电磁屏蔽技术

电磁干扰及其屏蔽

1、屏蔽的基本概念

屏蔽就是用导电或导磁材料制成的盒、壳、板、栅等结构形式, 将电磁千扰场限制在一定的空间范围内, 使干扰场经过屏蔽体时受到很大衰减,从而抑制电磁干扰源对相关设备或空间的干扰。屏蔽是抑制电磁干扰源的有力措施之一。从屏蔽的侧重范围可大体分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁场屏蔽三种：

（1）电屏蔽, 即对静电或电场的屏蔽, 防止或抑制寄生电容祸合, 隔离静电或电场干扰。（2）磁屏蔽, 即磁场屏蔽。用于防止磁感应,抑制寄生电感藕合, 隔离磁场干扰。

（3）电磁场屏蔽, 用于防止和抑制高频电磁场电磁波的屏蔽。

（4）屏蔽效能, 即屏蔽前后空间某点的电磁场强度之比, 常用分贝数表示。

2、电场屏蔽

2.1静电屏蔽

静电干扰分为静电场感应作用和静磁场藕合作用。当某电子元器件或电路上具有电荷时, 在其空间就会产生电场当这些电荷流动时, 在其周围空间还同时产生磁场。这种电场和磁场作用到其周围邻近的电路或元件时就将产生感应电流和电压, 这些感应电流和电压又反过来影响原来电路或元件中的电流或电压。在用电设备中通过电场和磁场产生的寄生感应干扰, 统称为静电干扰。

静电干扰可通过静电屏蔽来抑制。设导体A带有正电荷, 则其邻近导体B将由于静电感应而带负电荷, 如图1（a）。

如图1（b）, 如果将导体A屏蔽, 屏蔽体外侧将感应出与A等量的正电荷, 导体A不直接影响导体B, 但导体B同样因屏蔽体的电场感应而带负电,

导体B如何才能避免导体A的静电干扰呢?

如图(C), 将屏蔽体接地, 消除屏蔽体的外电场,导体B才能免受导体A的静电干扰。可见, 将屏蔽体良好接地是防止静电干扰的关键, 接地电阻愈低愈好。

2.2 近场电屏蔽

近场电屏蔽的一种方法就是在感应源与受感器之间加一接地良好的金属板, 把感应源的寄生电容短接到地, 通过抑制寄生电容祸合, 达到电场屏蔽的目的。

3、磁场屏蔽

磁场屏蔽可分低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽两类。任何载流导体或线圈周围都会产生磁场, 磁场随导体电流的变化而变化, 这种变化的磁场常对周围的电子线路或敏感器件造成干扰。电子线路中常存在有环形布线（如线圈、信号环路等）, 强信号环路易形成磁场发射, 弱信号环路则更易受周围交变磁场的干扰。

3.1低频磁场的屏蔽原理

对于低频磁场（含恒定磁场）, 其屏蔽体的屏蔽效能远不如电屏蔽和电磁屏蔽。当磁场频率低于时, 屏蔽措施主要有赖于高磁导率材料所起到的磁分路作用, 利用铁氧体材料如铁、硅钢片、坡莫合金等的高磁导率特性对千扰磁场进行磁场分路, 涡流在其中所起到的屏蔽作用很小。

电场有电力线, 磁场有磁力线, 磁力线通过的路径称为磁路。磁路与电路有类似的特征。磁路具有磁阻, 磁阻与磁路的长短、磁路的截面积及相对磁导系数（相对磁导率金属的磁导率与空气的磁导率之比）有关。磁导率越大, 磁阻就越小, 磁通主要选择通过高磁导率材料。如果磁场中存在高磁导率的磁场通路, 则磁通相对通过周围空气的部分就大为减小, 使得周围空间的磁场干扰也同时大为减少, 客观上起到了磁场屏蔽作用。如图5所示,屏蔽体c由高磁导材料构成, 屏蔽了A的磁场对B的干扰。

3.2高频磁场的屏蔽

高频磁场的屏蔽原理是屏蔽体利用电磁感应现象所产生的涡流反磁场对原干扰磁场的排斥作用来达到屏蔽目的的。屏蔽体材料采用的是低电阻率的良好导体, 如铜、铜镀银等。由法拉第电磁感应定律, 闭合回路产生的感应电动势等于穿过该回路的磁通量的变化率。感应电势伴生感应电流, 感应电流产生的磁通要阻碍原来磁通的变化, 与原来的磁通方向相

反, 即反磁场。如图, 如果选择产生感生电势的载体为良导体的金属板, 则感应电流阻抗近乎于短路而产生涡流, 此涡流产生的反磁场将抵消穿过此金属板的原磁场。反磁场的作用增强了金属板四周的磁场, 看起来就像原磁场从金属板四周绕行而过。如图, 使金属板右侧的空间得到屏蔽。

高频磁场的屏蔽材料需要用良导体, 以减小涡流阻抗, 减小发热和损耗。同时, 要尽量避免在垂直于涡流的方向上有缝隙, 以免阻碍涡流电流的流动, 影响屏蔽效能。由于高频电流的集肤效应, 高频屏蔽盒无需太厚。此外, 屏蔽体是否接地不影响屏蔽效果, 但由于电场屏蔽必须接地, 故若将屏蔽体接地, 就同时具有了电场屏蔽和高频磁场屏蔽的双重作用。

4、电磁干扰的种类

电磁干扰，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

5、电磁干扰的产生

各种无线电通信、广播、电视节目的传送等，都是利用电磁波的传播而工作的。有时收音机中收到的电台附近有频率相近的干扰信号，则收到的广播中将同时伴有讨厌的干扰声；电视信号如果收到频率相近的电磁波干扰或汽车打火、电吹风启动等都将会使图像跳动，画面出现干扰条纹或斑点、声音失真等，这就是由电磁波辐射照成的一种噪声干扰现象。由于产生电磁波的电流频率较高，因而由此产生的电磁场除了具有一般电场和磁场的特性外，还具有高频电磁场的特殊特性。

6、电磁场的屏蔽原理

设有一块厚度为t的无限大金属板，将空间分为两部分，诺设定入射场在左部，发出电磁波自左向右传播至板的右表面，由于空气与金属是两种不同的介质，再板的表面产生反射，使一部分电磁波反射会左边，即反射波。另一部分电磁波射入金属内部，向右继续传播，经过金属板t后，由于金属对电磁波的吸收，磁场强度被消弱。到达金属板右边界面的电磁波，又有一部分反射会金属向左传播；另一部分穿过右界面向右继续传播。

电磁波在金属内的损耗表现为涡流损耗。涡流的密度随着进入金属内部深度的增加而按指数规律减小，且随电磁波的频率不同而变，频率越高，涡流再表面的损耗就越大。实际上，板厚t并不需要很厚，经计算：当f>1MHz时,用0.5mm厚的任何一种金属板做屏蔽物,就可以使场强减弱到1/100;当f>10MHz是,用0.1mm的铜箔制成的屏蔽物,可以使场强减弱到1/100;当f>100MHz时,可以在绝缘材料上镀铜或银,即可达到要求.

4、屏蔽导线端头的加工

屏蔽导线是一只公在绝缘导线外面套上一层铜编织套的特殊导线。其加工过程分为下面几个步骤。

4.1 导线的剪裁和外绝缘层的剥离

用尺和剪刀（或斜口钳）剪下规定尺寸的屏蔽线。导线长度只允许5%~10%的正误差，不允许有负误差。

4.2 剥去端部外绝缘护套

（1）热剥法

在需要剥去外护套的地方，用热剥皮器烫一圈，深度直达铜编织层，再顺着断裂圈到端口烫一条槽，深度也要达到铜编织层。再用尖嘴钳或医用镊子夹持外护套，撕下外绝缘层，如下图：

（2）刀截法

基本方法同热剥法，但需要用刀刃代替温控剥皮器。具体做法是；从端头开始用

刀刃划开外绝缘层，再从根部划一圈后用收或镊子钳住，即可剥离绝缘层。注意，刀刃要斜切，划切时，不要伤到屏蔽层。

4.3铜编织套的加工

（1）较细、较软屏蔽线铜编织套的加工

○1左手拿住屏蔽线的外绝缘层，用右手指向左推编织线，使之成为图4-13a 所示的形状。

○2用针或镊子夹在铜编织套上拨开一个孔，弯曲屏蔽层，从孔中取出线芯，如图4-13b

所示，用手指捏住已抽出的线芯的铜屏蔽编织套向端部捋一下，根据要求剪取适当的长度，端部拧紧。

（2）较粗，较硬的屏蔽线编织套的加工

先剪去适当长度的屏蔽层，在屏蔽层下面缠黄蜡绸布2~3层（或用适当直径的玻璃纤维），再用直径0.5~0.8mm的镀银铜线密绕在屏蔽层的端头，宽度为2~6mm，然后用电烙铁将绕好的铜线焊在一起后，空绕一圈并留出一定的长度，最后套上热缩套管。

(3)屏蔽层不接地时的端头加工

将编制套推成球状后用剪刀剪去，仔细修剪干净即可。如图4-14a所示，若要求较高的场合，则在编制套剪去后，将剩下的编织线翻过来，如图4-14b所示，再套上热缩套管如图4-14c。

电子设备的减震与缓冲

1、振动的危害

1.1、元器件或材料机械破坏：疲劳损坏、强度破坏；

1.2、结构变形或松动；

1.3、电气参数变化；

1.4、接触不良等。

具体表现在：

1)．接插装置会从插座中跳出来，并碰撞其他元器件而造成破坏。

2)．电真空器件的电极变形、短路、折断；或者由于各电极作过多的相对运动而产生噪声，不能正常工作。

3)．振动引起弹性元件产生变形，使具有触点的元件（电位器、波段开关、插头座等）产生接触不良或开路。

4)．指示灯忽亮忽暗，仪表指针不断抖动（或指针脱落），使观察人员读数不准，视觉疲劳。

5)．当零部件的固有频率和激振频率相同时，会产生共振现象。

6)．安装导线变形及位移，使其相对位置改变，引起电感量和分布电容发生变化，从而使电感电容的耦合发生变化。

7)．机壳和基础变形，脆性材料（如玻璃、陶瓷、胶木、聚苯乙烯）断裂。

8)．防潮和密封措施受到破坏。

9)．锡焊和熔焊处断开，焊锡屑掉落在电路中间而造成短路故障。

10)．螺钉、螺母松开甚至脱落，并撞击其它零部件，造成短路和破坏。有些用来调整电气特性的螺丝受振后会产生偏移。

2、减振原理

隔振就是通过在设备或器件上安装减振装置，隔离或减少它们与外界间的机械振动传递⑴主动隔振

隔振对象是振源，在振动物体与安装基础之间安装隔振器，减少机器振动力向基础的传递量。

（2）被动隔振

隔振对象是设备，在仪器设备与基础之间安装隔振器，以减少基础的振动对仪器设备的影响

3、缓冲

隔冲的基本原理：

在支撑基座与电子设备之间装一减振器进行冲击隔离，当外界冲击力作用在支撑基座上时，由于减振器中的弹性元件和阻尼元件产生变形，吸收能量并延长冲击力作用的接触时间，使传递给设备的冲击力减小了很多，达到缓冲的目的。

冲击减振器实际上是一个储能装置。

减振器的刚度越小，阻尼越大，则冲击力的作用接触时间愈长，减振器的变形愈大，设备受到的冲击力也就愈小，缓冲的效果愈好。

什么是阻尼？

阻尼：

阻尼是指阻碍物体的相对运动、并把运动能量转化为热能或其他可以耗散能量的一种作用。

4、减振器的类型

4.1.橡胶-金属减振器

优点：阻尼比ξ较高(0.02~0.13)，不能长时间承受较大的变形，能承受冲击作用，隔冲性能好；

缺点：怕高温、油污、酸、光照等

4.2.金属弹簧减振器

金属弹簧减振器用弹簧钢板或钢丝绕制而成。

优点：对环境条件反应不敏感，耐高温、高寒、油污等；工作性能稳定，不易老化；刚度变化范围宽，可以制作很软，也可很硬

缺点：阻尼比很小（ξ≤0.005），共振时很危险。因此必要时还应另加阻尼器。

5、减振器的合理布置

5.1. 应使各减振元件受力均匀，静压缩量基本一致；

5.2. 将减振器安装在设备底部四角较为方便，但为了提

高稳定性，减振器的安装平面应尽可能提高，最好是

在设备重心所在的平面；

5.3. 同一设备的减振器最好选用同一型号的产品。

电子设备的散热

1、热的传导方式

传热的基本方式有三种，即传导，对流和辐射。

a ）热传导是指通过物体内部或物体间直接接触来传播热能的过程。热传导是通过物体内部或物体接触面间的原子，分子以及自由电子的运动来实现能量传播的。

b ）热对流是依靠发热物体（或高温物体）周围的流体（气体或液体）将热能转移的过程。

c ）热辐射是一种以电磁波（红外波段）辐射形式来传播能量的现象。热辐射是由于温度升高，物体原子振动的结果引起的。

2、散热防热的主要措施

利用热传导、对流及辐射，把产品中的热量散发到周围的环境中去称为散热。

电子产品常用的散热方法有：

①自然散热；

②强迫通风散热；

③液体冷却；

④蒸发冷却；

⑤半导体制冷。

2.1. 自然散热

自然散热是利用产品中各元件及机壳的自然热传导，自然热对流，自然热辐射来达到散热的目的。

2.2. 机壳自然散热

电子产品的机壳是接受产品内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构，它在自然散热中起着重要作用。

机壳自然散热以下问题：

①选择导热性能好的材料做机壳，加强机箱内外表面的热传导。

②为了提高机壳的热辐射能力，可在机壳内外表面涂粗糙的黑漆。

③在机壳上，合理地开通风孔，可以加强气流的对流换热作用。

2.3. 强制散热

强制风冷。强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高产品内空气流动的速度，增大散热面的温差，达到散热的目的。

液体冷却。由于液体的导热系数、热容量和比热都比空气大，利用它作为散热介质其效果比空气要好。

蒸发冷却。每一种液体都有一定的沸点，当液体温度达到沸点时就会沸腾而产生蒸汽，从沸腾到形成蒸汽的过程称为液体的汽化。液体汽化时要吸收热量。蒸发冷却就是利用液体在汽化时能吸收大量热量的原理来冷却发热器件的。

2.4. 功率晶体管及集成电路芯片的散热

晶体管和集成电路在工作时要产生功耗，即集电极功耗Pc，其产生的热量会使结温度升高。如果没有良好的散热，结温度将超过最大允许结温度TjM，就会缩短管子寿命，甚至有烧坏的危险。

一般采用的散热器散热，下图为常用的散热器。

3、防热措施

电阻主要通过传导散热。因此在装配电阻时，引线应尽可能短一些，并且要加大与其它元件的距离。其它元器件类似于电阻。

变压器主要依靠传导散热，要求铁心与支架、支架与固定面都要良好接触，使其热阻最小。

晶体管依靠管壳及引线的对流、辐射和传导散热。大功率的晶体管应该采用散热器散热。

集成电路主要依靠外壳及引线的对流、辐射和传导散热。当集成电路的热流密度超过0.6W/㎝2时，应装散热装置，以减少外壳与周围环境的热阻。

保持足够的距离，以利于空气流动，增强对流散热。

将功率大、发热量大本身又耐热的元器件放在气流的下游（出口处），将功率小、发热量小又不耐热的元器件放在气流的上游（入口处）。

如上述原则安排有困难，可发热量大元器件和热敏感元件进行热屏蔽。

电子设备的气候防护

电子设备在生产、存储、运输和使用过程中，无可避免地受到各种环境和气候的影响，如温度、湿度、气压及空气中的各种化学物质等。不良气候将使产品的结构和材料遭受不同程度的腐蚀、老化及霉烂等破坏形式，从而引起产品内部元器件性能变化，绝缘程度下降，甚至发生漏电和短路，直到完全失效。

1、金属的防护方法

（1）改变金属的内部组织结构。例如，把铬、镍等加入普通钢里制成的不锈钢。

（2）表面覆盖。就是在零件的表面覆盖致密的金属或非金属覆盖层。表面覆盖层按其性质可分为以下三类：金属覆盖层、化学覆盖层、涂料覆盖层。

①金属覆盖：金属覆盖层是用电镀、化学镀、喷镀和热浸等方法，在本体金属表面镀上一层有良好的化学稳定性（即抗腐蚀性）和某些物理性能（如导电性、耐磨性）的金属。

②化学覆盖：化学覆盖是用化学或电化学的方法在金属表面形成一层致密而稳定的金属化合物。化学覆盖有：发蓝（黑）、氧化、钝化、阳极氧化和磷化等。

③涂料覆盖：涂料覆盖是在金属表面涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等物质。（3）电化学保护法。因金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，所以，只要能够把引起金属电化学腐蚀的原电池反应消除，金属的腐蚀自然就可以防止了。

2、防潮湿措施

防潮湿措施有憎水处理、浸渍、灌封、密封等方法。

憎水处理是利用憎水物质，通过一定方法，在元件、零件表面形成憎水性膜，或者使某些物质发生化学变化而使材料变成憎水性。

浸渍是将被处理的元件或材料浸入不吸湿的绝缘液中，经过一段时间，使绝缘液进入材料的小孔、毛细管、缝隙和结构间的空隙，从而提高了元件材料的防潮湿性能以及其它性能。

蘸浸是把被处理的材料或元件短时间（几秒钟）地浸在绝缘液中，使材料或元件表面形成一层薄绝缘膜，也可以用涂覆的办法在材料或元件表面上涂上一层绝缘液膜。

灌封或灌注在元器件本身或元器件与外壳间的空间或引线孔中，注入加热熔化后的有机绝缘材料，冷却后自行固化封闭。此种工艺叫灌封或灌注。

密封就是将零件、元件、部件或一些复杂的装置，甚至整机安装在不透气的密封盒中，这种方法属于机械防潮。

密封是防止潮气长时期影响的最有效方法。密封不仅可以防潮，而且还可以防水、防低气压、防盐雾、防霉、防灰尘。

3、霉菌的防护

霉菌属于细菌中的一个类别，它生长在土壤里，并在多种非金属材料的表面上生长。霉菌在适宜的气候环境下（温度15—35℃、相对湿度高于70%）繁殖非常快。霉菌所分裂出来的孢子很小（1μm以下），很易于随空气侵入产品。霉菌是靠自身分泌的酶在潮湿条件下分解有机物而获取养料的，这个分解过程就是霉菌侵蚀与破坏材料的根本原因。

霉菌侵蚀会降低材料的机械强度甚至使材料腐烂脆裂；另外可改变材料的物理性能与电性能；侵蚀金属或金属镀层表面，使之表面被污染甚至引起腐蚀。许多有机绝缘材料霉菌侵蚀后，由于分泌出酸性物，而使绝缘电阻大幅度降低；使电子线路的频率特性发生变化。此外，霉菌还会破坏元件和设备的外观，以及给人的身体造成毒害作用。

4、防霉措施：

①密封防霉。将产品严格密封，并加入干燥剂，使其内部空气干燥、清洁。

②控制环境条件，防止霉菌滋生。如采取措施把温度降低到10℃以下，绝大部分霉菌就无法生长；用足够的紫外线辐射、日光照射，以及定期对无线电产品通电增温降低湿度，也能有效地阻止霉菌生长。

③应用防霉剂。

④使用防霉材料。