屏蔽是解決電磁兼容問題的關(guān)鍵技術(shù)。 電磁屏蔽的方法就是以金屬或者磁性材料來隔離電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域感應(yīng)或輻射傳播。 一般分為兩種類型:一種是靜電屏蔽,主要是防止靜電場和恒定磁場的影響。另一種是用于防止交變電場、交變磁場、交變電磁場的影響。 對電磁波產(chǎn)生衰減作用就是電磁屏蔽,電磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量,用SE表示。SE=20lg(E1/E2)dB或SE=20lg(H1/H2)dB其中,E1和H1為屏蔽前的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度;E2和H2為屏蔽后的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。 屏蔽體的屏蔽效能包含吸收損耗A、反射損耗R、多次反射損耗B三部分,即 SE=20lgA+20lgR dB(一般多次反射損耗忽略不計(jì)),所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中考慮吸收損耗和反射損耗。吸收損耗估算公式為:
其中,t為屏蔽體厚度,f入射波頻率,μr:相對磁導(dǎo)率,σr:相對電導(dǎo)率。吸收損耗與屏蔽導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、工作頻率成正比,但是實(shí)際中材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不能兼顧,例如銅的導(dǎo)電性很好,但導(dǎo)磁性很差,因?yàn)閷儆诜创盼镔|(zhì)。鐵屬于鐵磁物質(zhì),導(dǎo)磁性很好,但導(dǎo)電性較差。所以要用哪種材料,需要根據(jù)屏蔽設(shè)計(jì)主要依賴反射損耗還是吸收損耗來側(cè)重導(dǎo)電性還是導(dǎo)磁性。 反射損耗估算公式為:
其中,Z0:自由空間波阻抗;Zs:屏蔽體波阻抗,μr:相對磁導(dǎo)率,σr:相對電導(dǎo)率,
。反射損耗除了和電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān),還和波阻抗(E/H)有關(guān),這是決定屏蔽效能很關(guān)鍵的參數(shù),原因是在近場波阻抗并不是一個(gè)定值(參考下圖波阻抗曲線圖)。遠(yuǎn)場:d>?/2π,電磁波稱為平面波,波阻抗是恒定的377Ω;近場:d<?/2π,波阻抗是由輻射源特性和頻率決定的。
我們在PCB上面評(píng)估屏蔽效能時(shí),大部分情況是面臨的近場,因?yàn)榘凑蛰椛錅y試頻率范圍30MHz-1GHz來看,1GHz的遠(yuǎn)近場分界為0.04米(?/2π),在PCB上面基本都是小于4cm高的屏蔽結(jié)構(gòu)。還可以看到,由于波阻抗Z0=E/H,則有,當(dāng)Z<377Ω時(shí),以磁場輻射源為主,也就是電流環(huán)主要是磁場輻射源;當(dāng)Z>377Ω時(shí),以電場輻射源為主,也就是電偶極子主要是電場輻射源。 根據(jù)反射損耗估算公式,一方面,想要較大的衰減,較大的波阻抗有利。很顯然,偶極子輻射模型在近場有最大的波阻抗,所以對于偶極子的屏蔽以反射損耗為主。另一方面,反射損耗與磁導(dǎo)率成反比,與電導(dǎo)率和距離成正比,所以我們需要選擇電導(dǎo)率高的材料,而且屏蔽體越近越好。 電流環(huán)輻射模型由于在近場的波阻抗較小,不利于反射損耗,應(yīng)以吸收損耗為主,特別是頻率較高時(shí),材料方面應(yīng)該選擇導(dǎo)磁率和導(dǎo)電率都較高的復(fù)合材料。 下表為常見屏蔽材料的導(dǎo)磁和導(dǎo)電性能,僅供參考。
想要好的屏蔽效能,需要弄清楚輻射源特性、干擾頻率、材料的導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率、材料的厚度等等的影響,總之想要獲得理想的屏蔽效果,并不簡單,不是隨意“蓋床棉被就好了”。文章肯定還有很多不完善的地方,讓我們在實(shí)踐中驗(yàn)證。
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原文標(biāo)題:最強(qiáng)學(xué)習(xí)筆記之屏蔽設(shè)計(jì) Ⅰ
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