较重要的数据，在实际设计中一般可取螺钉间距为λ／20［2］。

2）使用导电柔性材料的屏蔽设计。导电柔性介质主要包括导电橡胶、导电布、簧片、金属丝网条、指形簧片和多重导电橡胶等。多重导电橡胶、导电衬垫和导电橡胶条可以在缝隙处形成可靠电接触，实现导电的连续性，是产品结构屏蔽设计中经常使用的一种方法。结构件表面采用化学氧化处理，并在搭接处加装导电橡胶条，可以有效防止了电磁泄露，如图4所示。

图4 导电橡胶条安装位置

需要注意的是导电衬垫的金属填充材料应与屏蔽机箱材料的相容性，应尽量避免两种材料产生电化学腐蚀；设计结构时，需保证导电衬垫与结构件之间有一定的压力，即一方面保证两者接触可靠，另一方面也不能使导电衬垫过度压缩。

屏蔽材料在缝隙中具体安装形式主要有卡装、直接紧固连接和胶粘接等形式。在结构件许可情况下，尽量采用安装槽的形式。

4 电缆屏蔽设计

电缆穿透的数学模型十分复杂，为了直观地分析这种屏蔽的破坏作用，太航可以简单地将电缆简化成一个导体，忽略芯线的影响，如图5所示，在屏蔽体内部为AB段，在屏蔽体外部为BC段。屏蔽体内部的干扰耦合到电缆AB段上，产生干扰电流iS。干扰电流流过B点时，与B点的屏蔽体之间未连接，ZB足够大，因此干扰电流直接穿透屏蔽体到BC段。在BC段干扰电流通过空间向外辐射，等效电路如图5所示。

由图5分析可知，如果在B点保证与屏蔽体之间的可靠接触，可以认为ZB＝0，因此ie＝0，屏蔽体外部基本无辐射。

图5 电缆穿透等效模型

以上将电缆简化成了一个导体，忽略了线芯的影响，从而清楚地阐述了线缆需要可靠接地的原理。实际上，由于芯线的存在，芯线的干扰电流将更加直接，而且芯线可能与屏蔽层之间形成干扰电流回路，因此对屏蔽性能的破坏实际上还要大得多。

图6是某产品电缆穿透的电磁屏蔽的处理方式，插座与壳体安装处之间加导电衬垫，保证导电连续性，需要注意的是屏蔽壳体表面需要做导电处理，并选取合适的导电衬套以保证足够低的接触阻抗。

图6 电缆穿透的电磁屏蔽

电缆屏蔽层的种类有很多，其中金属丝编织层以成本低、安装方便、重量轻等特点备受设计人员青睐。在设计中，可以根据实际屏蔽需求可以选择不同编制密度、不同层数的金属丝编织层。

5 结语

合理的结构设计一方面可以使电子设备自身稳定可靠地运行，另一方面也能减少设备对外释放电磁干扰，所以设计人员必须对结构的电磁屏蔽设计给予足够的重视。在产品开发的初期，兼顾结构设计与电路设计，结合电磁环境方面的因素，制定电磁屏蔽方案，这样一定能达到理想的效果。

［1］ 冯慈章，马西奎.工程电磁场导论［M］.北京：高等教育出版社，2002.