低頻電磁屏蔽實踐
發(fā)布人： 發(fā)布時間：2015年11月5日 14:32:00 瀏覽次數(shù)：4719
內(nèi)容摘要： 低頻電磁屏蔽機理討論及計算方法推導(dǎo)；低頻電磁屏蔽與其它屏蔽的差異比較；實際工作中的注意事項 關(guān)鍵詞： 低頻電磁屏蔽，屏蔽體，磁路并聯(lián)旁路分流，開口設(shè)計 一．前言 許多專業(yè)文獻在分析低頻電磁屏蔽機理的機理時沿用了中高頻電磁屏蔽概念和計算方法，致使計算和設(shè)計與實際結(jié)果偏差很大。有些中高頻電磁屏蔽理念被盲目照搬到低頻領(lǐng)域，造成誤解和錯誤。 相對于靜電屏蔽或中高頻電磁屏蔽而言，消除或減少低頻電磁干擾的難度更大。在設(shè)計中高頻電磁屏蔽時，要衰減80dB（10-4）是輕而易舉的事；但是做一個低頻電磁屏蔽時，能夠把干擾減少到原來的20%往往就可以滿足使用要求，要把干擾減少到原來強度的1%以下是相當困難的。 凡是有電源的地方、有用電設(shè)備的地方、幾百米內(nèi)有高壓電線的地方、幾十米內(nèi)有地下電纜的地方，甚至只有金屬管道和金屬梁架的地方，都可能有高達數(shù)十以至數(shù)百毫高斯的低頻電磁干擾。低頻電磁干擾的強度變化常常無規(guī)律可循，短時間內(nèi)就會有相當大的上下波動；低頻電磁干擾的來源往往難以確定，這樣就更增加了屏蔽設(shè)計的難度。 本文重點討論屏蔽體內(nèi)體積為40～120m3，屏蔽前磁場強度在0.5～50mGauss p-p(毫高斯峰-峰值) 范圍的低頻（低于0～200Hz）電磁場屏蔽的實際應(yīng)用。 在本文討論的情況下，導(dǎo)磁材料可能被電磁干擾的直流分量磁化，但不會飽和；低于0.5mGauss p-p的磁場認為可以忽略不計；其它頻率的磁場以直流或中高頻磁場泛指。 二．低頻電磁屏蔽與其它屏蔽的差異比較 1． 低頻電磁場 根據(jù)電磁波傳輸?shù)幕驹?，在頻率很低的時候，趨膚效應(yīng)(波從表面進入導(dǎo)電媒質(zhì)越深，場的幅度就越小，能量就變得越小，這一效應(yīng)就是趨膚效應(yīng)。良導(dǎo)體中的電磁波只存在于導(dǎo)體表面,高頻電路中，傳導(dǎo)電流集中到導(dǎo)線表面附近的現(xiàn)象, 稱為“集膚效應(yīng)”。交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當頻率很高的電流通過導(dǎo)線時，可以認為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。既然導(dǎo)線的中心部分幾乎沒有電流通過，就可以把這中心部分除去以節(jié)約材料。因此，在高頻電路中可以采用空心導(dǎo)線代替實心導(dǎo)線。此外，為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導(dǎo)線編織成束來代替同樣截面積的粗導(dǎo)線，這種多股線束稱為辮線。在工業(yè)應(yīng)用方面，利用趨膚效應(yīng)可以對金屬進行表面淬火。)、磁滯損耗(放在交變磁場中的鐵磁體，因磁滯現(xiàn)象而產(chǎn)生一些功率損耗，從而使鐵磁體發(fā)熱，這種損耗叫磁滯損耗。鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。磁滯指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時，磁化強度滯后于磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度 H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。經(jīng)一次循環(huán)，每單位體積鐵心中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使設(shè)備升溫，效率降低，這在交流電機一類設(shè)備中是不希望的。軟磁材料的磁滯回線狹窄，其磁滯損耗相對較小。硅鋼片因此而廣泛應(yīng)用于電機、變壓器、繼電器等設(shè)備中。)以及反射損耗(反射損耗是指由于屏蔽的內(nèi)部反射導(dǎo)致的能量損耗的數(shù)量，他隨著波阻和屏蔽阻抗的比率而變化)都很小，低頻電磁波的能量基本由磁場能量構(gòu)成。所以這時我們所要屏蔽的應(yīng)該是電磁波的磁場分量(電磁屏蔽的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場，即同時屏蔽場源所產(chǎn)生的電場和磁場分量。由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導(dǎo)致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關(guān)鍵的控制要素;用鋼制機柜進行屏蔽時，由于能為所有連接面提供一條由一個面至另一個面的高導(dǎo)電路徑，所以電流仍保持在機箱外側(cè)。這種導(dǎo)電路徑是用特殊的襯墊和在連接表面進行導(dǎo)電涂敷而建立的， 導(dǎo)電路徑的任何中斷都將使屏蔽效能降低，它取決于縫隙或孔洞尺寸與信號波長之間的關(guān)系。對于較低頻率或較長波長來說，如果只有一個小孔則不會明顯降低屏蔽效能；對于高頻或較短波長來說，屏蔽效能的下降將是很劇烈的。 舉一個例子，屏蔽體上如果有一個直徑為15mm的孔洞，對于10MHz信號（波長為30m）來說，將仍然能提供60dB屏蔽效能，但對于1GHz信號（波長為30mm）來說，若要保持同樣的屏蔽效能，則孔徑不能超過0.15mm。直徑為15mm的孔對于1GHz信號只能提供20dB衰減。 如果不止一個孔洞，而且孔距小于信號半波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號波長時，屏蔽效能將進一步降低。如果高頻信號要求足夠的衰減，則不應(yīng)采用為了通風(fēng)目的的孔洞。 圖2.2表示RFI/EMI能量是如何通過吸收、反射和傳導(dǎo)而耗散的。屏蔽效能及其產(chǎn)生的衰減與頻率、源與屏蔽體的距離、屏蔽體的厚度以及屏蔽材料等有關(guān)。由于增加了對RFI/EMI能量的反射和吸收的總和，使所傳輸?shù)碾姶拍芰繙p小。哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一個相當復(fù)雜的問題。很明顯這種材料必須具有良好的導(dǎo)導(dǎo)性，所以未處理過的塑料是無用的，因為電磁波能直接通過它。當然，可以采用金屬。然而，應(yīng)當記住，不能只考慮導(dǎo)電性，其理由就在于，電磁波不但有電場分量，還有磁場分量。要知道高導(dǎo)磁率和高導(dǎo)電率同樣重要，高導(dǎo)磁率的意思就是磁力線的高導(dǎo)通性。鋼是一種良導(dǎo)體，而磁導(dǎo)率的量級也會令人滿意。它也是相對廉價并能提供很大機械強度的材料，所以有理由利用鋼材，廉價的獲得滿意的屏蔽效能。 應(yīng)當注意，低頻電磁波比高頻電磁波有更高的磁場分量。因此，對于非常低的干擾頻率，屏蔽材料的導(dǎo)磁率遠比高頻時更為重要。) 屏蔽低頻（如工頻）電磁干擾的基本原理是磁路并聯(lián)旁路分流。通過使用導(dǎo)磁材料（如低碳鋼、硅鋼等）提供磁旁路來降低屏蔽體內(nèi)部的磁通密度。同時盡量增大渦流損耗，使一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。 導(dǎo)電率高而導(dǎo)磁率低的材料（如銅、鋁等）對電磁波的磁場分量幾乎沒有屏蔽作用。 屏蔽材料越厚則磁阻越小、渦流損耗越大，屏蔽效果越好。 2． 直流磁場 當?shù)皖l電磁場頻率降低至0Hz時，低頻電磁場轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞔艌?。磁化、磁飽和、無磁滯損耗、無渦流損耗(鐵磁材料置于交變磁場中時，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗)等等，使直流磁場的屏蔽比低頻電磁場屏蔽更加困難。一般選擇盡量避開直流磁場干擾源。在條件允許的情況下，也可以用導(dǎo)磁材料把直流磁場干擾源包圍，使它發(fā)散出來的磁力線在導(dǎo)磁材料內(nèi)部形成一個閉環(huán)回路，減少它對外界的干擾。 導(dǎo)磁材料的結(jié)構(gòu)和設(shè)備被磁化后也會產(chǎn)生直流磁場，現(xiàn)場實測時經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)這種情況，但是一般強度不大于0.5mGauss。 同時這種磁場往往是長期穩(wěn)定的，對儀器設(shè)備的干擾不大，所以有時可以忽略這種直流磁場的影響。 3． 中高頻電磁場 在這個范圍里（一般是從1000Hz到1MHz），電磁波的能量比重逐漸由磁場分量向電場分量傾斜，趨膚效應(yīng)、磁滯損耗還有反射損耗等逐漸顯得不可繼續(xù)忽略了，頻率變化的影響也不像在低頻范圍里那樣可以忽略不計了，屏蔽機理也隨之逐漸由側(cè)重屏蔽磁場分量轉(zhuǎn)向側(cè)重屏蔽電場分量。 4． 高頻電磁場 高頻（1MHz以上）電磁波除了具有低頻電磁波的電磁感應(yīng)特性外，還具有低頻電磁波很少具有的折射性和反射性。 根據(jù)電磁波傳輸?shù)幕驹?，在頻率很高的時候，趨膚效應(yīng)、渦流損耗以及反射損耗和折射損耗都將在屏蔽機理中有充分的表現(xiàn)。高頻電磁波的能量基本由電場分量構(gòu)成。所以這時我們所要屏蔽的是電磁波的電場分量。 屏蔽高頻電場干擾的基本原理是容抗并聯(lián)旁路。通過在干擾源與被屏蔽點之間加入一個屏蔽層，并使屏蔽層對地容抗無限?。ǖ刃帘螌咏拥兀?，來保護被屏蔽點不受干擾源通過雜散分布電容而耦合過來的干擾。 屏蔽材料可以用導(dǎo)電性良好的鋁、銅、錫、銀等，材料厚度對屏效影響不大。 5． 靜電屏蔽 靜電屏蔽比較簡單。用金屬板（或者箔、網(wǎng)）形成一個屏蔽腔體，腔體與被屏蔽設(shè)備的外殼共同接地。 靜電屏蔽的基本原理是消除電勢差，將所有的電荷泄放入地。 三．幾種低頻屏蔽方法綜合評估 1． 低導(dǎo)磁率材料（如低碳鋼板等）屏蔽 低碳鋼板的導(dǎo)磁率在4,000左右。低碳鋼板機械性能好，可焊性好，易加工，價格便宜，購買方便。在不必考慮屏蔽體的厚度和重量時，絕對應(yīng)該是低頻電磁屏蔽材料的首選。 2． 高導(dǎo)磁率材料（如硅鋼板等）屏蔽 熱軋硅鋼板的導(dǎo)磁率為6,000～8,000，冷軋硅鋼板的導(dǎo)磁率為12,000～20,000，選用冷軋硅鋼板理論上屏蔽體厚度可以降低為低碳鋼板的1/3到1/5。硅鋼板價格昂貴，材質(zhì)硬、脆，延展性差，可焊性可加工性遠遠不如低碳鋼板。在敲擊、折彎、開孔和焊接后，如果不進行熱處理，導(dǎo)磁率將大大下降。現(xiàn)場施工一般不是焊接而是平鋪搭接，但是即便搭接面很寬，因為空氣隙的存在，也仍然會使整體的導(dǎo)磁率下降。 冷軋硅鋼板還有晶向不一致的缺點，即鋼板軋制方向上與側(cè)面垂直方向上的導(dǎo)磁率不一樣，一般用多層交叉重疊法來解決這個問題。但這又增加了施工難度，增加成本；同時增大空氣間隙減少渦流損耗，降低屏蔽效果。 綜上所述，在低頻電磁屏蔽室的設(shè)計中，使用硅鋼板往往是事倍功半的，一般不建議采用。 3． 有源消磁器消磁 有源消磁器由探測器、反相消磁線圈和控制器等幾部分組成。探測器檢測到磁場的三維場強，控制器根據(jù)得到的信息產(chǎn)生波形和幅度相同、相位相反的電流，反相消磁線圈產(chǎn)生波形和幅度相同、相位相反的磁場將原來的磁場抵消。 有源消磁器安裝簡便靈活，但因其工作原理所限，在控制上有一定的滯后，調(diào)試工作有一定的難度，均勻性和穩(wěn)定性等方面還有一些問題。 四．低頻電磁屏蔽設(shè)計 屏蔽體的材料選擇： 根據(jù)以上的討論，如無特殊情況，一般選擇低碳鋼板。 因為整體材料的渦流損耗比幾層疊加（厚度相同）的渦流損耗要大，所以如無特殊情況不選用薄的多層材料而選用厚的單層材料。