电磁屏蔽体和屏蔽效率 - EMI控制方法：屏蔽、滤波、接地

1.4电磁屏蔽体和屏蔽效率

　　屏蔽效率是对屏蔽体进行性能评估的一个指数，它的表达式为：

　　SE(db)=A+R+B

　　1) 其中A为吸收损耗，吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗可以通过下面的公式计算：

　　AdB=1.314(f*σ*μ)1/2*t

　　f： 频率(MHz) μ：铜的导磁率 σ：铜的导电率 t：屏蔽体厚度

　　2) R指反射损耗，反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻抗越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻抗则无变化(恒为377)。相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻抗越低，波阻抗随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻抗不再变化，恒定在377处。反射损耗随波阻抗与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。

　　近场反射损耗可按下式计算：

　　R(电)db=321.8-(20*lg r)-(30*lg f)-[10*lg(μ/σ)]

　　R(磁)db=14.6+(20*lg r)+(10*lg f)+[10*lg(μ/σ)]

　　其中r指波源与屏蔽之间的距离。

　　3) SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为：

　　B=20lg[-exp(-2t/σ)]

　　此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降情况。

　　也就是说，我们想抑制住EMI，必须提高屏蔽效率，那么，屏蔽材料的选择也变得很重要了.只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。

　　在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。

　　设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。

　　任一频率电磁波的波长为：波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)

　　当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时，RF波开始以20dB/lO倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，

　　一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减，则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75mm(7.5mm的1/2以上)。

　　可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降，因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比，例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性;另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物，如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。

　　多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式

　　SE=[20lg(fc/o/σ)]-10lg n其中f截止频率n：孔洞数目

　　注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。

　　接缝和接点：电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式，接合部位金属表面必须清理干净，以使接合处能完全用导电的金属填满，保持高阻状态.导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙，使RF辐射不会散发出去。EMI衬垫是一种导电介质，用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。

　　垫片系统：一个需要考虑的重要因素是压缩，压缩能在衬垫和垫片之间产生较高导电率。衬垫和垫片之间导电性太差会降低屏蔽效率，另外接合处如果少了一块则会出现细缝而形成槽状天线，其辐射波长比缝隙长度小约4倍。

　　确保导通性首先要保证垫片表面平滑、干净并经过必要处理以具有良好导电性，这些表面在接合之前必须先遮住;另外屏蔽衬垫材料对这种垫片具有持续良好的粘合性也非常重要。导电衬垫的可压缩特性可以弥补垫片的任何不规则情况。

　　所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻，设计人员可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻，当然这将增加密封强度，会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的30%至70%时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内，两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。

　　另一方面，对衬垫的压力不应大到使衬垫处于非正常压缩状态，因为此时会导致衬垫接触失效，并可能产生电磁泄漏。与垫片分离的要求对于将衬垫压缩控制在制造商建议范围非常重要，这种设计需要确保垫片具有足够的硬度，以免在垫片紧固件之间产生较大弯曲。在某些情况下，可能需要另外一些紧固件以防止外壳结构弯曲。

　　压缩性也是转动接合处的一个重要特性，如在门或插板等位置。若衬垫易于压缩，那么屏蔽性能会随着门的每次转动而下降，此时衬垫需要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的屏蔽性能。在大多数情况下这不太可能做得到，因此需要一个长期EMI解决方案。

　　如果屏蔽罩或垫片由涂有导电层的塑料制成，则添加一个EMI衬垫不会产生太多问题，但是设计人员必须考虑很多衬垫在导电表面上都会有磨损，通常金属衬垫的镀层表面更易磨损。随着时间增长这种磨损会降低衬垫接合处的屏蔽效率，并给后面的制造商带来麻烦。

　　如果屏蔽罩或垫片结构是金属的，那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片表面包住，只需用导电膜和卷带即可。若在接合垫片的两边都使用卷带，则可用机械固件对EMI衬垫进行紧固，例如带有塑料铆钉或压敏粘结剂(PSA)的“C型”衬垫。衬垫安装在垫片的一边，以完成对EMI的屏蔽。

　　推广开来说，不仅仅针对高频电路，一般系统都需要进行屏蔽，这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可通过一些基本原则确定，但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度，如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。