电磁兼容原理和抑制技术(七)——《磁性元件与电源》

电磁兼容原理和抑制技术（七）

区健昌

（续上期）

3/4!???????

前述的讨论均假设屏蔽材料是均质的，且平面尺寸很大，所以既无泄漏也不产生边缘效应。但屏蔽体通过狭槽、开关和输入/输出(I/O)电缆的开口会产生泄漏、谐振腔效应和边界不连续性对场分布的影响将使屏蔽性能受损。于是可从概念上重新定义由方程(27)表示的屏蔽效能，用以计算非理想的屏蔽性能：

SE 'd B = A dB +R dB +B dB -泄漏效应-驻波效应 (51)方程式(51)中的泄漏效应可认为是由任何真实屏蔽中存在的下列情况中的一个或多个造成。泄漏效应由下列类型的泄漏通道产生：

接缝：配合构件、螺钉、折缝、熔焊、铜焊、银焊、 软焊

门：各式门

盖板：活动面板、抽屉 通风孔：通风、空调、加热 用于下列孔洞：连接器、保险丝、电源线信号和控制 电缆、光纤线、电位器、观察窗、状态 指示器、按键、通断开关、控制开关、 对流冷却

非均质表面：丝网、屏蔽编织物、网、稀疏表面 由驻波引起的恶化，在较高频率上涉及到在机壳体中起微波腔体作用的谐振效应，导致在屏蔽机壳内出现性能较差（即屏蔽效能较小）的区域或空间。

另一种出现的恶化是由于机壳的角落和锐边处‘场的增强’，导致在金属突然转折的附近出现高的场电平。场的增强是由于在这些不连续点‘波的堆集’。应使焊接处和拐角尽可能地圆滑，以便缓和这种效应。

将金属屏蔽体屏蔽效能(SE dB )和屏蔽泄漏(L dB )产生的

效应合成起来的方法如下：

(52)

应注意方程式(52)最坏的情况是将所有同相的泄漏效应加在一起，然后再和SE dB 同相相加，因为低频率时几乎的相位范围都同相（相参）直到高频时接近随机的相位（不相参）。若不发生同相相加（即随机或不相参的合成效应），则方程式(51)中的三个“20”可由三个“10”来代替。但通常情况只是一个或少数几个泄漏通道占优势，而不是所有的泄漏通道。

举例说明：

假设在某一频率下，机壳屏蔽材料本身有110dB 的屏蔽效能，由于在各泄漏点泄漏分别造成屏蔽效能的下降为：(1)滤波器/连接器面板=101dB ，(2)通风孔泄漏=92dB ，(3)门泄漏=88dB ，(4)屏蔽面板接缝泄漏=82dB 。计算屏蔽体的总泄漏和机壳的合成屏蔽效能。

利用方程式(52)中的后一项计算得出总泄漏效能是76.8dB 。利用方程(52)的所有项得出SE dB =76.6dB 。因此，在此例中说明机壳基体材料的性能如何并不特别重要，只要它比最低或最少泄漏点的衰减好上约10dB 就行。为了说明屏蔽机壳上控制泄漏的重要性，在上例中，若保持总泄漏效应不变，我们设法逐步提高机壳屏蔽材料的屏蔽性能即逐步提高SE dB 值，应用方程式(52)计算相应所得的屏蔽机壳的合成屏蔽效能见表2.1。

该表用来说明SE dB 由60dB 提高到120dB 时，合成屏蔽效能SE 'dB 仅提高了17.9dB ，因此提高屏蔽效能的关键在于如何控制泄漏。泄漏通常是如此，但也有例外（一个例外是对于低频磁场，通过泄漏的相移可能与穿透屏蔽体的相移异相相加，使机壳内部的场振幅减小）。

3/5!????

对于六面均质机箱的屏蔽效能可以看成是接近于本章

给出的分析关系和设计曲线图的上限。换句话说均质材料对屏蔽特性与频率和场强或其它饱和效应无关（即它们是线性的）。这些方程也有限度地适用于近似均质金属，如电池漆、涂复、沉积、火焰喷涂等工艺过程。除在较低频率外，它们不适用于小孔材料如丝网、网格和金属化的纺织品，所有这些材料应由不同的表达式来描述。

均质金属在总屏蔽效能相当低时譬如低于约40dB的场合，理论与实践之间通常存在良好的对应关系。当屏蔽效能在40~100dB范围内时，理论与实践之间的关系可从好到坏，它取决于(1)偏离均质机箱的程度，(2)频率(3)泄漏点被补救的程度。在关系不好的场合，测量值几乎总是低于理论值。对于SE

dB

的理论值超过约100dB的情况，由于在实际机箱上有如此之多的泄漏点，理论与实践之间的对应关系通常是差的。

对于磁性材料(μ

r

>1)，本章中的关系式仅适用于额定

磁导率μ

r

的情况。磁导率随磁场强度（或磁通密度）和频率变化，特别是在几千赫以上。在约1兆赫以上，大部分磁性材料的相对磁导率已经成为或接近于1。所以，应充分研究磁性材料的适用范围。

本节将综述均质金属、带孔的屏蔽体和近似均质金属的性能。

3/5/2!????

设计师可能会遇到的许多金属和它们的电导率和磁导率它们一起被列入表2.2。

其中第四栏标题乘积是金属相对于铜的特征吸收

损耗顺序。对于除银以外的非磁性材料，相对于铜的

值均小于1.0。所以，非磁性材料提供比较差的吸收损耗。

反之，所有磁性材料具有超过2的相对吸收损耗值，与非磁性材料相比，它们是比较好的低频能量吸收体。另一方面，由于相对磁导率随频率增加而恶化，在高频（约100千赫以上）时磁性材料提供的吸收损耗比大多数非磁性材料小。对厚度薄（厚度比趋肤深度小的多）的金属而言，吸收损耗可忽略不计，因而选择金属时无论是磁性的或是非磁性的都不重要。但是，当金属与趋肤深度相比不薄时，吸收损耗变得重要。撇开价格和其它因数不说，选择屏蔽体金属时在第二和第三栏中选取适用的σ

r

和μ

r

是有用的。

其中第五栏标题为商是金属相对于铜的特征反射损耗顺序，反射损耗性能以dB单位表示在第六栏中。非磁性材料优于几乎所有的磁性材料。对厚度薄的金属而言，反射损耗是总屏蔽效能中唯一的重要项。因此，对于这种情况设计师将选择一种不是高电导率的非磁性材料。

对于窗和观察孔的射频屏蔽，如玻璃或塑料的衬底其厚度t以毫微米度量，它是趋肤深度的很小分数，在这种场合下会选择比较稳定（电化序中较低的）和导电较好的金属如金。

在论及磁屏蔽材料时，问题发生在计算屏蔽效能时应该采用的相对磁导率的数值。这时常采用文献中给出的相

对磁导率μ

r

值，好象它们是一个固定的材料参数，在不同的电磁环境条件下都不会变化。要注意这里所指的磁化曲线和磁滞曲线中定义的各种典型磁性材料特性包含相对磁

导率μ

r

值都是在直流或较低频率下测得的。遗憾的是，归

入磁性材料（μ

r

>1）类的材料参数，其磁导率的数值总是随磁环境和频率变化。错误地使用屏蔽效能关系式，如将

μ

r

看成是固定量，可能导致过于乐观的屏蔽效果预测。因此，

SE

dB

的逼真估算取决于正确应用μ

r

值。

在计算屏蔽时精确估计所使用的正确μ

r

值，取决于几个因素。众所周知在典型磁性材料的磁化曲线和磁滞曲线中定义了材料的各种特性。HC是矫顽力或驱使磁感应（磁

通密度）到零所需施加的反向磁场强度值；B

r

是剩磁或材

料在达到饱和磁感应强度B

m

后所保留的磁感应值；B

m

是

由施加的磁场强度H

m

在材料中产生的磁感应；B

r

是在磁场减小到零之后，在材料中保留的磁通密度值。

相对磁导率μ

r

定义为磁感应B与施加磁场强度H之比。在实际运用中相对磁导又可表现为不同的形式如：初始磁

表 2.1 说明控制泄漏的重要性

机箱屏蔽体的屏蔽效能总泄漏效应合成屏蔽效能

SE

Db L

dB

SE'

Db

6076.858.8 7076.866.7 8076.872.2 9076.875.1 10076.876.2 11076.876.6 12076.876.7 13076.876.8≥15076.876.8

表 2.2 金属的相对电导率和磁导率

(1)

金属

(2)

相对电导率σ

r

(3)

相对磁导率

μ

r

≤10kHz

(4)

乘积

(5)

商

(6)

相对反射

R

dB

1 银白色 1.061 1.03 Db 1.3+0.3dB

2 铜（纯） 1.001110

3 铜（火焰噴涂）0.1010.320.32-10.0

4 金0.7010.880.88-1.1

5 铬0.66410.810.81-1.8

6 铝（软）0.6310.780.78-2.1

7 钴（回火）0.4010.630.63-4.0

8 铝（家用箔0.6密耳）0.5310.730.73-2.8

9 铝（家用箔0.6密耳）0.6110.780.78-2.1

10 铝（火焰噴涂）0.03610.190.19-14.4

11 黄铜 (91%Cu, 9%Zn)0.4710.690.69-3.3

12 黄铜 (66%Cu, 34%Zn)0.3510.520.52-5.7

13 镁0.3810.610.61-4.3

14 锌0.30510.570.57-4.9

15 钨0.31410.560.56-5.0

16 铍0.3310.530.53-5.5

17 镉0.23210.480.48-6.3

18 铂0.1710.420.42-7.6

19 锡0.15110.390.39-8.2

20 钽0.1210.330.33-9.6

21 铅0.07910.280.28-11.0

22 蒙乃尔合金 (67%NI, 30%Cu, 2Fe, 1Mn)0.04110.200.20-13.9

23 锰0.03910.200.20-14.1

24 鈦0.03610.190.19-14.4

25 汞（液态）0.01810.130.13-17.4

26 镍铬合金 (65%Ni, 12%Gr, 23Fe)0.001210.0350.035-29.2

27 镍铁铜超导磁合金0.023100,00053.70.0005-65.4

28 78坡莫合金0.108800029.40.0037-48.7

29 钝铁0.17500029.20.0058-44.7

30 ConeticAA0.0312000028.70.0011-58.8

31 4-79坡莫合金0.0314*******.10.0013-58.0

32 镍铁高导磁合金0.028********.00.0012-58.4

33 铁钴磁性合金 (50%Cu, 1-2V, Fe)0.24780014.10.0018-35.1

34 高导铁镍钢0.0345450012.50.0028-51.1

35 45坡莫合金(12000退火)0.0384400012.40.0031-50.2

36 45坡莫合金(10500退火)0.038425009.80.0039-48.1

37 热轨硅钢0.038415007.590.0051-45.9

38 铁镍软磁合金0.019230007.590.0025-51.9

39 4%硅铁(晶粒取相)0.03715007.450.0050-46.1

40 4%硅铁0.029500 3.810.0076-42.4

41 16铝铁高导磁合金合金0.0111345007.130.0016-56.0

42 铁钴磁性合金0.069650 6.700.010-39.7

43 钼镍铁高导磁合金0.02162000 6.570.0033-49.7

44 50%镍铁0.03841000 6.200.0062-44.2

45 45-25镍钴铁高导磁合金0.091400 6.030.015-36.5

46 商品铁（0.2%杂质）0.17200 5.830.29-30.7

47 冷轨钢0.17180 5.530.031-30.2

48 镍0.23100 4.700.047-26.6

49 不锈钢（1Cu, 18Cr, 8Ni, Fe ）0.02200 2.000.010-40.0

50 镍铬硅铁磁合金(36Ni)0.0191000 4.360.0044-47.2

51 铁镍合金53-60.1723007.180.024-32.4

导率μ

0；最大磁导率μ

max

；和增量磁导率μ

△

等等，这三种

磁导率的值大小可变化在一个数量级以上（或对于反射损

耗SE

H

变化10dB以上，而对于吸收损耗可变化任何量）。

由于磁屏蔽效能值SE

dB

在低频下通常很小，这可能导致显著的误差。

其中增量磁导率μ

△

是讨论中特别感兴趣的。它是作为

磁滞曲线上的局部磁滞回线出现的。增量磁导率μ

△

又称叠加磁导率它是在有直流偏磁的情况下或在交、直流磁场同时作的情况下发生的，图2.11中表明除磁滞回线产生的信号外，还有低电平信号施加的影响。在所示的单点上，增量磁导率的作用是产生与磁滞回线信号不同的磁通密度。这表示磁场遇到了磁导屏蔽时的情况。

在较普遍的情况下与几种效应(包括涡流损失)有关,它们是：(1)磁场强度(2)频率(3)到金属屏蔽体的距离(4)金属厚度(5)金属磁导率和电阻率的函数。从而得出结论，

除非知道全部条件，否则就不能确定等效的μ

r

值和直接使

用表2.2中的μ

r

值和磁性材料的方程。

在几百千赫以上相对磁导率接近于1。此外，图2.12

表示60赫时μ

r

随磁通密度变化的情况。由此得出的结论是，在饱和状态下和极低频率时，磁导率可比表2.2中所列的额定低电平的μ值增大约一个数量级。

在等于和高于中等频率（300千赫倒3兆赫）的情况下，

对所有的情况μ

r

→1。因此，本章给出的屏蔽效能曲线只

适用于规定使用的μ

r 值。

当最大磁通密度可能被超过

时，包括非磁性金属或高饱和磁

性金属的双层屏蔽，应面对比较

严重的磁场源。对来自单元或电

缆外部的干扰发射，防护金属的

第一层应面朝外，而若发射来自

内部，则防护金属应面朝内。

3/5/3!?????

表2.2中的几种金属有现成的

薄片型品种，厚度从约1/64英寸

（0.4毫米）或更薄到1/8英寸（3.2

毫米）或更厚。有时把厚度小于

1/64英寸的金属称作箔。许多高

磁导率金属制成箔上市，厚度范

围从约1密耳（25.4微米）到10密耳（254微米）。它们

通常有片型和带型两种。箔料还可以有背后带粘接剂的箔

成卷供应。

厚度约为几密耳的较薄的非磁性箔被广泛应用于射频

屏蔽。尽管有许多商店宣传铝箔如何省事，（一密耳家用

铝箔在超过1千赫时对平面波和电场有80dB的屏蔽效能）

但它对抵抗低频磁场的性能却极差（它是几乎透明的）。

金属箔有许多用法。一种颇为有趣的应用是用金属箔

墙纸将整个房间变成一个有限的屏蔽室。它的屏蔽效能比商

品化屏蔽室要小的多，但它具有价格较低的优点。这种材料

已偶尔用来构造屏蔽室，表面积从几千平方英尺到设备机箱

尺寸的都有。金属箔墙纸必须与其它材料，如压敏化合物结

合使用。它们还需要采用许多措施来恢复由于门、窗、交流

电源线穿入和加热/空调管道等丧失的屏蔽完整性。

金属箔墙纸通常以2到3密耳（51到76微米）的厚

度上市，它们由铝或铜箔或较高的电导率与高磁导率的专

用不锈钢箔制成。典型屏蔽效能为：对于200千赫的磁场

是25~40dB，对于200千赫~10兆赫的电场是80~100dB，

能量是按MIL-STD-285进行的。

有时厚度约为1密耳的薄箔被粘结（金属化）在塑料

衬底如5~10密耳的聚脂薄膜上，它们可用作冲气结构，起

到屏蔽外壳的作用。

3/5/4!???????

实际设备机箱的屏蔽受到各种孔洞的破坏。如必须在图 2.11 出现在磁化曲线上的局部磁滞回线

图 2.12 相对磁导率与磁通密度的关系

屏蔽体上为电源线、按键、控制轴、冷却等开孔时，应该考

虑孔洞所造成的屏蔽泄漏量。这些问题的专门解决方法将在

下节中讨论。本节给出计算单孔和多孔引起的屏蔽恶化的一

些分析关系式。具有孔洞屏蔽体的屏蔽效能计算如下：

SE

dB =A+R+B+K

1

+K

2

+K

3

(53)

式中：A=孔的吸收损耗；R=孔的反射损耗；B=对于孔的反射修正量；K

1

=对孔洞数目的修正项；K

2

=对低频场穿透

的修正项；K

3

=对小间距孔间耦合的修正项。

①吸收损耗A这个基本吸收项是由波导理论推导出来的，在频率低于波导截止频率时，场在通过波导和孔洞时受到衰减。波导对低于截止频率提供的吸收是：

对于圆孔A

C

=32 L/D (54)

对于矩形孔 A r =27.3 L /W (55)式中：

L =孔的长度；D =圆孔直径；W =矩形孔的最大宽度② 反射损耗R 反射损耗用类似于实心屏蔽的反射损耗方法得出。也就是说，反射损耗取决于边界上的阻抗不匹配。阻抗不匹配是由入射波的特性阻抗和孔的特性阻抗推导出来的。反射损耗由下式求出：

R =20Log 10(J /4+1/2+1/4J ) (56)

式中：

J =Z a / Z w 是孔的特性阻抗与入射波特性阻抗之比对于矩形孔特性阻抗：Z ar =j ωμ0W /π对于圆孔特性阻抗： Z ac =j 2πf μ0D /3.682

孔与孔之间导体对磁场的特性阻抗：Z wh =j ωμ0 孔与孔之间导体对电场的特性阻抗：Z we =j /ωε0其中γ是干扰源到屏蔽体的距离，毫米

③ 反射修正量B 当屏蔽效能的吸收部分小于10dB 时，采用以下修正项：

(57)

④ 多孔修正量K 1 屏蔽体上多孔将使屏蔽效能恶化，它被表示为总屏蔽效能中的损耗：

K 1=-10Log 10an (58)

式中：

a =全部孔的面积；n =每平方面积上的孔数低⑤ 低频场穿透的修正因数K 2 低频时金属的趋肤深度大，从而电磁场穿透导体并出现在屏蔽体的反面。(59)式是计算低频场穿透的经验公式：

(59)

式中：d =线直径，当计算丝网的屏蔽效能时用C w 代替d 2

C w =孔与孔之间的导体宽度

⑥ 孔间耦合K 3 孔间的互相耦合趋向于增加整个孔结构的阻抗，导致总屏蔽效能的增加。

(60)式是计算耦合的公式：

K 3=20Log 10[1/tanh(A /8.686)] (60)

3/5/5!??????

均质性不足但没有洞、槽或其它孔洞的金属，无论大小在本章中均称为金属(PHM)。近似均质金属的例子包括导电油漆、涂复和金属化绝缘体用火焰喷镀工艺的产物；赋予塑料电磁屏蔽性能的另一种技术，是在注塑前给塑料添加金属或导电的微粒，产生近似均质材料。由于工艺过程中固有的质量控制问题（即过程本身无助于均质性），近似均质金属可能有不充实区。结果，近似均质金属的理论屏蔽效能与测量结果相比可能好也可能坏。

近似均质导电涂复的电性能通常要么用每单位厚度的表面电阻，要么用体积电阻率、绝缘电导率，或者偶尔用相对于铜的电导率来度量。表面电阻R ade 与体积电阻率 有关：

R ade =100ρΩ?m /t cm 欧/厘米2

(61)

式中：t =表面涂复的厚度

体积电阻率ρ与电导率σ和表面电阻有关，在直流时由下式表示：

σmho/m =1/ρΩ?m =100/R ade t cm (62)

相对于铜的电导率 σr ：

（σcu =现在5.8×107欧/米）为：σr =σmetal /σcu =1.72×10-8/ρΩ?m (63)

=1.72×10-6/R ade t cm (64)

（接下期）