EMC之电磁屏蔽读书笔记

ps：最近开始要上六天班，所以没什么时间更新整理文章，就老规矩分享以前的读书笔记。

对于硬件工程师来说，EMC是平常工作内容中再熟悉不过的，是每个产品在上市之前必经的一个认证测试，而电磁屏蔽是解决EMI的一个常用手段。本文就简单记录分享一下以前的电磁屏蔽读书笔记。

电磁辐射有两个必要条件：天线；有交变电流流过天线。

常见的有天线模型有两种，电流环和偶极子。

1. 天线模型

1.1 电流环天线

电磁辐射区域根据到辐射源的距离，可以划分为近场和远场。

近场（距离D<波长/2π）下的磁场和电场辐射强度如下所示，

磁场：

从上式可知，近场下的磁场的辐射强度与频率无关，交流或者直流没有区别，且磁场强度随着距离的三次方衰减，因此增加距离可以有效减小磁场强度。

电场：

Z0为自由空间的特征阻抗，即空气中的特征阻抗为377欧姆。

从上式可知，近场下的电场的辐射强度随波长的减小（频率的升高）而增加，随距离的平方而减小。

电场强度和磁场强度两者均和电流环面积A成正比。

近场下电流环天线所产生的电磁波的波阻抗为：

远场（D>波长/2π）下的磁场和电场辐射强度如下所示，

磁场：

电场：

从上述两式可知，远场下的磁场和电场辐射强度都随频率的平方增加，方波脉冲信号由于包含大量的高频分量，所以干扰特别强。

1.2 偶极子天线

偶极子天线只有交流电才能产生辐射，因为其不是闭合回路，类似电容模型，需要交变电流才可形成电流回路。

近场（距离D<波长/2π）下的磁场和电场辐射强度如下所示，

磁场：

电场：

近场下偶极子天线所产生电磁波的波阻抗为：

远场（D>波长/2π）下的强度如下所示，

磁场：

电场：

以上各式中，L为电偶极长度。

实际电路设备中，只要有电流环路，或者两个导体之间有交变电压驱动，就存在上述的寄生天线。根据上述的天线模型原理，我们就能知道各个因素对于辐射强度的影响，这为我们的电磁屏蔽措施提供了理论指导。

2. 屏蔽效能

电磁波在穿过屏蔽材料时产生的损耗有两部分，反射损耗和吸收损耗，屏蔽效能就是两者之和，当然实际上由于电磁波会有泄漏，屏蔽效能需要进行修正。

SE=R+A+B

SE为屏蔽效能，R为反射损耗，A为吸收损耗，B为修正因子。当屏蔽材料厚度达到一个趋肤深度时，多次反射泄露的修正可以忽略不计；对于电场波，也可以忽略修正因子。

2.1 反射损耗

电磁波在穿越一个屏蔽体时由于要经过两个界面，所以会发生两次反射，如图1所示。

图1

反射损耗公式如下：

Zw为入射到屏蔽体的电磁波的波阻抗；

Zs为屏蔽材料的特性阻抗。

f为入射电磁波的频率；

根据上述公式可知，在屏蔽材料确定后，反射损耗与电磁波的波阻抗有关。电磁波的波阻抗越高，反射损耗越大。而电磁波在近场和远场下的波阻抗又不同。

在近场下，电磁波的波阻抗与辐射源种类特性有关。磁场辐射源的阻抗较低，因此具有较低的波阻抗，其反射损耗也较小；电场辐射源的阻抗较高，因此具有较高的波阻抗，其反射损耗也较大。

在远场下，电磁波的波阻抗与辐射源特性没有关系，仅与电磁波的传播介质有关，比如空气中电磁波传播的波阻抗为377Ω，因此其反射损耗为。根据屏蔽材料的阻抗公式可知，屏蔽材料磁导率越小，电导率越大，其特性阻抗越小，反射损耗越大。

将电流环天线和偶极子天线分别在近场下的波阻抗带入反射损耗公式可得如下各式，

电流环产生的主要是磁场辐射，反射损耗为：

偶极子产生的主要是电场辐射，反射损耗为：

上述的损耗曲线绘制如图2所示，

图2

根据上述各式和损耗曲线图，可得到以下几个明显的结论：

（1）近场屏蔽时，需要考虑电磁波的种类，电场波的波阻抗较大，反射损耗较大；磁场波的波阻抗较小，反射损耗较小。

（2）随着频率升高，反射损耗与辐射源特性无关。

（3）屏蔽体和辐射源之间的距离对反射损耗的影响与辐射源的特性有关。对于电场源，距离越近，反射损耗越大，而磁场源则刚好相反。

2.2 吸收损耗

电磁波在屏蔽材料中的吸收损耗为：

L为屏蔽体的厚度，为趋肤深度。将趋肤深度公式带入上式可得，

根据上式可得以下结论：

（1）吸收损耗和电磁波种类无关；

（2）吸收损耗和电磁波频率有关，频率越低，吸收损耗越小，即低频电磁波具有很强的穿透力；

（3）频率材料越厚，吸收损耗越大；

（4）屏蔽材料的磁导率和电导率越高，吸收损耗越大。

根据图3所示的屏蔽效能曲线，可以总结得到如下有用的工程结论：

（1）低频时的屏蔽效能与电磁波种类有关。低频时，吸收损耗很小，屏蔽效能主要取决于反射损耗，而反射损耗与电磁波的波阻抗有关。即低频时，电场波的屏蔽效能高于磁场波。

（2）高频时的屏蔽效能与电磁波的种类基本无关。频率升高，电磁波的吸收损耗增加，屏蔽效能主要取决于吸收损耗，而吸收损耗与电磁波种类无关。

（3）屏蔽效能与电磁波种类有关。电场波最容易屏蔽，磁场波最难，尤其是低频磁场波，因为低频，所以吸收损耗很小，而电磁波的波阻抗很小，所以反射损耗也很小，因此总的屏蔽效能很低。

图3

根据上述的结论，可以简单归纳如下的屏蔽措施：

（近场）电场屏蔽：静电屏蔽、低频交变电场屏蔽——使用良好接地的金属导体制作；

（近场）磁场屏蔽：静磁屏蔽、低频交变磁场屏蔽——使用高磁导率材料（铁镍合金材料）构成低磁阻通路；

（近场）高频交变磁场屏蔽——利用低电阻的导体中形成的涡流产生反向磁通抑制入射磁场；由于磁导率随着频率增加而下降，磁性损耗很大，高频磁屏蔽都使用低阻的良导体。铁磁材料不适于高频磁场屏蔽。

（远场）电磁屏蔽：高频电磁场的屏蔽（高频的交变电场产生高频交变的磁场，而磁场又产生电池，形成电磁场）——使用低阻的良导体屏蔽材料来反射和吸收电磁波，从而隔离电磁场耦合；

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