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电磁屏蔽参数几种常见的计算方法

嘉峪检测网        2024-04-10 09:08

关于电磁场屏蔽的简单理解
 
电磁屏蔽材料的一个基本要求是导电性,绝缘材料没有电磁屏蔽作用。
 
当一束电磁波入射到一块导电材料时,就会在导电材料的表面感应出电流。这个电流会产生一个磁场。这个磁场的方向与入射电磁波的磁场方向相反,因此削弱了入射电磁波。
 
这个感应电流在屏蔽材料表面并不是均匀分布,而是向电磁波入射的表面集中,这就是我们知道的“趋肤效应”。在屏蔽材料的另一个表面,这个电流产生的电磁辐射就是这个屏蔽材料的泄漏电磁场。屏蔽材料越厚,这个表面的电流越小,泄漏的电磁场越少,屏蔽材料的屏蔽效果越好。
 
实心材料屏蔽效能的计算
 
用经典的麦克斯韦方程计算金属材料的屏蔽效应十分复杂,工程上常用一种简单的的方法,这就是传输线方法。把屏蔽材料看成一段传输线,把电磁波看成注入到传输线的信号。
 
我们以电场为例说明电磁波衰减的过程。图中,如果入射电磁波的电场强度为E0,当电磁波入射到屏蔽材料表面时,由于传输介质特性的突然变化,会发生反射,这会损失能量,这时电磁波中的电场强度降低为E1,电磁波在屏蔽材料中继续传播,由于屏蔽材料具有损耗,因此电场强度会不断下降,当到达屏蔽材料的另一界面时,幅度降低为E2,在这个界面,又会发生反射现象,使电场强度降低为E3,这部分电磁波就是屏蔽材料泄漏的部分。如果用dBV/m表示电场强度,(E1 - E3)就是屏蔽效能。
 
吸收损耗的计算
 
吸收损耗就是电磁波在屏蔽材料中传播时的衰减程度。电磁波在介质中传播时的衰减特性如右上角的公式所示。这里的符号(代表趋肤深度,也就是高频电流流过导体时,趋肤效应中对应的趋肤深度,它对应63%的电流所集中的表面深度。
 
根据这个公式,可以得到左边的两个吸收损耗的公式。
 
上边的公式是用趋肤深度表示的形式。十分直观,屏蔽材料每增加一个趋肤深度,吸收损耗大约增加9dB.。趋肤深度不仅与材料的种类有关,还与频率有关,同一种材料,频率越高,趋肤深度越小,因此,吸收损耗越大。
 
下边的公式是把趋肤深度的计算公式带入后的结果,吸收损耗与材料的相对导率(r和相对电导率(r之间关系一目了然。这里的相对磁导率和电导率是指相对于铜而言的,也就是,铜的磁导率和电导率都是1.。
 
吸收损耗的计算
 
反射损耗代表了电磁波在屏蔽材料表面产生反射的程度,由于这个过程仅发生在屏蔽体的表面,因此,与屏蔽体的厚度无关。他与电磁波的波阻抗ZW和屏蔽材料的特性阻抗ZS有关,反射损耗R如图中公式所示。
 
波阻抗是电磁波中的电场幅度与磁场幅度的比值。左图是电场源(上边的)和磁场源(下边的)的波阻抗随距离变化的情况。
 
高阻抗的源就是电场源,例如,偶极天线,从直观上看, 他的阻抗很高,因为两端是开路的,因此,它所产生的电磁波是高阻抗波。低阻抗的源就是磁场源。例如环天线,从直观上看,他的阻抗很低,因此它是一个短路的环路,因此它产生的电磁波是低阻抗波。
 
材料的特性阻抗是一个与材料特性有关的参数,他还与电磁波的频率有关,这有点象电感的感抗与频率有关。
 
0.5mm厚铝板对不同场的屏效
 
上图是0.5mm厚的铝板的屏蔽效能,我们可以建立下面的概念:
 
1、对不同的电磁波,屏蔽效能不同:电场波最容易屏蔽,磁场波最难屏蔽,在谈到屏蔽效能时,需要明确对于什么种类的电磁波;
 
2、结构设计时,并不用特别关心材料的厚度:除了低频(10kHz以下)磁场以外,即使0.5mm厚的薄铝板,屏蔽效能也容易超过60dB,因此,除了低频磁场的场合,并不需要特别考虑金属材料的屏蔽效能是否满足要求;
 
3、屏蔽效能与距离有关:距离电场源越近,屏蔽效能越高,距离磁场越近,屏蔽效能越低,因此,当遇到磁场源时,要使屏蔽体尽量远离辐射源;
 
4、低频磁场最难屏蔽:因此,在遇到低频磁场(例如,工业现场大功率负荷产生的工频,以及高次谐波磁场)产生的干扰问题时,不要对屏蔽寄予过高的希望。
 

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