1引言

随着科学技术的飞速发展，人类生存环境中的电磁能量以每年7％～14％的速度增长。造成电子设备之间的相互干扰日益严重，对人类生活息息相关的通讯、计算机等各种电子设备都将带来灾难性的危害。为此，人们要求对电子设备进行必要的电磁兼容设计，在降低设备自身干扰信号的同时降低外来干扰。电子屏蔽技术是电子兼容技术的一个主要组成部分，也是抑制辐射干扰最有效的方法之一。所谓屏蔽就是对两个空间之间进行金属隔离以抑制电场、磁场和电磁波在两个区域互相干扰。屏蔽效果的好坏与辐射源的性质有关。对不同辐射源其屏蔽材料与结构设计也不同。辐射源的性质可按电磁波的波阻抗来分，当波阻抗小于377时称为电磁波，它的阻抗随传播距离增加而增加。当波阻抗大于377时称为电场波，其波阻抗随传播距离增加而降低。随着传播距离增加，波阻抗等于介质阻抗。如在空气中为377时，辐射源可认为是平面波。从图1所示近场区包括电场和磁场波，远场为平面波或电场波。然而近场区与远场区都是相对于电路产生信号频率来决定的。当屏蔽体相对于线路中的高速时钟信号而言可认为是远场区，对于屏蔽体的设计应注意对电磁波的屏蔽。而相对于频率低的开关电源来说可认为是近场区。在屏蔽设计时还要进一步分清是电磁波还是磁场波。其中电磁波的屏蔽又分为静电场和交变场屏蔽。静电场屏蔽只要有完善的屏蔽体和良好的接地，能使感应电荷顺利地释放就可以了。常选用导电很好的铜、铝和银等做屏蔽体。而交流电场屏蔽主要是由反射损耗大的材料如导电率高的金属材料作屏蔽体。磁场波屏蔽又分为低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。屏蔽机理不同，屏蔽的选材和设计也大不相同。如高频磁场屏蔽是利用屏蔽材料产生涡流的反磁场来抵消干扰磁场，频率愈高涡流愈大反磁场愈大，屏蔽效果愈好。高频磁场屏蔽也是利用反射损耗大的材料与交变电场屏蔽的材料相同。表1是几种材料的导电率比较。可见银的电导率最高但价格贵，所以一般都选用铜和价格低的铝作屏蔽体。金属材料由于趋肤效应，涡流只在金属表面，趋肤厚度跟频率的平方成反比，频率愈高趋肤厚度愈薄。在很高的频率下可用薄膜作屏蔽层。不同干扰频率的屏蔽只要考虑与它相应的厚度作屏蔽即可。可见不管是磁场波、电磁波或者是高频磁场波都可以用高导电率材料做屏蔽。但以上屏蔽材料对低频磁场屏蔽是无效的。这是因为磁场波的波阻抗很低，反射损耗很小。对低频磁场波的屏蔽是靠吸收损耗机制。从麦克斯韦尔方程可以知道磁场的散度为零，也就是说磁力线一定是闭合的，而其旋度不为零，即磁力线在不连续处就会发生漏磁，形成杂散磁场干扰电路。对于低频磁场首先要保持磁力线的连续性，就一定要选用磁导率高或磁阻低的金属磁性材料。材料的磁感应强度与材料成分有关。而磁导率不但与成分有关，而且与材料厚度、工作频率以及材料工艺状态有关。可见，从屏蔽体的选材设计工艺方面低频磁场屏蔽是最困难的。
2低频磁屏蔽
电磁干扰是以电磁场或电磁波的方式传播。我们用屏蔽材料把要屏蔽区域包围起来，使屏蔽体内外场状态互相隔离，切断电磁干扰的传播来实现屏蔽。根据Scheikumoff电磁屏蔽原理，用屏蔽效能SE来表示屏蔽体的效果。定义屏蔽效能：
SE= R+A+B
其中R为电磁波的反射损耗，A为电磁波的吸收损耗，B为电磁波在屏蔽材料内部变重反射损耗。当A> 15db时B可忽略。上式可表达为
SE=R+A?(1)
对屏蔽材料???? R=168——10lg(μrf / σr)? ?(2)
A= 1.31 t( f σ r ·μr)1/2?(3)
其中，μr为屏蔽材料的相对磁导率，σr为相对导电率，f为电磁波的频率（Hz）， t为屏蔽材料的厚度（cm）。材料的屏蔽效能与材料本身磁导率、电导率、厚度及其入射频率密切相关。当干扰场频率高时，只有选用电导率高的材料，使干扰波能量在屏蔽层表面转化为涡流损耗。对于低频磁场屏蔽从（3）式可知只有选用高导磁率的材料或增加屏蔽层的厚度才能有大的吸收损耗。有时干扰场中也有存在低频磁场的高频电磁场，因为金属磁性材料的磁导率随频率的提高而下降。波阻抗提高吸收损耗更提高反射损耗。人们常在高导磁屏蔽材料表面涂覆或电镀一层高导电率的材料如银。这样的屏蔽体既能屏蔽低频磁场，也能对高频场屏蔽。
另外不同形状的屏蔽体其屏蔽效果也不同，常用的形状为矩形和圆柱型较为多见。矩形屏蔽体的屏蔽效能为
?(4)
其屏蔽效能除了与材料磁导率有关外，还与矩形体宽度a(垂直于低频磁场方向)有关，而与屏蔽体长度无关。所以在放置矩形屏蔽体位置时最好垂直于磁场方向，是短的边长。屏蔽效能就会高一些。对于圆柱型屏蔽效能可表示为，屏蔽效能除了与μr·t有关而与圆柱的平均半径有关，半径越大屏蔽效能越低。
实用的屏蔽体上都会有许多孔洞和缝隙，当电磁波入射到一个孔洞时，其作用相当于一个偶极天线。当孔洞长度≥γ/2辐射源时辐射频率最高，此时屏蔽效能可降低到零分 。屏蔽效能与辐射源性质有关，当辐射源是磁场时，孔洞的泄漏近场比远场大。对于长度为L、宽度为H的孔洞到源的距离为D的孔洞。此时屏蔽效能可写成：

屏蔽效能与源的频率无关，只与源的距离D、孔洞的几何尺寸有关。并且也与孔洞的方位有关，见图2。孔洞的长边平行于磁力线方向时干扰最小，而长边垂直于磁力线方向则屏蔽效能最差。缝隙与孔洞一样也会引起磁场泄漏，而且也是屏蔽效能降低的主要原因之一。这是由于缝隙的磁阻与屏蔽体的磁阻相差甚大，就会在缝隙处发生漏磁。要降低缝隙间的磁阻只有采用良好的搭接，尽量增加两个接触面的面积，有时还用螺丝紧固加压来减少缝隙磁阻。保持磁力线在屏蔽体交接处连接。可使屏蔽效能达到最佳状态。
低频磁场的屏蔽是利用金属磁性材料磁导率高吸收损耗大的机制达到屏蔽作用。磁导率越高、屏蔽层越厚屏蔽效能越高。而金属磁性材料的磁导率与材料厚度有关，一般是随材料厚度增加而增加，单靠增加屏蔽层的厚度来提高屏蔽效能显然是不经济也不适当的。它既增加电器设备重量又提高设备成本。一般选择0.2～1.0mm厚度就可以了。再者不但磁导率与频率有关，也与磁场大小有关。当磁场接近材料饱和磁场时磁导率降低，屏蔽效能降低。所以要选择饱和磁化强度高的材料。一般金属磁性材料磁导率高的则饱和磁化强度低，见表2。
虽然超微晶有高的磁导率和较高的Bs，但经退火后很脆限制了它在屏蔽体上的应用。Fe49Co、Fe3.2Si和Fe16Al硬度高加工困难，且Fe49Co含Co量高价格昂贵，常用是纯Fe和FeNi50。当屏蔽磁场很强时，高磁导率的材料极易饱和，屏蔽效能下降，甚至丧失屏蔽的作用，这时可采用双层或多层屏蔽体。对于靠近强磁场源用低磁导率，高饱和磁化强度的材料如Fe49Co、Fe50Ni、Fe3.2Si等作为第一层屏蔽层，使通过该层后磁场大为减弱，第二层用高磁导率如Fe-Ni材料，这样能充分发挥高磁率材料的作用。屏蔽体的屏蔽效能的设计要根据实际需要来定。一般民用产品屏蔽效能只有求40dB以下，军用设备则要求达到60dB以上。而且屏蔽室要求或屏蔽舱往往要达到100dB，再高的屏蔽效能将使屏蔽体制造难度和成本很高。
3低频磁屏蔽测量
3.1效能的测量
前面已表明低频磁场屏蔽是最困难的，故屏蔽体对低频磁场的屏蔽效果的测量能反映该屏蔽体的最低水平。为了表明屏蔽体的屏蔽效果，屏蔽效能SE的测量可以用下三式表示：
?(5)
或?? ?(6)
H0为未屏蔽前某点的磁场强度，H1为加屏蔽以后该点磁场强度。磁场强度大小可用交流高斯计测出。当然也可用探测线圈测出感应电压，即未加屏蔽前的感应电压V0与屏蔽后该点的感应电压V1之比。不同测量方法其结果有所差别。
3.2均匀磁场产生
同一个屏蔽体在不同的空间状态下屏蔽效能也不同。对于低频磁场测量一定要在一个稳定的磁场下进行，测量结果才有意义。均匀磁场采用亥姆霍茨线圈来提供。它是由相等半径的两个共轴线圈组成，两线圈的间距为线圈半径， 两线圈串联磁化电流方向相同，在中间的空间能产生均匀的磁场，比单线圈螺旋管产生的磁场均匀。标准的亥姆霍茨线圈内径为1.22米，用14＃漆包线绕制在无磁性的大理石线圈架上，安放在恒温恒湿的屏蔽室中，测量数据才可作为标准。
实际上亥姆霍茨线圈尺寸的设计是根据被测屏蔽体的尺寸和提供磁场大小来定的。一般线圈直径至少应该为被测屏蔽体长度的3倍或直径的4倍，才能保证测量的准确性。线圈产生磁场大小可用公式（7）估算出。
?(7)
μ0为空气磁导率，N为线圈匝数，I为励磁电流（A），R为亥姆霍茨线圈的半径（cm）。磁化电流大时，工作几分钟要断电休息一段时间再测，这是因为线圈电阻随温度升高而升高，如图3、4，在工作20分钟后，亥姆霍茨线圈内阻增大0.06W，磁化电流降低2A，磁场也降低，测量的结果就有所差异。
3.3磁场的检测
磁场测量的精度决定了屏蔽效能的测量准确度，通常都是选用高斯计测量磁场。它是利用霍而效应把磁场大小转换成电流或电压大小。而霍而片常受到外界电磁环境、温度、压力等变化，数据波动较大。屏蔽效能直接受到高斯计灵敏度和精度的限制。表3可以看出要测到60dB屏蔽效能高斯计的测量精度要达到千分之一高斯，即1mGs的的数值。对于制造厂家来说已经相当困难，要测出更高的屏蔽效能，那就更困难了。何况高斯计测量封闭屏蔽体内的磁场也无能为力，在市场上寻求精确到微伏的电压表并不困难，所以经常利用探测线圈测感应电压，再根据公式（6）算出屏蔽效能。采用探测线圈测量关键在于探测线圈的制作，首先需要足够的NS值（≥5×104cm2匝），线圈的长度至少小于或等于屏蔽体直径的1/2，亥姆霍茨线圈半径的十分之一。为了降低外界电磁干扰的影响，探测线圈应该包裹一层薄的导电薄膜（如铜和铝箔），并与系统的公共点相连接以防静电干扰。探测线圈应放在亥姆霍茨线圈中心位置与两边线圈保持等距，并仔细调整方向，让探测线圈中轴线与亥姆霍茨线圈中轴重合。这样测量的数据方才准确。
3.4测量仪表的选择
?频率信号源用数字频率计产生正弦波信号，经过200W～1KW的功放后直接输入到亥姆霍茨线圈中提供需要电流，磁化电流可用10％精度的均方根安培表指示。功放器一定要选择与设计的亥姆霍茨线圈相匹配，保证输出正弦电压。当然也可直接用市电，但一定要保证输出的正弦电压波失真度小于5％以下才行。屏蔽效能的测量关键在于测量感应电压表的精度和灵敏度。最好采用高精度的选频电压表（如hp3581C）测量，可直接准确测出感应电压的基波电压，并准确到微伏数量级。
3.5低频磁屏蔽测量结果分析
自制的600cm亥姆霍茨线圈屏蔽效能设备如图5。
a)?不同尺寸屏蔽体测量如表4。屏蔽材料是用1J85，厚度2mm，测量是在60Hz，4Gs磁场下的E0/E1， 小盒比大盒高3.5倍，再把小盒放入大盒中测量屏蔽效能为大盒5.7倍，这就说明小盒的屏蔽效能比大盒好，两层屏蔽比单层屏蔽好得多。
a)?不同磁场下测量如表5
这是用1J79制成的，尺寸为164×94×35的小盒，在60Hz测量不同磁场下的E0/E1，不难发现初期随磁场升高而升高，当5Gs时屏蔽材料趋于饱和磁导率下降所致。因为1J85的Bs只有7000Gs，饱和磁感强度低，表明要屏蔽高磁场一定要选择饱和磁感强度高的材料。
c) 不同频率下的屏蔽效能
我们采用表4的大小盒套装做成双层屏蔽体测量不同频率下屏蔽效能如表5。在2Gs磁场下屏蔽效能是随频率提高而提高，从60Hz的57.3dB升到70.25dB，这也说明当测量低频磁场达到设计标准高一些的频率更没问题。
d)?相同外形尺寸、不同材料或工艺其屏蔽效能比较
在频率为80Hz低频磁场，磁场强度为8 Gs下测量材料1＃为加工较好的双屏蔽体，测量2＃是同样尺寸同样材料1J85但加工工艺不同，3＃则是同样外形尺寸而材料不同，依次用铁、铜、铁、铜、铁共五层组成的屏蔽体，结果如下：
1#与2＃虽然是同样的材料、同样尺寸，但屏蔽效能1＃比2＃高出8dB，显然2＃在制作工艺上有问题，造成材料磁导率比1＃低。而3＃虽是5层屏蔽，但比1＃差13.6dB，这是选材不当所致。如果中间层用的低磁导率的纯铁换成高磁导率的Fe-Ni合金屏蔽效能就有明显改善。
4结束语
电磁屏蔽是电磁兼容的重要组成部分，是一系统工程，它不但涉及空间辐射源的特性，还要考虑屏蔽材料的选取和制作工艺完善及屏蔽体结构设计。在实际工程中要达到80dB以上屏蔽效能已相当困难，最基本的要求是保证屏蔽体的导电或导磁的连续性。另外屏蔽体屏蔽效能取决于屏蔽体中最薄弱环节，如孔洞和缝隙处理不当都会使效能损失数十分贝，特别不能有直接穿过屏蔽体的导线，一旦有导线直接穿过，屏蔽效能将损失60dB以上，所以一定要对导线电缆进行屏蔽和滤波后才能进入屏蔽体，在屏蔽效能测量中纯磁场下的测量数据可认为是最坏条件下最保守的数值，而其它场状态都比磁场条件下高。最后值得注意的就是屏蔽体的屏蔽效能与屏蔽体是否接地无关。虽然有关场合屏蔽屏蔽体接地后，可能改变电磁状态，这不是接地所导致屏蔽效能的改变，而是电路其它原因所致。

参考资料
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