书城工业技术电磁兼容原理和应用
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第12章 电磁干扰的防护和抑制(4)

现今许多电子设备都采用工程塑料做机箱,由于塑料加工工艺性能好,使机箱既有造型精美的优点,又有成本低、质量轻的经济性。为了电磁防护,还常在机箱内壁应用喷涂导电漆、电镀、化学镀、导电热喷涂等工艺方法形成一层导电薄膜,以实现电磁屏蔽和防静电放电。

导电薄膜通常可分为金属化薄膜和导电涂料膜。金属化薄膜主要有铜、铝、银、金等,它们的屏蔽效能与频率的关系曲线如图3.28所示,其有效的频率范围由10kHz~1GHz,薄膜的厚度在0.1m~1m之间,厚度越大其屏蔽效能越高。表3.4详细分析了铜薄膜的屏蔽效能与厚度、频率的关系,给出了吸收损耗A、反射损耗R和多次反射损耗B的典型数据。

导电涂料有银清漆涂料、银填充合成橡胶涂料、导电聚乙烯涂料、石墨粉导电涂料等。

表3.5给出了使用导电漆喷涂的塑料机壳屏蔽效能实测数据。由于导电涂层中导电微粒不像金属化薄膜那样均匀连续,使其表面电阻比较大,因此屏蔽效能相对于铜薄膜有所下降。表3.4中铜薄膜厚度为1.25m,f=1MHz时,SE=83dB,而表3.5中平面波SE=76dB。分析表3.5可见,导电漆涂层对近区磁场的屏蔽效能明显地低于相同条件下的平面波场。

导电薄膜技术还广泛应用在光学玻璃、有机玻璃基片上喷涂导电屏蔽层,这种既透光又能导电的玻璃称为导电玻璃,常用它来制作各种观察窗口的屏蔽材料,在航空航天领域应用较广。

导电玻璃的屏蔽效能可以达到80dB~100dB,它随频率升高而下降,在1MHz以上每增加十倍频屏蔽效能将下降20dB,对大于30MHz的电磁波屏蔽效能很低。在1GHz以上,几乎失去屏蔽作用。导电玻璃的屏蔽效能与透光率还相互制约,涂层越薄,其导电微粒越松散不连续,表面电阻就增大,屏蔽效能就较差,而透光率却因涂层薄而比较高。相反,涂层越厚,表面电阻越小,屏蔽效能就增大,而透光率却较差。

3.3.7不均匀屏蔽理论

均匀屏蔽是理想情况。然而在实际的屏蔽中,屏蔽体不是无限平面,而是具有六个面的封闭体,并且在屏蔽体上不可避免地会存在洞孔和缝隙。另外,屏蔽的空间也绝不是孤立的。它必然要和外界有联系,如连接电源系统、通风空调系统、信号联络系统和控制系统等。诸如此类联系的通道也影响屏蔽的屏蔽效能。例如,当有空隙存在时,电磁波穿越屏蔽层有两种途径,即从屏蔽体中穿越和从孔隙中泄漏。由于电波在屏蔽层中的速度比孔隙中的传播速度小,在屏蔽层传播过程中的衰减比在孔隙中大,因此形成了不同传播途径所造成的电磁场幅度和相位的差异。如图3.29所示,假定屏蔽体上有一孔隙,设场源到达屏蔽体表面的场强为H0,于是它将分别通过屏蔽壁和孔隙传输到另一侧,其场强分别为H1和H2。因此测试点的场强为H1和H2的向量和,即。

3.3.8屏蔽设计的综合考虑

屏蔽体设计的第一步是确定未采用屏蔽措施时,目标点干扰场的大小,然后确定能够接收的干扰场的大小,二者之差就是屏蔽体需要达到的屏蔽效能。

1.选择屏蔽方法

不同类型的干扰源在屏蔽体中所产生的损耗是不同的,即使是同一干扰源,在通过不同材料制作的屏蔽体时所造成的电磁波衰减也是不同的。吸收损耗是以电磁波通过屏蔽体所产生的涡流发热而使其能量得以消耗;而反射损耗则取决于干扰场的形式和其波阻抗,阻抗越低,反射损耗就越大。

从理论上讲,高电压、小电流的干扰源可视为具有高的波阻抗,为电场干扰;而低电压、大电流的干扰源可视为具有低的波阻抗,为磁场干扰。

一般来说,电场干扰的反射损耗较大,而磁场干扰的反射损耗则较小。由此,对电场干扰的屏蔽应以反射损耗为主;而对磁场干扰的屏蔽则应以吸收损耗为主。在一定的频率范围内,高导电率的材料具有较大的反射损耗;而高导磁率的材料则具有较大的吸收损耗。

在电场中,反射损耗应是构成屏蔽的主要因素;在低频磁场中,由于多次反射的关系,吸收损耗是构成屏蔽的主要因素;而电磁屏蔽应同时考虑吸收损耗和反射损耗。

实际上,任何一种干扰源,并不是以纯粹的电场或磁场的形式存在的。在以电场干扰为主的干扰源中,同时必然存在着磁场形式的干扰;而在以磁场形式存在的干扰源中,也一定存在着少量的电场成分。即使是同一干扰源,在采用特定的屏蔽材料时,也会由于频率的变化而使反射损耗和吸收损耗的比例产生相对变化。一般情况下,在干扰场中,如反射损耗的比例大于吸收损耗,就认为该干扰场是以反射损耗为主的;反之,则是以吸收损耗为主。因此,在实施屏蔽时要注意利用最有效的屏蔽措施去抑制最主要的干扰,才能得到好的屏蔽效果。所以,在实际工作中,应把主要精力放在确定引起干扰的主要干扰源的类型上,从而采取有针对性的屏蔽措施。例如,变压器的初、次级绕组间所加的一圈不短接的铜箔就是一种电场屏蔽,印制电路板所采用的隔离走线也是一种电场屏蔽;广泛采用的屏蔽导线也属于电场屏蔽,但往往兼有电磁屏蔽的作用;而变压器外部的铁皮(或坡莫合金)罩壳则是一种磁屏蔽;一般使用的高频线圈外部所施加的屏蔽罩主要是电磁屏蔽,如把其接地,则同时具有电场屏蔽作用。

在绝大多数情况下,屏蔽措施的实施应是以某种屏蔽为主,同时兼有其他屏蔽作用为优选。

2.选择屏蔽材料

对不同类型的干扰,应采取不同的屏蔽措施,而不同的屏蔽措施的实施,也必须采用不同的屏蔽材料来构成屏蔽体。常用的屏蔽材料大致可分为两类;一类为高导电性(即具有较小的电阻率)材料;另一类为高导磁率(即具有较小的磁阻率)材料。前者主要用于电场屏蔽和电磁屏蔽的场合,而后者则主要用于磁场屏蔽的场合。

在电场屏蔽中,反射损耗占主导地位。为了取得较好的屏蔽效果,应使反射损耗尽可能大,而屏蔽材料的阻抗愈低,则反射损耗就愈大。高导电性材料具有较小的阻抗,正好满足电场屏蔽(包括电磁屏蔽)的要求。在磁场屏蔽中,吸收损耗占主导地位。高导磁性材料具有较高的导磁率,而导磁率的增加可以极大地提高材料的吸收损耗,从而提高磁场屏蔽的效果。

常用的高导电性材料主要有铜、铝、铁和其他导电性好的金属材料;常用的高导磁性材料有坡莫合金、镍钢、冷轧硅钢和一般的电工软铁。

3.电磁屏蔽设计要点

电磁屏蔽是抑制辐射干扰的重要手段,屏蔽设计也是电磁兼容性设计中的重要内容之一,设计要点如下:

1)确定屏蔽效能

设计之前,应根据设备和电路单元、部件未实施屏蔽时存在的干扰发射电平以及按电磁兼容性标准和规范允许的干扰发射电平极限值,或干扰辐射敏感度电平极限值,提出确保正常运行所必需的屏蔽效能值。对于一些大、中功率信号发生器或发射机的功放级,可根据对这类设备的辐射发射电平极限值和其自身的辐射场强来确定对屏蔽效能的要求。

2)确定屏蔽的类型

根据屏蔽效能要求,并结合具体结构形式确定采用哪种屏蔽才适合。一般地,对屏蔽要求不高的设备,可以采用导电塑料制成的机壳来屏蔽,或者在工程塑料机壳上涂覆导电层构成薄膜屏蔽。若屏蔽要求较高,则采用金属板作单层屏蔽。为获很更高的屏蔽效能,一般应采用双层屏蔽,设计得好的双层屏蔽,可获得100dB以上的屏蔽效能。

3)进行屏蔽结构的完整性设计

对屏蔽的要求往往与对系统或设备功能其他方面的要求有矛盾。譬如,通风散热需要有孔洞、加工时必然存在缝等,都会降低屏蔽效能。这就要应用有关非实心屏蔽的知识,采取相应措施来抑制因存在电气不连续性而产生的电磁泄漏,达到完善屏蔽设计的目的。

另一个要注意的问题是要校核屏蔽体是否存在谐振。这是因为在射频范围内,一个屏蔽体可能成为具有一系列固有频率的谐振腔。当干扰波频率与屏蔽体某一固有频率一致时,屏蔽体就产生谐振现象,引起屏蔽效能大幅度下降。可根据屏蔽体谐频率计算公式来校核。

通过校核应保证所设计的屏蔽体,在工作频段内无谐振点。

关于屏蔽设计,较为先进的方法是建立一个有关设备材料与结构的屏蔽效能的数据库,然后选用最接近于受试样品的数据进行设计。

4.屏蔽的应用

1)设备组件的屏蔽

有些设备内部有发电机、电动机、继电器、变压器等元件,它们产生的电磁场对设备里的敏感部件有干扰,有时无法工作。这时需要将干扰源和敏感部件进行屏蔽处理。

2)连接器的屏蔽

对电缆端头、螺钉、沟槽、螺栓、垫圈进行屏蔽,从而消除由于它们处理不当而引起的电磁干扰。

3)设备的屏蔽

设备的外壳对内部易受干扰的组件进行屏蔽保护,此时设备的外壳要按屏蔽要求来设计。

但其壳体为了电源线、控制线、信导线的输入、输出等,还有散热、通风等原因需在壳体上开孔开窗,这就造成电气不连续,使屏蔽效能大大降低,造成外壳泄漏或易受干扰。在小窗上装上金属网或者使孔隙的尺寸满足最小波长的要求(对缝隙的直线尺寸要求小于1/10波长,洞孔尺寸小于1/5波长)。在结构装配上要充分考虑屏蔽性,要装导电性填料或金属密封垫片。

4)电缆的屏蔽

电缆是传送信息的途径,也是干扰的传送途径,电缆可在各种电磁环境中敷设,高电平电缆辐射干扰,低电平电缆感受干扰,而且电缆又是成束地敷设的,其耦合干扰也不小。为了衰减辐射干扰和降低感受度,对电缆要进行屏蔽,为此屏蔽又是电缆去耦的方法,并要良好接地才能达到好的屏蔽效果。

3.4滤波

滤波技术是电磁干扰的抑制与防护的重要方法之一。实际电磁兼容工程中,即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽接地措施的系统,也仍然会有不需要的能量传导进入此系统,致使系统的性能降低或引起系统的失灵。而滤波器可以把这些不需要的传输能量减小到使系统能满意地工作的电平上,这是因为在滤波器的通带内,滤波器对能量传输的衰减很小,使能量很容易通过,而在通带之外,传输能量则受到很大的衰减,从而抑制了能量的传输。正因为如此,滤波器是防护传导干扰的重要武器,如电源滤波器解决传导干扰问题。滤波器同时也是解决辐射干扰的重要武器,如抑制无线电干扰,通常在发射机的输出端和接收机的输入端安装相应的电磁干扰滤波器。

3.4.1滤波的基本概念

滤波是指根据各类信号的频率特性进行选择。对某些频率点范围内的信号提供传输极点,而对另一些频率点范围内的信号提供传输零点,从而使某一频率范围内的信号顺利通过滤波网络,而其他频率的信号或干扰则得到较大的衰减,基本不能通过滤波网络。

滤波技术在抑制EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面,具有明显的效果。任何电源线上传到干扰信号,均可用差模干扰和共模干扰来表示。差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰;共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰。在一般情况下,差模干扰幅度小、频率低,所以造成的干扰较小;共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。抑制电源线上干扰最有效的方法就是在电源输入和输出电路中加装电源EMI滤波器。电子设备线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线,由于导线的存在,往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时,这些导线又能吸收外部的EMI,使电路对干扰很敏感。在线路上使用信号滤波器是一个解决高频EMI辐射和接收很有效的方法。

滤波器通常由电容、电阻、电感或有源器件组成,作为电路中的选择性传输网络来完成选择性衰减输入信号中不需要的频率分量。

3.4.2滤波器的特性与分类

滤波器可以定义为一个网络,是由集总或分布参数电阻器、电感器和电容器,或是它们的某种组合所构成的。这样的网络能使某些频率成分易于通过而称为通带,而阻碍其他一些频率成分的通过而称为阻带,也就是说滤波器的通带是指这样的频率范围,在此频率范围内的能量传输只有很小或没有衰减,而滤波器的阻带则是指对能量传输衰减很大的频率范围。

在电路中一般常见的滤波器串接在信号源与接收电路之间,可等效成四端网络。