屏蔽理论

在街上随便问一个工程师如何控制电磁干扰，他们的回答很可能就是屏蔽。几乎所有高速电子设备都采用某种形式的屏蔽。电脑、手机、视频游戏、工业控制、汽车和航空电子系统等，通常都包装在金属(或金属化)外壳中，或在其印刷电路板上的特定组件上直接安装屏蔽罩。

适当设计和安装的屏蔽外壳可以是一种非常有效的方法来衰减辐射发射和保护产品免受外部干扰源的干扰。事实上，没有缝隙、接缝或电缆穿透的金属外壳通常可以减少辐射发射，并将辐射抗扰性提高40 dB或更多。换句话说，即使是设计很差的电路板，如果密封在金属盒中，也能满足EMC要求。

然而，屏蔽外壳是一个很差的替代良好的EMC设计在板级。有效的外壳会增加产品的成本和重量，外壳的一次破坏(例如未经过滤的电缆穿透)会完全消除外壳所能提供的任何好处。在许多情况下，一个设计不良的屏蔽外壳的产品会比没有外壳的相同产品辐射更多(或更容易受到影响)。

屏蔽的工作原理是反射、吸收或重定向电场和/或磁场。为了有效，防护罩并不总是需要完全包围产品。例如，部分屏蔽通常用于重定向源电路上或以上的场，以将其与另一个电路隔离，或防止与电缆或其他无意的天线耦合。

选择合适的位置，方向和屏蔽材料需要了解被屏蔽场的类型和屏蔽的目标。以下部分将描述基本屏蔽理论，并提供在各种情况下良好屏蔽的几个例子。

平面波屏蔽理论

当在一种材料中传播的电磁波遇到另一种具有不同电性能的材料时，波中的部分能量被反射，其余的则传输到新材料中。例如，考虑电磁平面波，<年代trong>E_公司，入射到如图1所示的无限厚板材料上。波在自由空间中沿x方向传播，直到它撞击到具有本向阻抗η的材料<年代ub>年代．

图1:平面波入射在屏蔽材料上

平面波中的磁场垂直于电场，具有振幅，

$\left|H_{我nc}\right|＝\frac{\left|E_{我nc}\right|}{{\eta }_0}$(1）

在哪里${\eta }_0＝\sqrt{\raisebox{1ex}{${\mu }_0$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\epsilon }_0$}\right.}$为自由空间的本征阻抗(~377欧姆)。

当平面波击中平板时，一个反射波，<年代trong>E<年代ub>裁判，和透射波，<年代trong>E<年代ub>板，被创建。屏蔽材料中的磁场与电场有关，

$\left|H_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}\right|＝\frac{\left|E_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}\right|}{{\eta }_{\mathrm{年代}}}$（2）

此外，曲面在x=0处的边界条件要求:

$E_{x＝0^{-}}＝E_{x＝0^{+}}$（3）

而且

$H_{x＝0^{-}}＝H_{x＝0^{+}}$（4）

下标x=0在哪<年代up>-和x = 0<年代up>+在x=0曲面的右边或左边标明字段。为满足式(1)到式(4)，反射场的振幅必须满足如下关系:

$\left|E_{ref}\right|＝\left|E_{我nc}\right|{\Gamma }_E$（5）

Γ在哪里_E为电场反射系数，

${\Gamma }_E＝\frac{{\eta }_{\mathrm{年代}}-{\eta }_0}{{\eta }_{\mathrm{年代}}+{\eta }_0}$(6）

透射场的振幅，<年代trong>E<年代ub>板,是

$\left|E_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}\right|＝\left|E_{我nc}\right|T_{E_1}$(7）

在哪里

$T_{E_1}＝\frac{2{\eta }_{\mathrm{年代}}}{{\eta }_{\mathrm{年代}}+{\eta }_0}$（8）

为电场传输系数。

请注意，η<年代ub>年代更接近η<年代ub>0，透射系数增大，反射系数减小。如果η<年代ub>年代=η<年代ub>0时，所有事件场均被传输。

如果图1中的材料是有损耗的(即σ≠0)，透射波在传播过程中振幅会减小，

$\left|E_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}（x）\right|＝\left|E_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}（x＝0）\right|e^{-\raisebox{1ex}{$x$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}$（9)

其中δ为材料蒙皮深度。对于高损耗材料，

$\delta \approx \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\sqrt{\pi f\mu \sigma }$}\right.$（10）

图2:入射在有限厚度屏蔽材料上的平面波

现在考虑图2所示的有限屏蔽材料板。一个事件场，<年代trong>E<年代ub>公司，撞击屏蔽材料表面。磁场中的一些能量被反射出来，另一些则继续进入物质。穿透材料的部分在x=t处撞击第二个表面之前被衰减。在这一点上，一部分能量被减弱了一部分能量被传送出去了。如果衰减较大，则在第二界面反射的功率被吸收，传递到平板右侧自由空间区域的场为:

$\left|E_{tr\mathrm{一个}n\mathrm{年代}}\right|＝\left|E_{\mathrm{年代}l\mathrm{一个}b}（x＝t）\right|T_{E_2}$（11）

在哪里

$T_{E_2}＝\frac{2{\eta }_0}{{\eta }_0+{\eta }_{\mathrm{年代}}}$（12）

结合(7)、(8)、(9)、(11)和(12);我们得到了透射电场用入射场表示的表达式，

$\left|E_{tr\mathrm{一个}n\mathrm{年代}}\right|＝\left|E_{我nc}\right|\frac{2{\eta }_{\mathrm{年代}}}{{\eta }_0+{\eta }_{\mathrm{年代}}}（\frac{2{\eta }_0}{{\eta }_0+{\eta }_{\mathrm{年代}}}）e^{-\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}$（13）

这个表达适用于任何比皮肤厚度厚得多的防护材料。通常情况下，最好的平面波屏蔽是导电性高的良导体，<我mg alt="比大得多" src="//www.chefnasser.com/images/tutorials/ShieldingTheory/eq0013a.png">．对于优秀的指挥家，

$\eta ＝\sqrt{\frac{j\omega \mu }{\sigma +j\omega \epsilon }}\approx \sqrt{\frac{j\omega \mu }{\sigma }}＝\sqrt{\frac{\omega \mu }{\sigma }}{e}^{j\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.}$(14）

对于这些材料，<我mg alt="s比空气中的要小很多" src="//www.chefnasser.com/images/tutorials/ShieldingTheory/eq0014a.png">式(13)可得，

$\left|E_{tr\mathrm{一个}n\mathrm{年代}}\right|＝\left|E_{我nc}\right|\frac{4{\eta }_{\mathrm{年代}}}{{\eta }_0}{e}^{-\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}$(15）

如果我们定义屏蔽效能在石板上，

$\mathrm{年代}．E．＝20.\mathrm{日志}\frac{E_{我nc}}{E_{tr\mathrm{一个}n\mathrm{年代}}}$（16）

无限导体片的屏蔽效果可以写成:

$\mathrm{年代}．E．＝20.\mathrm{日志}\frac{{\eta }_0}{4{\eta }_{\mathrm{年代}}}+20.\mathrm{日志}{e}^{\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}＝R（\text{dB}）+\mathrm{一个}（\text{dB}）$(17)

总屏蔽效果由两项组成。反射损失R (dB)，为界面处功率反射引起的衰减。吸收损失，(dB)，是波在材料中传播时，由于功率转换为热量而产生的衰减。一个基于网络的计算器可以确定各种材料的平面波屏蔽效果<年代pan style="text-decoration: underline;">在这里．

反射损耗与屏蔽层厚度无关，完全取决于屏蔽层的本征阻抗与自由空间本征阻抗之间的不匹配。吸收损失与用皮肤深度表示的屏蔽层厚度成正比，

$\mathrm{一个}（\text{dB}）＝20.\mathrm{日志}{e}^{-\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}\approx 8.7（\frac{t}{\delta }）\text{dB}$（18)

注意，几乎所有的入射功率都被屏蔽层反射了。154分贝是一个非常大的比率，这表明发射功率比入射功率小10倍<年代up>15．在实践中，这种量级的衰减既不能实现也不能测量。最大的可实现场强(不引起空气电离)是10的数量级<年代up>6V / m。最小的可探测场强(使用灵敏的场探针)是10的数量级<年代up>6V / m。这表示一个可能的动态范围，

$20.\mathrm{日志}\frac{{10}^6}{{10}^{-6}}＝240\text{dB}$(24）

实际上，大多数工程测试设备的最大动态范围约为80 - 120 dB。因此，任何计算衰减或屏蔽效果远高于100 dB意味着材料基本上是不可穿透的。屏蔽效果计算值为154 dB的材料与计算值为120 dB的材料本质上并无优劣之分。

如果图2中的材料相对于蒙皮深度不厚，那么从第二界面(在x=t)传播回板，并被反射到第一个界面的内部(在x=0<年代up>+)．该能量将再次撞击第二界面，部分能量将被传输，增加到传输的总能量，降低屏蔽效果。在衰减到对传输场不再有显著贡献之前，波可以来回反弹多次。如果(17)中的吸收损失项小于约15 dB，则屏蔽效果估计的准确性会受到这些多重反射的影响。

对于导电材料的电薄(即，t<<λ)时，我们可以通过添加第三项来解释多重反射，从而调整屏蔽有效性的表达式(17)，从而得到平面波屏蔽有效性的一般表达式[1,2]，

$\mathrm{年代}．E．＝20.\mathrm{日志}\frac{{\eta }_0}{4{\eta }_{\mathrm{年代}}}+20.\mathrm{日志}{e}^{\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}+20.\mathrm{日志}\left|1-e^{-2\raisebox{1ex}{$t$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\delta $}\right.}\right|＝R（\text{dB}）+\mathrm{一个}（\text{dB}）+B（\text{dB}）$(25）

注意，多重反射损失项为负值，降低了整体屏蔽效果。此术语有时用于对(17)中的表达式进行轻微修正，但对于薄材料或低损耗材料可能不准确(即当(t<δ)．然而，它确实提供了用于推导(17)的高损失假设何时被违反的指示。如果多重反射损失系数与反射损失相当，则屏蔽效果计算[(17)或(25)]都不准确。

近场屏蔽

平面波屏蔽理论可以方便地根据任何屏蔽材料的特性和厚度计算其屏蔽效果值。不幸的是，实际的屏蔽从来不位于源和受体电路的远场。正因为如此，我们不太可能在材料的两侧都有平面波传播，计算出的屏蔽效果与我们可能测量的任何东西都不对应(除非在专门设计的测试夹具中)。

为了帮助理解近场屏蔽与平面波屏蔽的区别，请考虑图3所示的配置。在图3(a)中，入射平面波已被小电偶极子源取代，屏蔽材料位于源的近场。在图3(b)中，源是磁偶极子，用一个小电流环表示。

图3:屏蔽电和磁偶极子源。

回想一下，在近场(r << λ)中，电偶极子源具有强电场。近场波阻抗近似为，

$Z_{W_E}＝\frac{\left|E\right|}{\left|H\right|}\approx \frac{1}{2\pi f{\epsilon }_{0}r}$（26)

在磁偶极子源的近场中，磁场占主导地位，波阻抗近似为:

$Z_{W_H}＝\frac{\left|E\right|}{\left|H\right|}\approx 2\pi f{\mu }_{0}r$．<年代pan style="float: right;">(27)

我们可以估计图3中平板的屏蔽效果，将波阻抗($Z_W＝Z_{W_E}\text{或}{Z}_{W_H}$)为自由空间的本征阻抗，η<年代ub>0，见(25)。这就得到了反射损失项的新表达式，

$R（dB）\approx 20.\mathrm{日志}\frac{Z_W}{4{\eta }_{\mathrm{年代}}}$．<年代pan style="float: right;">(28)

吸收损失和多次反射损失的表达式不变。尽管这种类型的屏蔽效果计算是一种简单的近似，不对应于任何特定的可实现的测试结构，但它可以提供大量关于各种屏蔽材料在现实情况下的性能的见解。有一个近场屏蔽效果计算器基于网上的这些方程，

平面波屏蔽效果计算器(选择“近场近似”单选按钮)。

屏蔽效果测量

平面波屏蔽效果

如前一节所讨论的，平面波屏蔽效果的概念很方便，因为它仅是屏蔽材料的材料特性和厚度的函数。测量平面波屏蔽效果的尝试通常包括在包含材料样品的同轴测试夹具中发射引导透射电镜，如图4所示。

图4。屏蔽效果测试夹具

传输线结构具有特定的特性阻抗(通常为50欧姆)。截面尺寸在测试夹具的中间部分按比例增大，以适应合理大小的材料样品，其呈圆盘状，中心有一个孔。测量的屏蔽效果简单计算为:

$\mathrm{年代}．E．＝10\mathrm{日志}\frac{\text{来自源头的正向能量}}{\text{接收的功率}}$终止。<年代pan style="float: right;">（33）

当用网络分析仪进行测量时，屏蔽效果可以方便地用s参数表示为:

$\mathrm{年代}．E．＝20.\mathrm{日志}\left|{\mathrm{年代}}_{12}\right|$．<年代pan style="float: right;">(34)

注意，即使特性阻抗(比$\frac{V^{+}}{{我}^{+}}$测试夹具的电阻为50欧姆时，|E|与|H|的比值仍然由介质的本向阻抗(${\eta }_0\approx 377$欧姆在空中)。

其他屏蔽效果测量

当然，屏蔽外壳的效果可能与制造外壳的材料的平面波屏蔽效果有很大不同。许多因素影响屏蔽外壳的有效性，包括外壳的大小和形状以及源的类型和位置。此外，通常情况下，在一个真正的外壳中，通过孔和接缝逸出的功率比任何直接通过外壳墙壁传播的功率都要重要得多。

因此，通常更实际的方法是这样定义外壳的屏蔽效果:

$\mathrm{年代}．E．＝20.\mathrm{日志}\frac{\text{电子场从没有屏蔽源接收}}{\text{从屏蔽源接收的电子场}}$．<年代pan style="float: right;">(35）

例如，假设在没有外壳(或塑料外壳)的情况下测量电子产品的辐射场，结果为52 dB(μV/m)。然后，假设同样的产品在金属外壳下以完全相同的方式进行测试，测得的场强为38 dB(μV/m)。在这种特殊配置下，外壳的屏蔽效果将被报告为:

$\mathrm{年代}．E．＝52\text{dB(μV / m)}-38\text{dB(μV / m)}＝14\text{dB}$（36)

这可能比平面波屏蔽效果低得多，但它可以解释通过孔和接缝的泄漏。它还考虑到屏蔽的外壳通常与封闭的源相互作用，并且外壳本身成为无意中不可分割的一部分天线将电流转换为辐射场的路径。

回顾之前关于非有意辐射源和天线效率的讨论，应该清楚的是，通过耦合到更大的导电结构，一个低效的辐射源(例如，一个电气小的电路)可以变得更高效许多个数量级。因此，带孔或接缝的屏蔽外壳由于封闭的低效源而增加辐射发射，这不仅是可能的，而且是普遍的。换句话说，在某些频率下，屏蔽外壳的屏蔽效果很容易低于0 dB(即外壳放大了辐射)。希望同样的封闭也能降低最强辐射源的效率，这样净效应就是最大辐射排放量的减少。然而，认为有屏蔽比没有屏蔽好是不安全的。关于解决实际EMC问题的实用屏蔽技术的讨论可以在实用屏蔽教程中找到。

参考文献

H. Ott，电磁兼容工程， John Wiley & Sons，纽约，2009年。

c·r·保罗，电磁兼容性介绍，第二版。，微波与光学工程中的Wiley系列，2006。