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实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield

我爱方案网| EMI,噪讯, 遮蔽Shield| 2011-11-30
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中心议题:
    *  何谓遮蔽
    *  遮蔽技术
    *  各种损失
    *  孔穴特性

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

何谓遮蔽

所谓遮蔽(Shield)是指阻碍在空中传输的噪讯而言,这些噪讯可分为”静电诱导”和”电磁波”两大类。静电遮蔽可以阻碍静电诱导;磁气遮蔽可以阻碍电磁诱导:电磁遮蔽可以阻碍电磁波。

静电遮蔽与电磁遮蔽使用电气的导体,磁气遮蔽使用磁性体,它可以同时遮蔽噪讯发生与接收端。

静电诱导的噪讯是透过浮游容量传输,虽然浮游容量属于无电路图的电路,不过基于说明方便,通常是以电容形式表示(图1)。
  
图1(a)的 就是所谓的浮游容量(stray capacitance),如上所述由于浮游容量的存在,噪讯(noise)会在A与B之间传输。

图1(b)属于电气的导体, A与B之间被遮蔽形成所谓的静电遮蔽,不过此时遮蔽物必需接地。

图1(c)表示静电遮蔽效果的说明模型,如图所示受到遮蔽的影响图1(c)分成A、B两部份,A与遮蔽之间有浮游容量 ,B与遮蔽之间有浮游容量 。假设A是噪讯发生端,受到浮游容量 的影响,噪讯传输到遮蔽物,不过遮蔽物设有接地所以它的电位是0,而且噪讯不会受到浮游容量 的影响传输。

如果遮蔽物没有接地,就变成图1(d)的模样,噪讯从A传输到B,换言之为充分发挥遮蔽效果,遮蔽物必需充分接地。

然而实际上遮蔽并非十全十美,一定会有部份噪讯会被传输,遮蔽不完整的部位,可以用图1(e)的浮游容量 表示。

若将遮蔽插入噪讯发生端与噪讯接收端之间进行遮蔽的话,理论上遮蔽具备无限宽敞范围,可以使其中一端完全被包覆,即使不是完全包覆,只要在其中一端插入已接地的电气导体,就可以随着接地的程度,发挥相对的遮蔽效果。

如图2所示噪讯发生端与噪讯接收端设置在靠近大地面(ground plane),可以获得与遮蔽相同的效果。图中的点线是电气力线,由图可知导线靠近大地面时,大部份的电气力线会通过大地面,使连接两者的电气力线大幅减少,其中效果最大的方法是使导线密贴在大地面。

此处请读者注意捻合对线的场合,受限于捻合对线本身结构,因此不会使电气力线泄漏到外部。

 

 

 
遮蔽技术

※a.磁气遮蔽

磁气遮蔽是指遮蔽磁气的技术。磁气遮蔽对策随着高频与低频不同,会出现极大差异。

如图3所示低频的场合,例如遮蔽商用频率变压器时,必需用高透磁率的磁性体包覆遮蔽对象,如此一来图中的磁力线通过磁性体,却不会进入磁性体内部,不过高频时就不能使用磁性体,必需改用电气的导体进行遮蔽。如图4所示此时涡电流在遮蔽材内部流动,利用该涡电流产生磁力线抵销元磁力线。
  

 
※b.电磁遮蔽

电磁遮蔽是指遮蔽电磁的技术。高频电磁波可以利用导电性材料遮蔽,如果只是单纯的电磁遮蔽,理论上电磁遮蔽只要完全包覆对象物体即可,而且导电体不需要接地,导电性外壳接地大多不是电磁遮蔽为主要目的,例如框体 (frame)接地间接形成导电体接地。

电磁波根据距离天线的距离,分成远场与近场两种,近场与电界或是磁界并非对等,在近场电界若是支配性时,可以用静电遮蔽获得近似性效果;在近场磁界若是支配性时,可以用磁气遮蔽获得近似性效果,如果两者都不是支配性时,分析上就非常烦琐。

在远场电磁波可以用平面波作近似处理,此时称为平面波遮蔽。图5是平面波的遮蔽效果。在电磁波为电界,一般电气领域则是电压,磁界在一般电气会对应电流改变,电压与电流之间具有阻抗(impedance),相对的传输线路的电压与电流之间则具有特性阻抗。

同样的电磁波的电界与磁界之间具有波动阻抗,此处假设:
E: 电界
H: 磁界
Zs: 波动阻抗
在电磁波电界与磁界之间的波动阻抗可用下式表示:
E=Zs×H
传输线路特性阻抗会在相异的境界,部份反射部份则穿透,同样的在电磁波的波动阻抗会在相异的境界,部份反射部份则穿透,虽然传输线路是一次元,不过电磁波会在三次元空间传输,在此情况下电磁波的特性几乎与光一样,因此光被视为电磁波。
 
 

 


各种损失

※a.反射损失

在电磁波波动阻抗的差越大,反射会比穿透更多。空气中的波动阻抗与真空相同都是377Ω,相形之下金属的波动阻抗就非常小甚至低于1Ω,因此反射损失相对很大,以金属板而言单纯的反射损失就能够获得极佳的遮蔽效果。

※b.吸收损失

电磁波一旦进入导体内部就会有电流流动,而且导体的阻抗会使电磁波转变成热能变成损失,该损失称为吸收损失。此处假设:
t: 遮蔽材的厚度
E0: 输入遮蔽材料的电界
H0: 磁界
E: 压力t时的电界
H: 压力t时的磁界
s: 渗透深度
如此一来电界与磁界可用下式表示:
E=E0×exp(-t/s)
E=H0×exp(-t/s)
假设遮蔽材的厚度t=3s时,衰减量大约是26dB(衰减95%),因此3s成为衰减常用数据,图6是吸收损失的范例。
  

※c.再反射补正


穿透波从空间进入遮蔽物再从遮蔽物出射时,部份无法穿透会反射折返称为再反射,部份再反射波会再反射而且不断反复进行,其结果出现可能穿透遮蔽物的穿透波,此时必需进行补正称为再反射补正,不过再反射补正很小时可以忽略。

综合以上结果可知低频磁界除外,由于金属的导电率非常高,即使厚度很薄同样可以获得充分的遮蔽效果,因此类似金属箔或是金属覆膜电镀,都具有一定的遮蔽效果。即使导电性塑料与导电性涂料的导电性比金属差,不过同样具有一定的遮蔽效果,对低频磁界必需使用高透磁率的磁性体。

孔穴特性

电磁遮蔽如果完全被包覆,可以获得极大的遮蔽效果,然而实际上电磁却无法完全包覆遮蔽,例如孔穴的存在会使电磁波会通过,由此可知孔穴的存在与处理会影响电磁遮蔽效果。

主要原因电磁遮蔽是利用电流在遮蔽物内部流动,抑制电磁噪讯的强度,遮蔽物若有是孔穴,会妨害电流的流动进而抵销电磁遮蔽效果,此时由于电流与孔穴两者关系,孔穴的影响也不相同(图7)。

例如图7(a)遮蔽物没有孔穴电流自由流动,图7(b)~(d)由于孔穴的影响,妨害电流的流动,虽然图7(b)~(d)三者的孔穴面积完全相同,不过由于电流与孔穴两者关系,妨害电流的方向也不相同,电流受到的妨害越多,相对的遮蔽效果就越低。
 

 


图7(b)、(c)由于孔穴形状造成遮蔽效果出现差异,图7(c)、(d)的孔穴形状相同,不过孔穴与电流的相对方向,造成遮蔽效果从极差变成极佳,结果不得不判定图7(b)、(c)长方孔穴是遮蔽效果最差的形状,也就是说对遮蔽而言孔穴的效应不是面积而是孔穴的长度, 孔穴长度越长遮蔽效果越差。

此外孔穴的长度还会影响通过孔穴的电磁波的波长,半波长(波长的1/2)比孔穴的长度更短的电磁波(亦即高频电磁波)能够通过孔穴,反之半波长比孔穴的长度更长的电磁波(亦即低频电磁波)就无法通过孔穴。

噪讯与信号频率、带宽属于相同性质,不过噪讯却会引发不良影响,即使是比信号频率更高频的噪讯,也会对信号产生不良影响,所幸的是这类噪讯可以透过滤波器消除,如果噪讯频率与带宽相同时,一旦渗入信号就无法消除。

对遮蔽而言无任何孔穴是最高境界,即使遮蔽物上设有孔穴只要是长度很短通常都会被容许,例如基于通风散热等考虑蔽物上设置复数个长度很短的小孔穴就是典型范例,此时金属网非常有效,不过各电气连接点若未充分连系的话,金属网格会变成长形孔穴,导致遮蔽效果丧失等严重后果。

为了维持金属网格的电气连接点,研究人员利用冲压加工技术,延伸金属板制成无连接点的延展型金属薄片,图8是沿展型金属的实际外观。
 

如上所述长形孔穴会影响蔽效果,因此作业上必需格外谨慎,例如金属外框的接合部位设置长形孔穴,外观上看似完全密封,然而接合部位经过涂装后该部位却变成电气性孔穴,严重时会造成电波泄漏等问题。表1是电气遮蔽的特性;表2是常用遮蔽方法一览;图9是常用EMI对策手法一览。
   
表1 电气遮蔽的特性

 表2 遮蔽方法一览

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最前:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

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