电磁兼容设计与屏蔽技术

1、引言 对电子、电气工程师而言，在研究开发新产品的过程中，仅按照理想情况进行目标功能和一般性能设计是不够的。这是因为各种电子、电气设备（或含有电子、电气部分的设备）都将实际工作在电磁环境之中，它必然受到外界的电磁骚扰，同时它本身又作为骚扰源去骚扰别的设备。电磁兼容设计就是针对电磁干扰来进行的，它与可靠性一样，要保证设备或系统在存在电磁干扰的情况下可靠地工作，就必须对它进行电磁兼容设计。 电磁兼容设计也是电磁兼容标准规范和认证制度对产品的要求。电磁兼容性检测认证合格报告证书，是电子、电气产品进入市场必备的一份通行证。一权威机构的统计分析报告指出，未进行电磁兼容设计的电子、电气产品，其电磁兼容性能指标满足有关标准要求的可能性仅为25%左右。 电磁兼容设计的理论基础是电磁场理论、电路理论和信号分析等。应用中的电磁兼容设计包括接地技术、滤波和吸收技术、屏蔽和隔离技术以及结构设计等等。电磁兼容设计的基本方法有问题解决法、规范法和系统法。电磁兼容设计的内容包括电磁环境分析、频率选用、电磁兼容性指标和电磁兼容设计技术应用等。 2、电磁兼容的设计要点 形成电磁干扰必然具备三个基本要素，即①电磁骚扰源，②耦合途径或传播通道，③敏感设备。电磁兼容设计的出发点就是这三个基本要素。 1）抑制电磁骚扰源的设计要点 尽量去掉对设备（或系统）工作用处不大的潜在电磁骚扰源，减少骚扰源的个数；恰当选择元器件和线路的工作模式，尽量使设备工作在特性曲线的线性区域，以使谐波成分降低；对有用的电磁发射或信号输出也要进行功率限制和频带控制；合理选择电磁波发射天线的类型和高度，不盲目追求覆盖面积和信号强度；合理选择电磁脉冲形状，不盲目追求上升时间和幅度；控制产生电弧放电和电火花，宜选用工作电平低的或有触点保护的开关或继电器，宜选用加工精密的直流电机；应用良好的接地技术来抑制接地干扰、地环路干扰并抑制高频噪声。 2）抑制干扰耦合的设计要点 把携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件（或电磁骚扰特性测量端口、界面）隔离；缩短干扰耦合路径的长度，应使导线尽量短，必要时使用屏蔽线或加屏蔽套；注意布线和结构件的天线效应，对通过电场耦合的辐射，尽量减少电路的阻抗，而对通过磁场耦合的辐射，则尽量增加电路的阻抗；应用屏蔽等技术隔离或减少辐射途径的电磁骚扰；应用滤波器、脉冲吸收器、隔离变压器和光电耦合器等滤除或减少传导途径的电磁骚扰。 3）敏感设备的设计要点 对于骚扰源的各种电磁防护措施，一般也同样适用于敏感设备，可以采用滤波、脉冲吸收、内部屏蔽、隔离技术、内部去耦电路及线路和结构的合理布局等来抑制电磁干扰。此外，在设计中尽量少用低电平器件，不盲目选择高速器件，去掉那些不十分需要的敏感部件，适当控制输入灵敏度，等等。 3、电磁兼容设计的应用技术之一── 屏蔽技术 通过分析波阻抗和能量密度，可知电偶极子在近场(r<λ/2π)的波阻抗为高阻抗(>377Ω)，近场的能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗(<377Ω)，近场的能量主要为磁场分量，可忽略电场分量。电偶极子和磁偶极子在远场(r>λ/2π)的波阻抗相等(均为377Ω)，此时电场和磁场分量相等。这就是说两类源在近场的差别较大，因此可根据其波阻抗和能量性质，将上述两种源称为高阻抗电场源和低阻抗磁场源。注意，上述近场和远场的条件即r的大小，是与频率f有关的。所以又可以说，在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时，干扰趋于远场，此时电场和磁场分量均不可忽略。对应于三种情况的屏蔽分别称为：电(场)屏蔽、磁(场)屏蔽和电磁(场)屏蔽。静电屏蔽和恒定磁场的屏蔽分别是电屏蔽和磁屏蔽的特例。 屏蔽是利用导电或导磁材料将电磁能量限制在一定空间范围内的抑制辐射干扰的一种有效措施。目前，屏蔽材料种类很多，形态各异。在各种屏蔽材料中，涂料以其方便、轻量、不占空间以及与基材一体化等众多优势成为其中的佼佼者，被广泛应用于各类电子产品、装置、系统的电磁辐射防护。象日本海尔兹化学株式会社生产的波鲁斯PLS-200、PLS-A50等系列屏蔽涂料，在世界各国都得到了广泛应用。 屏蔽的有效性采用屏蔽效能(简称屏效)来进行度量，定义为屏蔽前后空间某点的场强之比，用公式表示即为：SE=20lg(Ei/Et)。对于电路而言，屏效可用屏蔽前后电路某点上的功率、电流和电压之比来定义，也可以利用由外界耦合到某个关键器件上的干扰与器件所产生的噪声之比来定义。屏效可用分贝(dB)或奈比(Nep)来计量，dB与Nep的换算关系为：1dB=0.115Nep。如前面提到的屏蔽涂料波鲁斯，根据我国权威部门的检测结果显示，其PLS-200系列的屏蔽效能在30MHz—1.2GHz范围内高达53—77dB。 电子时代的到来，使屏蔽材料领域的竞争已进入白热化。电磁波屏蔽涂料作为材料科学的分支，其应用的广泛性及与其电子信息产业的紧密相关性将使之成为崛起的新兴产业。材料是技术进步的基础，新材料技术是现代技术革命的基础，是人类进步的重要里程碑，如钢铁材料的开发利用带动了第一次产业革命，硅半导体材料的发明推动了电子、计算机、信息技术的产业发展，屏蔽涂料（如波鲁斯PLS-200、PLS-A50）的诞生必将带动下一次产业革命. 关闭该页