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電磁干擾的屏蔽方法

日期:2021-11-26 18:27
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摘要:
電磁干擾的屏蔽方法:

EMC問題常常是制約中國電子產品出口的一個原因,本文主要論述EMI的來源及一些非常具體的抑制方法

  電磁兼容性(EMC)是指“一種器件、設備或系統的性能,它可以使其在自身環境下正常工作并且同時不會對此環境中任何其他設備產生強烈電磁干擾(IEEEC63.12-1987)”對于無線收發設備來說,采用非連續頻譜可部分實現EMC性能,但是很多有關的例子也表明EMC并不總是能夠做到例如在筆記本電腦和測試設備之間、打印機和臺式電腦之間以及蜂窩電話和醫療儀器之間等都具有高頻干擾,我們把這種干擾稱為電磁干擾(EMI)

  EMC問題來源

  所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續性電壓電流變化,有時變化速率還相當快,這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量,而相應的電路則會將這種能量發射到周圍的環境中

  EMI有兩條途徑離開或進入一個電路:輻射和傳導信號輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去;而信號傳導則通過耦合到電源、信號和控制線上離開外殼,在開放的空間中自由輻射,從而產生干擾

  很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現,大多數時候下面這些簡單原則可以有助于實現EMI屏蔽:從源頭處降低干擾;通過屏蔽、過濾或接地將干擾產生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等EMI抑制性、隔離性和低敏感性應該作為所有電路設計人員的目標,這些性能在設計階段的早期就應完成

  對設計工程師而言,采用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用,從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導電漆及鋅線噴涂等)無論是金屬還是涂有導電層的塑料,一旦設計人員確定作為外殼材料之后,就可著手開始選擇襯墊

  金屬屏蔽效率

  可用屏蔽效率(SE)對屏蔽罩的適用性進行評估,其單位是分貝,計算公式為

  SEdB=A+R+B

  其中 A:吸收損耗(dB) R:反射損耗(dB) B:校正因子(dB)(適用于薄屏蔽罩內存在多個反射的情況)

  一個簡單的屏蔽罩會使所產生的電磁場強度降至*初的十分之一,即SE等于20dB;而有些場合可能會要求將場強降至為*初的十萬分之一,即SE要等于100dB

  吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量,吸收損耗計算式為

  AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

  其中 f:頻率(MHz) μ:銅的導磁率 σ:銅的導電率 t:屏蔽罩厚度

  反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產生源的性質以及與波源的距離對于桿狀或直線形發射天線而言,離波源越近波阻越高,然后隨著與波源距離的增加而下降,但平面波阻則無變化(恒為377)

  相反,如果波源是一個小型線圈,則此時將以磁場為主,離波源越近波阻越低波阻隨著與波源距離的增加而增加,但當距離超過波長的六分之一時,波阻不再變化,恒定在377

  反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化,因此它不僅取決于波的類型,而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離這種情況適用于小型帶屏蔽的設備

  近場反射損耗可按下式計算

  R()dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R()dB=14.6+(20×lgr)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)]

  其中 r:波源與屏蔽之間的距離

  SE算式*后一項是校正因子B,其計算公式為

  B=20lg[-exp(-2t/σ)]

  此式僅適用于近磁場環境并且吸收損耗小于10dB的情況由于屏蔽物吸收效率不高,其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個負數,表示屏蔽效率的下降情況

  EMI抑制策略

  只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低,另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低,還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率綜上所述,選擇用于屏蔽的高導磁性材料非常復雜,通常要向EMI屏蔽材料供應商以及有關咨詢機構尋求解決方案

  在高頻電場下,采用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果,但條件是屏蔽必須連續,并將敏感部分完全遮蓋住,沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多個部分進行制作,因此就會有縫隙需要接合,另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線

  設計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產生孔隙,而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙制造、面板連線、通風口、外部監測窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔,從而大大降低了屏蔽性能盡管溝槽和縫隙不可避免,但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的

  任一頻率電磁波的波長為: 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz)

  當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減通常RF發射頻率越高衰減越嚴重,因為它的波長越短當涉及到*高頻率時,必須要考慮可能會出現的任何諧波,不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可

  一旦知道了屏蔽罩內RF輻射的頻率及強度,就可計算出屏蔽罩的*大允許縫隙和溝槽例如如果需要對1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,150mm的縫隙將會開始產生衰減,因此當存在小于150mm的縫隙時,1GHz輻射就會被衰減所以對1GHz頻率來講,若需要衰減20dB,則縫隙應小于15mm(150mm1/10),需要衰減26dB時,縫隙應小于7.5mm(15mm1/2以上),需要衰減32dB時,縫隙應小于3.75mm(7.5mm1/2以上)

  可采用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內,從而實現這種衰減效果

  屏蔽設計難點

  由于接縫會導致屏蔽罩導通率下降,因此屏蔽效率也會降低要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比,例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減在需要穿孔時,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性;另一

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