發布日期：2022-04-17 點擊率：157
【導讀】本節講述了屏蔽用于阻擋空間噪聲傳導。許多情況下此屏蔽用作電磁屏蔽。本節講述了電磁屏蔽的通用特征，還闡釋了有效使用電磁屏蔽須謹記的幾個要點。
屏蔽結構
(1) 電子設備屏蔽
電子設備所用的屏蔽要如下圖所示遮蓋住機身，電路板或電纜。本節著重于噪聲穿過這些屏蔽的部分（如圖所示），還講述了電磁屏蔽主要根據材料特征來阻擋無線電波的效果。
這些屏蔽不僅用于向外排放的噪聲，還用于從外部進入電路的噪聲。類似于天線的情形，因為這兩個效果是相同的，所以本節將著重于噪聲排放。
圖1 電子設備的屏蔽結構示例
(2) 屏蔽效果細分
如圖1所示，用屏蔽限制噪聲的效果一般可使用夏克諾夫的公式來闡釋。
如圖4-2-2所示，考慮了無線電波從左側撞擊屏蔽后的屏蔽效果以及右側向外泄露的屏蔽效果。這里我們假定右側向外泄露的無線電波要比左側撞擊屏蔽的無線電波弱SE(dB)。如下所示，夏克諾夫的公式通過對三項求和來表示屏蔽效果SE。
（公式 1）
R表面反射造成的無線電波損耗（反射損耗）
A屏蔽內部衰減造成的無線電波損耗（衰減損耗）
B前后端之間多重反射的效果（多重反射效果）
圖2 屏蔽效果
這里忽略其中的多重反射效果B，因為只要不是A的吸收損耗非常小這一特殊情況（如非常薄的金屬箔等），多重反射的影響就很小，可以無視。
盡管夏克諾夫的公式是近似公式，但實際上已經足夠準確且被廣泛使用，因為這個公式有助于理解屏蔽效果。本節將在這個公式的基礎上進一步講述常規的屏蔽特性。[page]
屏蔽特性
(1) 用非常薄的金屬板就可達到大約100dB的屏蔽效果
圖3展示了銅板的情形，并以此作為用夏克諾夫公式計算結果的一個示例。
圖3 銅板的屏蔽效果
圖3(a)表示了厚度為0.1mm時的頻率特征。紅線指示的屏蔽效果SE在從0.1MHz到1000MHz的整個頻率范圍內達到100dB或更高。如果是常規電子設備的噪聲抑制，100dB則被認為是達到了足夠大的效果。
圖3(b)展示了通過在固定頻率10MHz上改變厚度得出的計算結果。即使是厚度只有10μm的超薄銅板也具有明顯的屏蔽效果。下文闡釋細分的屏蔽效果。
(2) 反射損耗
圖3中的藍線表示了反射損耗R。從圖中可以理解為銅只從反射損耗就能達到接近100dB的效果。如圖4所示無線電波從左到右發射無線電波時，由于空間的固有阻抗和屏蔽材料的固有阻抗之間的阻抗匹配非常差，就會出現反射損耗。空間的固有阻抗為377Ω，而10MHz時銅板的固有阻抗只有1.17MΩ。實際差距達到了32萬倍。因此無線電波的能量幾乎不能進入銅板。
此處的固有阻抗代表了無線電波在特定材料內以平面波形傳輸的特性，還指示了與傳輸線路的特征阻抗等效的數值。這表示電場與磁場的比率，這個值由介電常數ε，磁導率μ，電導率σ和頻率?等決定。通常因為金屬的導電率非常高，所以金屬的固有阻抗非常小。
盡管圖3展示了銅的情形，但鐵的導電率只比銅低一個數量級，而磁導率要高1000倍。因此鐵的反射損耗會更小。但鐵在10MHz時依然具有接近 60dB的反射損耗。因此大多數金屬材料均視為能夠達到不造成實際問題的反射損耗。無論厚度多少，都可以達到這個反射損耗。（如果厚度很薄，需要修正多重 反射效果）
因為反射是導電率造成的，所以這也意味著可以在電阻高的截面（如果有）上降低屏蔽效果。例如如果屏蔽板內有一個接合點，連接面的任何電阻均會明顯降低屏蔽的效果。為了確保連接面的傳導，可以使用導電墊圈等。
圖4 屏蔽板表面的無線電波的反射
[page](3) 衰減損耗
圖3中的綠線表示了衰減損耗。這個損耗會隨著頻率和/或材料厚度增加而明顯變大。因此在諸如圖3(a)所示的情形下，衰減損耗會在100MHz或更高頻率范圍內超過反射損耗，總共達到200dB或更高的屏蔽效果。
圖5 屏蔽板內無線電波的衰減
衰減損耗是由通常稱為集膚效應的特性而造成的無線電波衰減。當無線電波進入金屬時，無線電波會在距離表面的集膚深度δ處以0.37的系數特征進行衰減。因此如果屏蔽板厚度大于集膚深度，就可以預期有明顯的衰減效果。
當使用相同厚度的屏蔽材料時，集膚深度更薄的材料被認為會有更佳的衰減損耗。圖6展示了常規屏蔽材料（銅，鋁和鐵）的集膚深度的計算結果。頻率越高，集膚深度就越淺，且因此可以獲得衰減損耗。在10MHz處，預計可以從厚度不小于20μm的銅和厚度不小于2μm的鐵獲得衰減損耗。
集膚深度也會因材料的磁導率μ和導電率σ而 有所差異。導電性或磁導率越高，集膚深度越淺。盡管圖6表明了鐵的導電率要比銅的低，但由于鐵的磁導率很大，鐵的集膚深度要比銅低一個數量級。因 此這可以理解為即使鐵的反射損耗小于銅的反射損耗，鐵這種材料也會具有較大的衰減損耗。（因為圖6假定了鐵的相對磁導率是1000而進行計算的， 所以不是很準確）
圖6 金屬板的集膚深度
(4) 影響屏蔽效果的材料參數
當如上所述使用金屬板時，通過以下方式可以獲得更大的屏蔽效果:
(i)使用更厚的屏蔽材料（衰減損耗增大）
(ii)提高導電率（衰減損耗和反射損耗同時增大）
(iii)提高磁導率（衰減損耗增大）
通常只要是金屬板，實際上任何材料或厚度均可以發揮出足夠的屏蔽效果。但是如果如下所述在環形天線的附近處理不高于100kHz的頻率范圍，那么材料和厚度就會很重要。[page]
低頻磁場的屏蔽
如圖6所示的計算結果，集膚深度會隨著頻率下降而增大。因此當使用厚度大約0.1mm的薄金屬板時，預計會在不高于1MHz的范圍內從銅或鋁中以及在不高于10kHz的范圍內從鐵中獲得較大的衰減損耗。用衰減損耗屏蔽這種低頻噪聲需要很厚的材料。
如上一節所述，我們假定即使沒有衰減損耗，正常情況下反射損耗預計能夠獲得足夠好的屏蔽效果。但前提是材料的固有阻抗遠小于空間的固有阻抗。
實際上，當屏蔽材料位于噪聲天線附近時，波阻抗（電場與磁場的比率）不同于空間的固有阻抗（377Ω）。有關天線附近的波阻抗，請參閱第2節。位于天線附近的屏蔽材料的反射損耗會因這個波阻抗而有所差異。
特別是在圖7的情形下，環形天線附件的磁場較強，使得波阻抗一直小于377Ω。因此降低了與屏蔽材料的固有阻抗的阻抗不匹配，從而降低了反射損耗。因此需要增大衰減損耗來補償降低量。但是因為低頻范圍內的集膚深度增大，所以需要使用比較厚的材料。
出于上述原因，難以使用銅等良導體，來屏蔽環形天線附近的低頻噪聲。這種情況下，鐵板（更淺的集膚深度）比銅板更合適。此外，除了電磁屏蔽，可能還需要其他磁屏蔽技術。
圖7 難以屏蔽低頻磁場
連接屏蔽罩
如上所述，材料的屏蔽效果可以用夏克諾夫的公式來估算。但是將這個公式應用到實際的電子設備時，通常無法獲得此處所述的效果。主要原因是任何連接面或開孔均可能成為障礙，使材料無法發揮出足夠的性能。本節講述了連接屏蔽罩時要謹記的幾個要點。
(1) 當裝配屏蔽罩時
如上所述，金屬板的屏蔽效果主要是因導電率產生的。換言之，重要的是電流易于流過屏蔽表面。如果屏蔽表面有開孔或間隙，電流難以流動，從而使屏蔽效果受損。
如圖8所示，應該牢牢地連接屏蔽罩的連接面。使用導電墊圈等無縫連接屏蔽表面，可保持良好的屏蔽。如果僅使用螺絲或接觸點進行連接，應縮小螺絲或接觸點之間的間隔（大約1/20的波長）。
如果如圖9所示屏蔽罩內依然有間隙，需要意識到可能會發射無線電波，尤其是在讓間隙長度形成1/2波長的頻率上。（例如，如果是12cm的CD狹槽，將大約是1.2GHz）。
圖8 連接屏蔽罩
圖9 狹縫的效果
(2) 除了無線電波屏蔽之外的因素
如果由于屏蔽中的開孔、整個物體的外殼不完整或導線伸出屏蔽罩而使得屏蔽中斷，屏蔽罩本身就會成為天線并發射無線電波。這種情形下，可以說共模噪聲已經被傳導到屏蔽上。
這種現象不同于圖9所示的開孔用作天線的問題。而是如圖10(a)所示整個屏蔽罩和整個系統用作天線。這樣一來天線尺寸變大，發射的噪聲頻率將比從開孔尺寸估算的頻率更低。[page]
如圖10(a)所述由浮動靜電容量等驅動，因此能量不是很強。但需要完整屏蔽時，應意識到這個可能性。
如圖10(b)所述，為了防止出現這種情形，需要:
(i)導線伸出時插入濾波器
(ii)開孔是產生問題的原因時減小尺寸，或保持內部噪聲源遠離此開孔
(iii)整個物體還未封閉時提高封閉性。
這些方法也對接地增強有效。
圖10 改善屏蔽斷開部分
連接屏蔽電纜
(1) 屏蔽電纜接地
盡管可以說屏蔽罩的主要功能是“限制內部噪聲”，但屏蔽電纜的屏蔽部分也可以用作電流的路徑。因此，需要特別注意屏蔽接地的部分。
例如如圖11所示的同軸電纜是作為電流路徑的屏蔽部分。眾所周知，同軸電纜可用作屏蔽的電纜。也是理想的傳輸線路。外導線（外護套）是信號電流的回路。
在屏蔽接地方面，相同的概念也適用于同軸電纜之外的通用屏蔽電纜。盡管在某些情況下可以清楚地分隔開電流和屏蔽的回路，但通用概念也適用于常規電子設備的噪聲抑制。
因此本節闡釋了與同軸電纜有關的屏蔽連接示例。
圖11 同軸電纜
若要通過同軸電纜發射信號，如圖11(b)所示外護套應該連接到電路的地線。因此流過內部導體的電流產生的電磁場與流過外部導體的電流相抵消，從而消除了從電纜發射的噪聲。
對于通用的屏蔽電纜，屏蔽電纜應該連接到兩端的地線。但是對于靜電屏蔽，有些情況只可以連接屏蔽電纜的一端。
(2) 連接到屏蔽罩
我們應該如何將這個電纜的屏蔽連接到屏蔽罩？圖12展示了兩個屏蔽罩彼此互連的示意圖。
如圖12所示，為了獲得完整的屏蔽連接，屏蔽電纜的外護套的整個圓周需要連接到屏蔽罩。為此，經常會使用屏蔽連接器。
如果兩個屏蔽罩均已經單獨接地，可能會引起接地回路，或可能無法符合如圖12所示的單點接地原則。這些事實違背了用于消除相對低頻范圍內的噪聲干擾的常規設計策略。換言之，讓屏蔽消除噪聲排放實際上可能會增加低頻噪聲。
如上所述，噪聲抑制與接地連接的狀態存在權衡關系，而且根據具體情況依然可能有無法處理的一部分殘留。（例如，如果圖12中的一側斷開地線連接，就能解決以上問題，同時可能會增加電氣化的風險，或可能會折損靜電電荷的敏感性）
圖12 連接到屏蔽罩
(3) 連接到電路板
盡管存在如上所述的問題，屏蔽電纜的地線通常會牢牢地連接到如圖12所示兩端的屏蔽罩，然后連接到電路的地線。這樣可以:
(i)對于噪聲，提供與噪聲屏蔽罩一體化的屏蔽結構。
(ii)為信號提供正確的電流反饋電路。[page]
圖13展示了與同軸電纜有關的連接電路板的示例。
圖13(a)展示了將導線連接到電路板的情形。電纜的屏蔽外護套通過同軸連接器連接到屏蔽罩。這就可以生成正確的屏蔽結構。
圖13(b)表明了同軸連接器和電路板之間的間隙也通過短同軸電纜來連接。這種情況下，可以形成更好的信號傳輸電路。請注意，也應該在電路板側連接同軸電纜的接地。
圖13 屏蔽電纜接地
不合適的屏蔽示例
(1) 軟辮
將屏蔽電纜不正確的接地作為一個例子，存在一個名為軟辮的結構。這種連線方法是將屏蔽外護套接地，將其捆扎為如圖14(a)所示的導線。這樣做易于進行連接。但是捆扎的部分會產生阻抗，并削弱屏蔽效果。
圖14(b)展示了連接到屏蔽罩的軟辮示例。這種情況下，連接目標適合屏蔽噪聲。但屏蔽效果會因軟辮而受損。此外，信號電流沒有回路（插圖顯示了 電流通過相對較遠的屏蔽罩的地線形成回路）。這種情況下，噪聲可能會通過信號電流被傳導到接地，從而屏蔽電纜可作為這種噪聲的天線。
圖14(c)展示了連接到電路接地側的軟辮示例。這種情況下的信號電流回路是合適的。但是屏蔽罩和屏蔽電纜的地線已經互相隔開。因此屏蔽效果明顯受損。
圖14 不適當的接地示例
(2) 如何改善軟辮
實際上，沒有屏蔽罩時或由于單點接地原理而無法連接到屏蔽罩時，必須作為通用方法進行如圖14(c)所示的連接。盡管不建議在需要大量消除噪聲的情形下進行此連接，但圖15展示了一種方法可改善此情形。
圖15(a)是大幅屏蔽信號的情形。連接電路板和同軸電纜要使用專用的連接器。如果這個電路板的接地穩定，電纜屏蔽的功能會相對有效。
為了穩定電路板的接地，應該在如圖所示的電纜（可能是最近的距離）基礎上將電路地線連接到屏蔽罩（如果有）。如果由于單點接地的設計策略而無法連接，則應該如圖所示通過一個電容器進行連接。[page]
圖15(b)是用EMI靜噪濾波器抑制噪聲的示例。因為屏蔽已經在屏蔽電纜的外露部分斷開，所以在這個位置安裝濾波器來阻擋噪聲進出。盡管圖中顯示了一根同軸電纜，但如果是差分信號，這個部分會使用共模扼流線圈。
圖15 改善接地的示例
(3) 屏蔽斷開
如果屏蔽電纜的屏蔽外護套破裂，會造成什么影響？如果如圖15(a)所示在圓周方向中有一個裂縫，而且這個裂縫還穿過了整個圓周，那么即使縫隙很小，影響也會很嚴重。這是因為沿著長度方向流動的屏蔽電流受到了干擾。即使只有一個裂縫，整根電纜的屏蔽效果也會受損。
如果如圖13(b)所示的縱向有一個裂縫，就不會干擾屏蔽電流，造成的影響相對較小。
圖16 屏蔽電纜中的裂縫示例
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 信號傳輸理論的概念及
