電磁屏蔽機理和設計分析

楊 揚 張世全

（武警工程學院，陜西 西安710086）

引言

隨著社會的疾速發(fā)展，人們的生活也越來越離不開電氣設備。因為電工電子設備的廣泛使用使人類被籠罩在電磁場的環(huán)境下的可能性越來越大，電工電子設備產生的電磁干擾不僅會擾亂公共安全和通信設備的正常工作，而且對于居民日常的生活甚至人身安全都會造成影響和危害。

1 電磁干擾的形成機理

電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡稱EMI，即由電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或傳輸性能的下降。電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能下降，或者對有生命或無生命物產生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現(xiàn)象，其產生原因可能是外界因素，也可能是自身的變化，它可引起設備和系統(tǒng)的降級或損害，但不一定會形成后果。而電磁干擾則是由電磁騷擾引起的后果，造成電磁干擾的后果須有三個條件：騷擾源、導致干擾傳播的途徑及受害設備。因此，要想達到設備的電磁兼容，需要消除騷擾源或削弱它的強度，破壞干擾傳播的途徑或減少干擾耦合度，精心設計受害設備的選擇性或提高其抗干擾能力。引發(fā)電磁干擾的原因可能是另一個設備或系統(tǒng)的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。

2 電磁屏蔽機理

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指設備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何其他事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。由于電子技術在各行各業(yè)中的廣泛應用，在人類活動的空間無處不充斥著電磁波，因此，電子設備不解決電磁波干擾問題，就不能兼容工作。在實際應用中，人們在研究抗干擾技術方面也積累了大量的經驗，不斷地研究出許多實用的方法來消除電磁干擾。

電磁屏蔽機理.主要包括以下幾個方面：①當電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；②未被表面反射掉而進入屏蔽體的能量，在體內向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減。也就是所謂的吸收；③在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內。這種反射在兩個金屬的交界面上可能有多次的反射。總之，電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。

3 電磁屏蔽的技術原理

電磁屏蔽是電磁兼容技術的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場強度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其內部電磁場強度低于允許值的一種措施。

3.1 靜電屏蔽

用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，在屏蔽體的內側將感應出與帶電導體等量的負電荷，外側出現(xiàn)與帶電導體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側的正電荷將流入大地，外側將不會有電場存在，即帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內。

3.2 交變電場屏蔽

為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于交變電場電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。只要設法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。電場屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，而以結構強度為主要考慮因素。

3.3 交變磁場屏蔽

交變磁場屏蔽有高頻和低頻之分。低頻磁場屏蔽是利用高磁導率的材料構成低磁阻通路，使大部分磁場被集中在屏蔽體內。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當然要與設備的重量相協(xié)調。高頻磁場的屏蔽是利用高電導率的材料產生的渦流的反向磁場來抵消干擾磁場而實現(xiàn)的。

3.4 交變電磁場屏蔽

一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。

4 電磁屏蔽的設計措施

為了解決微電技術，尤其是計算機在汽車上的應用和推廣，根據(jù)需要和實際要求，可以設計出效果良好的濾波電路，置于前級可使大多數(shù)因傳導而進入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處;可以設置隔離電路，如變壓器隔離和光電隔離等解決通過電源線、信號線和地線進入電路的傳導干擾，同時阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾;也可以設置能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量;或通過選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng)，使干擾的影響減小。

微機設備的軟件抗干擾主要是穩(wěn)定內存數(shù)據(jù)和保證程序指針。微機是一個可編程控制裝置，軟件可以支持和加強硬件的抗干擾能力。如果微機系統(tǒng)中隨機內存RAM主要用于測量和控制時數(shù)據(jù)的暫時存放，內存空間較小，對存放的數(shù)據(jù)而言，若將采集到的幾組數(shù)據(jù)求平均值作為采樣結果，可避免在采集時因干擾而破壞了數(shù)據(jù)的真實性;如果存放在隨機內存中的數(shù)據(jù)因干擾而丟失或者數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以在隨機內存區(qū)設置檢驗標志;為了減少干擾對隨機內存區(qū)的破壞，可在隨機存儲器芯片的寫信號線上加觸發(fā)裝置，只有在CPU寫數(shù)據(jù)時才發(fā)。軟件抗干擾的措施也很多，如數(shù)字濾波程序、抗窄脈沖的延時程序、邏輯狀態(tài)的真?zhèn)闻袆e等。有時候，必須采用軟件和硬件相結合的辦法才能抑制干擾，常用的辦法是設置一個定時器，從而保護程序正常運行。

由于電子技術應用廣泛，而且各種干擾設備的輻射很復雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內，從而保證系統(tǒng)或設備的兼容性。例如，通信系統(tǒng)最初設計時，就應該嚴格進行現(xiàn)場電波測試，有針對性地選擇頻率及極化方式，避開雷達、移動通信等雜波干擾;高壓線選擇路徑時，應盡量繞開無線電臺或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽;接收設備與工業(yè)干擾源設備適當配置，使接收設備與各種工業(yè)干擾源離開一定距離;在微波通信電路設計中，為了減少干擾，可采用天線高低站方式調整微波電路反射點，并利用山頭阻擋反射波，使之不能對直射波形成干擾。另外，微波鐵塔是獨立的高大建筑物，應采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。

5 結束語

電磁兼容的中心課題是研究控制和消除電磁干擾，使電子設備或系統(tǒng)與其他設備聯(lián)系在一起工作時，不引起設備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。一個設計理想的電子設備或系統(tǒng)應該既不輻射任何不希望的能量，又不受任何不希望有的能量的影響。但由于電子技術應用廣泛，而且各種干擾設備的輻射很復雜，要完全消除電磁干擾是不可能的。但是，根據(jù)電磁兼容性原理，可以采取許多技術措施減小電磁干擾，使電磁干擾控制到一定范圍內，從而保證系統(tǒng)或設備的兼容性。

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