低頻電磁屏蔽效能研究＊

向春清 丁 飛

（91919部隊 黃岡 438000）

1 引言

隨著通信電子、電源技術的高速發展，設備的靈敏度越來越高，低頻電磁輻射干擾現象越來越受到重視，減少低頻電磁輻射對弱電設備的影響研究也越來越重要。電磁屏蔽作為有效解決電磁波輻射或傳導危害問題的重要手段之一[1]，得到廣泛的重視和運用。為解決低頻段（60Hz～800Hz）的輻射危害問題，應對電磁屏蔽技術進行更深入的理解，研究電磁屏蔽效能與屏蔽體結構、源特性的關系。

2 電磁屏蔽技術原理

電磁屏蔽用于減弱由某些輻射源所產生的空間某個區（不含源本身）內的電磁場結構，以某種材料（導電或導磁材料）制成的屏蔽殼體將需要屏蔽的區域封閉起來，主要利用金屬屏蔽體阻止或衰減電磁騷擾能量的傳輸，形成電磁隔離[2]。根據輻射源處于屏蔽體的內外，電磁屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽指輻射源處于屏蔽體內部，限制內部輻射的電磁能量泄露；被動屏蔽指輻射源處于屏蔽體外部，防止或減弱外部輻射的電磁能量對屏蔽體內部的影響。電磁屏蔽按屏蔽原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

2.1 電場屏蔽

電場屏蔽主要是為了防止兩個回路間的寄生電容耦合，采用低電阻材料制成屏蔽殼體，切斷屏蔽內外的電力線交連。電場屏蔽只能消除電容耦合，防止靜電感應，屏蔽體必須良好接地。電場屏蔽以反射損耗為主。

2.1.1 靜電屏蔽

用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，屏蔽體良好接地，在屏蔽體的內側感應出與帶電導體等量的負電荷，外側出現等量的正電荷通過接地體流入大地，實現帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內。

2.1.2 交變電場屏蔽

為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾，可在輻射源和敏感電路間設置良好接地的金屬屏蔽體。交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓取決于交變電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻的大小。

2.2 磁場屏蔽

磁場屏蔽是抑制輻射源和敏感設備間由于磁場耦合產生的干擾，把磁力線封閉在屏蔽體內，阻擋內部磁場向外擴散或外部磁力線進入，為屏蔽體內外的磁場提供低磁阻的通路來分流磁場。磁場屏蔽以吸收損耗為主。低頻磁場屏蔽利用高磁導率材料構成低磁阻通路，屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽效果越好，通常采用磁性材料如鐵、鋼、坡莫合金等進行屏蔽。高頻磁場的屏蔽利用低電阻率的良導體料產生的渦流的反向磁場來抑制或抵消輻射磁，通常采用鋁、銅及銅鍍銀等材料屏蔽[3]。

2.3 電磁屏蔽

電磁屏蔽是對電場和磁場同時加以屏蔽，一般采用電導率高的材料作為屏蔽體，并將屏蔽體良好接地，利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反向的渦流磁場與原磁場抵消而抑制高頻磁場的干擾，屏蔽體良好接地實現電場屏蔽。良導電材料同時具有對電場和高頻磁場屏蔽的作用，由于高集膚效應，屏蔽體以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。

3 屏蔽效能

屏蔽效能（SE）表現屏蔽體對電磁波的衰減程度，定義為：屏蔽前某點的場強與屏蔽后該點的場強之比[4]。常用分貝（dB）表述。

式中An為吸收損耗，A0為反射損耗，B為多次反射損耗。對于低頻范圍電磁屏蔽主要考慮低頻、低阻抗磁場屏蔽。

3.1 磁場反射損耗

由于空氣和屏蔽金屬的電磁波阻抗不同，使入射電磁波產生反射作用。對于低阻抗場，磁場的反射將完全小于電場的反射，場的阻抗隨距離和頻率而變化，磁場源近場中的反射損耗為

式中f為頻率（Hz），σγ為相對電導率，μγ為相對磁導率，r為輻射源到屏蔽體的距離（cm）。

3.2 吸收損耗

進入金屬屏蔽體內的電磁能量邊向前傳輸邊衰減，入射波在金屬體內被有效地吸收，吸收損耗與波阻抗無關，與金屬的厚度成正比，與集膚深度成反比，吸收損耗An（dB）為

式中l屏蔽材料的厚度（mm）。

3.3 多次反射損耗

當An＞10dB時，多次反射損耗可忽略不計。當An沒有遠大于5時，電磁波在屏蔽體內部的多次反射是顯著的，多次反射損耗為

式中Zm為屏蔽金屬的電磁波阻抗，Zw為空氣的電磁波阻抗。

3.4 組合屏蔽體的屏蔽

在屏蔽要求很高的情況下，單層屏蔽往往難以滿足要求，需要采用多層混合結構的組合屏蔽體。雙層屏蔽體的吸收系數S和反射系數分別為

式中S1、S2、P1、P2分別為兩層屏蔽體的吸收衰減系數和反射衰減系數。雙層屏蔽體的屏蔽效能為

多層屏蔽體的吸收系數和反射系數可連續按照兩層屏蔽體的辦法求取，從而確定多層屏蔽體的屏蔽效能[5]。

4 屏蔽體的主要特性及規律

由屏蔽效能分析可知，低阻抗磁場屏蔽效果取決于電磁輻射源頻率、屏蔽體厚度，屏蔽材料導電率和導磁率等因素[6]。導磁材料分為強磁材料（鐵磁性物質，如鐵、鋼等金屬）和抗磁材料（如銅等金屬）。抗磁屏蔽體和強磁屏蔽體的頻率特性曲線見圖1[5]，在0～f1（3kHz～10kHz）的低頻范圍和f2（1MHz）以上區域，強磁屏蔽體比抗磁屏蔽體屏蔽效果好，在f1和f2范圍內，抗磁屏蔽體比強磁屏蔽體屏蔽效果好。

當采用強磁材料做屏蔽材料時，要考慮其磁飽和特性，不能讓材料處于磁飽和狀態，否則材料的屏蔽性能會大幅下降。根據常用碳素鋼磁變化特性，可計算出幾種碳素鋼的H－μr曲線見圖2。

圖1 屏蔽體的頻率特性曲線

圖2 碳素鋼的H－曲線

單層鋼板、銅板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能（dB）見表1。不同間隔的雙層25＃鋼板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能（dB）見表2。由表中數據可知，對于低阻抗磁場屏蔽，多層屏蔽體層間間隔對屏蔽效能影響較小，屏蔽體各層厚度越厚，屏蔽效果越好。電磁屏蔽門和孔隙對屏蔽效能有較大影響[7～9]，在工程實踐中要針對具體要求進行特殊屏蔽技術處理。

表1 鋼板、銅板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能

表2 不同間隔的雙層鋼板對60Hz低阻抗磁場的屏蔽效能

5 低頻屏蔽體工程實現及實際效能測試

圖3 低頻磁場屏蔽效能測試結果

為減少大電流高壓調壓器對周圍設備和人員的輻射危害，對其進行電磁屏蔽處理。輻射源位于屏蔽體中心，屏蔽體采用雙層鋼板方體屏蔽結構，外層殼體與墻面絕緣并良好接地，屏蔽門采用雙層鋼板屏蔽門，通風窗安裝截止波導窗[10]處理。根據國家標準 GB12190－2006《高性能電磁屏蔽室屏蔽效能的測量》，在60～800Hz低頻范圍采用小環法測量，輻射信號源與接收天線距離屏蔽體30cm處，接收設備采用數字示波器和小環天線，屏蔽體的低頻磁場屏蔽效能測試結果見圖3，實際測試結果與計算模擬值相近。

6 結語

在討論電磁屏蔽技術原理的基礎上，本文分析了低頻范圍內（60～800Hz）的電磁屏蔽效能，屏蔽體的主要特性和規律，單層鋼板、銅板和不同間隔雙層鋼板對60Hz低頻阻抗磁場的屏蔽效能。在工程實踐上運用雙層鋼板屏蔽體屏蔽高壓大電流調壓器的電磁輻射危害，根據國家標準GB12190－2006運行小環法在60Hz～800Hz頻率范圍內進行了屏蔽效能測試，有效解決了低頻范圍的電磁輻射危害問題。

隨著屏蔽材料技術的進展[11]，出現了工業硅鋼、鐵鎳合金、導電高分子聚合物以及非晶型屏蔽材料和納米材料等新型材料，尤其是鐵鎳合金在低頻磁場中的屏蔽效果非常好，由于造價等因素，在工程實踐上使用較少，有些材料還在實驗室研究階段，但應用前景廣闊。本文討論的低頻屏蔽技術可應用于變電站、低頻電磁泄漏、低頻電磁干擾等需要電磁屏蔽的工程場合。

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