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电磁兼容性的设计
摘要
在人类进入信息化的时代，随着科学的进步，电子技术的发展,辐射无孔不入，电磁干扰越来越严重。
所以电磁兼容设计已经成为产品设计中十分重要的一项内容。
在电子设备及电子产品中,电磁干扰能量通过传导性耦合和辐射性耦合来传输。
为满足电磁兼容性要求,对传导性耦合需采取滤波技术,对辐射性耦合则需采用屏蔽技术来加以抑制。
电磁屏蔽已成为解决电磁兼容问题的最重要手段之一,大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。
因此电磁屏蔽技术在生活中有很大的重要性。
在利用电磁屏蔽技术的同时应该对其充分了解。
本文详细讨论了电子设备的电磁屏蔽设计技术，系统地分析了电子设备电磁屏蔽的技术原理，屏蔽效能的计算方法，各种屏蔽材料的性能和应用场合，屏蔽的各种注意事项，孔眼的屏蔽效能的计算，屏蔽效能的检测以及特殊部位的特殊屏蔽措施。
关键词：
电磁兼容；电磁屏蔽；屏蔽材料；屏蔽效能
引言
在人类进入信息化社会的今天，电磁波作为一种资源已在0Hz~400GHz的宽频率范围内广泛地应用在电子设备中，随之而来的电磁干扰电就从低频到微波波段，无孔不入地辐射或传导给运行中的设备和周围的环境，给设备、系统及生态带来了越来越严重的危害。
目前，世界各国都越来越重视电磁干扰和电磁兼容问题，相继开展了对电磁兼容的研究，并制定如电磁辐射卫生标准，我国也不例外，如3C认证及其改进、国军标CE/RE、民标GJB9254等相关一系列电磁辐射标准。
在已实施有关规定的国家中，凡电磁波干扰的控制达不到标准的电子电气产品不允许出厂和进口，用以限制电磁辐射的影响。
这些受各种电磁辐射标准控制的电子产品从儿童玩具到各种大型电子设备，涉及的产品非常广泛。
随着贸易全球化的发展，对电子设备的电磁辐射的控制标准的落后，就会在国家对外电子设备出口中形成贸易壁垒，严重阻碍相对落后国家对外经济的发展。
这种由于电磁辐射控制标准的实施形成的贸易壁垒效应也促使各个国家重视电子设备在电磁辐射方面规范的制定，并加强对电子设备尤其是对外出口电子设备电磁辐射的研究和控制。
电磁兼容性指的是设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，包含两方面的含义：
（1）设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，
（2）它也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。
电磁屏蔽是解决电子设备电磁兼容问题的重要手段之一，大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决，特别是随着电路工作的频率日益提高，单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。
电子设备的屏蔽设计与传统的结构设计有许多不同之处，一般地在结构设计时如果没有考虑屏蔽问题，很难满足电磁兼容性要求。
所以，在设计电子产品时，必须从一开始就考虑电磁屏蔽问题。
1电磁屏蔽的技术原理
电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。
即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施。
或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。
电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用（图1）。
电磁屏蔽不仅对辐射干扰有良好的抑制效果，而且对静电干扰和传导耦合干扰的电容性耦合、电感性耦合均有明显的抑制作用。
反射吸收作用电磁场引导作用
图1屏蔽原理示意图
1.1静电屏蔽
用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。
如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。
如图2是用电力系统表示仪器金属外壳的屏蔽作用。
壳外的带电体能使金属外壳感应带电，但电力线不能穿入壳内。
图2金属外壳的屏蔽作用
1.2交变电场屏蔽
为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。
交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。
只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。
1.3交变磁场屏蔽
交变磁场屏蔽有高频和低频之分。
低频磁场屏蔽是利用高导磁率的材料构成磁力线的低磁阻通路，使大部分磁场被封在屏蔽体内。
屏蔽体的导磁率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。
当然要与设备的重量相协调。
高频磁场的屏蔽是利用高导电率的材料产生的涡流的反向磁场来抵销干扰磁场而实现的。
1.4交变电磁场屏蔽
一般采用导电率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地而为零电位。
它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。
2屏蔽效能计算
屏蔽效能（SE）的定义是：
在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比。
常用分贝数（dB）表示。
（2-1）
式中：
——吸收损耗
——反射损耗
——多次反射损耗
2.1电磁波反射损耗
由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同，使入射电磁波产生反射作用。
而空气的电磁波阻抗在不同场源和场区中是不一样的，所以分别计算如下：
磁场源近场中的反射损耗
（dB）为：
（2-2）
电场源近场中的反射损耗R（dB）为：
（2-3）
电磁场源远场中的反射损耗R（dB）为：
（2-4）
式中：
——相对导磁率
——相对导电率
——电磁波频率（赫兹）
——辐射源到屏蔽体的距离（米）
2.2电磁波吸收损耗
当进入金属屏蔽内的电磁波在屏蔽金属内传播时，由于衰减而产生吸收作用。
吸收损耗A（dB）为：
（2-5）
式中：
——屏蔽材料厚度（毫米）
2.3电磁波多次反射损耗
电磁波在屏蔽层间的多次反射损耗
（dB）为：
（2-6）
式中：
——屏蔽金属的电磁波阻抗
——空气的电磁波阻抗
当
>10dB时，一般可以不计多次反射损耗。
2.4屏蔽效能计算实例
场源距离屏蔽体（厚度0．254mm）30cm远的屏蔽效能（dB）计算结果见表1。
表1中近场和远场的分界点
，
为电磁场的波长。
表1场源距离屏蔽体（厚度0.254mm）30cm远的屏蔽效能（dB）
材料
铜
铁
铝
磁场近场
电场近场
远场
磁场近场
电场近场
远场
磁场近场
电场近场
远场
60
3.46
3.22
1k
24.89
14.66
10K
44.92
212.73
128.73
51.50
217.50
134.00
150k
69.40
190.20
130.40
188.0
308.0
248.00
1M
97.60
185.40
141.60
391.0
479.0
435.00
88.00
176.0
-
15M
205.0
245.0
225.0
1102.0
1143.0
1123.0
174.0
215.0
-
100M
418.0
426.0
422.0
1425.0
1434.0
1430.0
342.0
350.0
-
3屏蔽的注意事项
3.1屏蔽的完整性
如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏。
特别是电磁场屏蔽，它利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰。
如果屏蔽体不完整，涡流的效果降低，即屏蔽的效果大打折扣。
3.2屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合
电磁屏蔽技术的进展，促使屏蔽材料的形式不断发展，而不再局限于单层金属平板模式，屏蔽效能也不断提高。
应用时要特别注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应用场合。
3.2.1金属平板和屏蔽薄膜
电子设备采用金属平板做机箱，既坚固耐用，又具有电磁屏蔽作用。
其电磁屏蔽效能与下述参数有关：
金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场源与金属平板的距离、屏蔽体接地状况等等。
各种金属屏蔽材料的性能见表2。
表2各种金属屏蔽材料的性能
金属屏蔽材料
相对铜的导电率σ铜：
5.8×107
f=150KHz时的相对导磁率
f=时的吸收损耗dB/mm
银
1.05
1
52
铜
1.00
1
51
金
0.70
1
42
铝
0.61
1
40
锌
0.29
1
28
黄铜
0.26
1
26
镍
0.20
1
23
铁
0.17
1000
650
锡
0.15
1
20
钢#45
0.10
1000
500
铅
0.08
1
14
坡莫合金
0.03
80000
2500
不锈钢
0.02
1000
220
当今许多电子设备采用工程塑料做机箱，由于工程塑料的加工工艺性能好，使机箱造型美观，成本低、质量轻。
但工程塑料无电磁防护性能。
屏蔽薄膜是采用喷涂、真空沉积、电镀和粘贴等工艺技术，在工程塑料和有机介质的表面覆盖一层导电膜，从而起到平板的屏蔽作用。
一般导电膜的厚度小于电磁波在其内部传播波长的l／4。
几种喷涂工艺达到的屏蔽效能见表3。
表3几种喷涂工艺达到的屏蔽效能
喷涂工艺
厚度（µm）
电阻（Ω/mm2）
屏蔽效能（dB）
锌电弧喷涂
2～25
0.03
50～60
银基涂层
25
0.05～0.1
60～70
铜基涂层
25
0.5
60～70
阴极喷射
0.75
1.5
70～90
电镀
0.75
0.1
85
化学镀
1.25
0.03
60～70
银还原
1.25
0.5
70～90
真空沉积
1.25
5～10
50～70
不同厚度的铜薄膜的屏蔽效能见表4。
表4铜薄膜的屏蔽效能
厚度（µm）
频率Hz
A
R
B
屏蔽效能
0.105
1M
0.14
109
-47
62
1G
0.44
79
-17
62
1.25
1M
0.16
109
-26
83
1G
5.20
79
-0.6
84
2.196
1M
0.29
109
0.6
110
1G
9.20
79
0.6
90
21.96
1M
2.90
109
-3.5
108
1G
92
79
0
171
表头或显示器的屏蔽，可在表头或显示器的正面设置透光导电材料来实现。
透光导电材料是在有机介质或玻璃的表面覆盖一层导电膜，使其既透光，又具有一定的屏蔽效能。
几种透光率导电玻璃的屏蔽效能（dB）见表5。
表5几种透光率导电玻璃的屏蔽效能
1MHz
10MHz
100MHz
1000MHz
60%
94
72
46
21
65%
90
68
42
16
71%
84
62
36
11
75%
78
56
30
6
80%
74
52
28
4
3.2.2金属丝网
当有通风、透光、加水、测量等需要时，要在设备外壳上开孔，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用金属丝网的孔眼屏蔽。
或用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。
孔眼的屏蔽效能SE（dB）与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关，其计算公式如下：
（3-1）
式中：
圆形孔吸收损耗
（3-2）
矩形孔吸收损耗
（3-3）
反射损耗
（3-4）
式中：
——孔内波阻抗和入射波阻抗之比
圆形孔
（近区磁场）（3-5）
（近区电场）（3-6）
矩形孔
（近区磁场）（3-7）
（近区电场）（3-8）
式中：
——孔的深度（厘米）
——圆形孔的直径（厘米）
——矩形孔宽边长度（厘米）
——电磁波频率（兆赫兹）
——孔到辐射源的距离（厘米）
多次反射损耗
（3-9）
单位面积孔数的修正系数
（3-10）
式中：
——单位面积孔数（孔数／厘米2）
——每个孔的面积（厘米2）
低频穿透修正系数
（3-11）
式中：
——孔间的导体宽度（厘米）
——屏蔽材料的集肤深度（厘米）
修正系数
（3-12）
为提高孔眼的屏蔽效能可采取以下措施：
（1）在大口径孔眼上覆盖金属丝网，要使丝网与屏蔽体接触良好；
（2）将大孔改为多个小孔；
（3）采用波导衰减器式通风口；
（4）在透光和测量孔上覆盖有金属丝网的屏蔽玻璃；
（5）在需要水、气密封的孔上垫含有橡胶等材料的金属丝网。
下面介绍几种常用的金属丝网屏蔽材料：
（1）全金属丝网衬垫
全金属丝网衬垫是一种弹性的、导电的编织型金属衬垫丝网条，用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。
应用时，铸造或机加工的壳体选用矩形截面的全金属丝网衬垫，板金壳体选用圆形截面的全金属丝网衬垫，压缩量为原高度的25％左右。
全金属丝网衬垫的屏蔽效能（dB）见表6。
表6全金属丝网衬垫的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
镀银黄铜
80
135
105
95
镀锡包铜钢
80
130
105
95
镀锡磷青铜
80
130
110
100
铝
60
130
90
80
镍铝合金
60
130
90
80
（2）环境密封金属丝网衬垫
环境密封金属丝网衬垫是由编织金属丝网和橡胶结合而成，环境密封金属丝网衬垫除能提供有效的电磁屏蔽外，还可以提供有效的环境密封。
可用于电子设备壳体的固定接缝处或者活动接缝处，例如门缝等等。
一般压缩量为原高度的25％左右。
其中带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能（dB）见表7。
表7带橡胶芯金属丝网衬垫的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
镀锡包铜钢
80
130
105
95
镀锡磷青铜
80
130
110
95
镍铜合金
60
125
90
80
（3）金属丝网屏蔽玻璃
金属丝网屏蔽玻璃是将金属丝网压在两层玻璃之间，不仅能提供有效的电磁屏蔽，还可以提供有效的透光。
可用于电子设备的观察窗口，例如表头、数字或图象显示器等。
金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能（dB）见表8。
表8金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
黑化铜丝网，开孔60%
55
120
60
40
黑化铜丝网，开孔45%
55
120
80
50
（4）铝制蜂窝通风板
铝制蜂窝通风板是由铝框中的铝制蜂窝构成。
波导型的蜂窝不仅具有电磁屏蔽效能，而且具有高的空气流动性。
可用于电子设备的通风窗口。
铝制蜂窝通风板的屏蔽效能（dB）见表9。
表9铝制蜂窝通风板的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
单层镀铬酸盐
40
80
60
40
单层镀镉
75
125
105
85
单层镀锡
70
125
105
85
单层镀镍
80
135
115
95
多层镀铬酸盐
65
110
95
85
3.2.3导电纤维
导电纤维分为以下五种：
（1）在化纤织物上镀铜或镍后制成导电布，可对高频和微波具有灵活的屏蔽性能；
（2）将导电布和树脂复合制成吸收导电布，由于选用能吸收电磁波的树脂，因此屏蔽性能更好；
（3）用导电良好的金属或碳黑纤维和化纤混合制成导电布。
以上三种导电织物可以做防静电和防电磁辐射的工作服，做屏蔽窗帘、帐篷、保护罩。
其屏蔽效能一般在50～60dB。
（4）用导电纤维和木浆混合制成导电纸。
导电纸可以做敏感集成电路的屏蔽包装。
其屏蔽效能一般在30～40dB。
（5）由许多独立的金属丝合成到硅橡胶中制成的。
这种定向金属丝填充硅橡胶能提供有效的电磁屏蔽和环境密封，常用于非固定缝隙，例如法兰的连接。
定向金属丝填充硅实芯橡胶的屏蔽效能（dB）见表10。
表10定向金属丝填充硅实芯橡胶的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
镀锡磷青铜
75
130
110
100
镍铜合金
80
130
115
100
3.2.4导电颗粒
导电颗粒屏蔽材料是将镀银的玻璃粒子、纯银粒子、碳黑粒子、铜镀银粒子、镍镀银粒子、铝镀银粒子、石墨镀镍粒子分别掺在硅或氟硅橡胶，可以挤出各种形状，用于电磁和水汽密封。
它们的屏蔽效能（dB）见表11。
表11导电颗粒屏蔽材料的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
10GHz
玻璃镀银导电橡胶811
65
130
100
90
纯银导电橡胶865,857
70
130
100
90
碳黑导电橡胶860
93
77
68
88
铜镀银导电橡胶871
75
120
115
110
镍镀银导电橡胶891
75
120
110
100
铝镀银导电橡胶895
75
120
110
100
石墨镀镍导电橡胶750
100
100
100
85
3.2.5导电胶
导电胶是在硅、环氧树脂胶中掺入纯金属粒子，例如银、镍、铜镀银、铝镀银等等，应用在各种屏蔽材料之间，起到粘结、屏蔽和密封的作用。
3.2.6导电涂料
导电涂料是在聚丙烯和聚氨脂中掺入纯银金属粒子，可应用于塑料机壳屏蔽和需要柔性屏蔽的设备上。
3.2.7导电箔带
导电箔带是由单面背敷导电聚丙烯胶的铜带或铝带组成。
可用于电子设备接缝的屏蔽密封、缠绕电缆屏蔽等。
其屏蔽效能一般在55～60dB。
3.2.8铍铜簧片
铍铜簧片是具有弹性的屏蔽材料。
可用于电子设备活动接缝的屏蔽，例如门、窗等。
铍铜簧片的屏蔽效能（dB）见表12。
表12铍铜簧片的屏蔽效能
材料
磁场
电场
平面波
100KHz
10MHz
1GHz
标准簧片
110
100
90
软簧片
95
85
75
3.2.9屏蔽复合板
屏蔽复合板是由金属箔、绝缘基片和压敏胶组成。
可用于印刷电路、电子设备的屏蔽等。
其屏蔽效能一般在40～45dB。
3.2.10纯棉涤电磁材料
纯棉涤电磁材料是将铜原子均匀地分布于棉涤材料中，形成既透明又具有电磁屏蔽功能的材料。
其屏蔽效能大于50dB。
可应用于视屏射线辐射保护、手机微波辐射防护等等。
3.3屏蔽体的壁厚和表面处理
屏蔽体的壁厚在满足刚性与强度的要求下不超过2．5mm。
一般都选择1.0～1.5mm。
壁厚增大，对电磁流的吸收损耗越大，屏蔽效果越好，但壁厚会受重量等因素的制约。
屏蔽体表面处理直接影响到其表面的导电性，影响接触面的接触电阻，影响整体壳体的电气连续性，从而影响仪器的屏蔽效果。
3.4屏蔽体良好接地
金属屏蔽体良好接地，对静电屏蔽而言，将使屏蔽体外侧的感应电荷流人大地，而不会有感应电场存在。
对交变电场屏蔽而言，由于交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积，只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。
因此，金属屏蔽体的接地不好，将会降低屏蔽效果。
良好的接地方案和屏蔽措施，可以避免由电磁感应而降低屏蔽设备的屏蔽效能，可使电子设备的电磁兼容达到事半功倍的效果。
3.4.1主要接地形式
不考虑安全接地，仅从电路参考点的角度考虑，接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。
（1）悬浮地
对电子产品而言，悬浮地是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体相绝缘，即设备悬浮地。
另一种情况是在有些电子产品中，为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路，有意使信号地与机箱绝缘，即单元电路悬浮地。
悬浮地容易产生静电积累和静电放电，在雷电环境下，还会在机箱和单元电路间产生飞弧，甚至使操作人员遭到电击。
设备悬浮地时，当电源相线与机箱短路时，有引起触电的危险。
所以悬浮地不宜用于通信系统和一般电子产品。
（2）单点接地
单点接地是为许多接在一起的电路提供共同参考点的方法。
串联单点接地由于各电路单元共用一条线，易引起共地阻抗干扰。
并联单点接地最简单，它没有共阻抗耦合和低频地环路的问题。
每一个电路模块都接到一个单点地，每一个子单元在同一点与参考点相联。
地线上其它部分的电流不会耦合进电路。
（3）多点接地
多点接地设备中的内部电路都以机壳为参考点，而所有机壳又以大地为参考。
有一个安全地把所有的机壳连在一起，然后再与地或辅助信号地相连。
这种接地结构的原理在于为许多并联路径提供了到地的低阻抗通路，并且在系统内部接地很简单。
只要连接公共参考点的任何导体的长度小于骚扰波长的几分之一，多点接地的效果都很好。
多点接地能够避免单点接地在高频时的问题。
在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点接地。
（4）混合接地
混合接地既包含了单点接地的特性，也包含了多点接地的特性。
例如，系统内的电源需要单点接地，而射频部分则需要多点接地。
混合接地使用电抗性器件使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性。
这在宽带敏感电路中是必要的。
在图3中，一条较长的电缆的屏蔽外层通过电容接到机壳处避免射频驻波的产生。
电容对低频和直流有较高的阻抗，因此能够避免两模块之间的地环路形成。
图3混合接地
3.4.2克服地线干扰的主要方法
（1）克服地线干扰的有效方法是切断干扰地环路或减少地环路面积
从电子设备的地线分布到设备内部的各级电路单元，它难免会与其它电路构成环路，如在不对称信号传输电路中，地线和信号线可构成回路；地线本身也可能构成地环回路。
当某一交变磁场与这些回路交连时，环路中产生的感应电动势就是差模干扰。
环路中的感应电动势为：
（3-13）
式中：
为环路中的感应电动势。
地环路中的感应电动势
与传输信号电压串联或者耦合输送到下一级电路的输入端，从而构成干扰。
切断地环干扰的最有效的方法是实施单点接地，必须指出，从电磁兼容的角度出发，实施单点接地是重要的技术措施。
（2）克服共模干扰的主要办法是降低接地系统阻抗
当被感应的电磁干扰在导线上进行传输时，如果导线的阻抗完全对称，则共模干扰就不应对电路引起干扰。
然而，实际的回路真正达到完全对称是不可能的。
如果阻抗出现不平衡，在传输中就会从共模干扰转换成干扰，影响电路的正常工作。
减小共模干扰的方法主要包括：
①减小接地电阻
从接地极的电阻的组成分析，减小接地电阻主要从以下几个方面着手：
·接地极本身和接地导线的电阻；
·接地极表面同接地土壤之间的接触电阻；
·接地极流出的电流，其扩散过程的电阻。
②减小地线分布电感
地线选用铜材料，降低自感系数。
③减小电子设备对地的分布电容
要减小电容一般要增加设备到地的距离。
（3）接地电位差干扰的抑制方法
采用两点接地存在电位差，它串联在信号回路中，可以对电子设备产生干扰。
接地平面产生电位差的原因是很复杂的，在系统设计时要采取有效的措施加以抑制，主
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