電磁屏蔽材料的一個(gè)基本要求是導(dǎo)電性,絕緣材料沒(méi)有電磁屏蔽作用。
當(dāng)一束電磁波入射到一塊導(dǎo)電材料時(shí),就會(huì)在導(dǎo)電材料的表面感應(yīng)出電流。這個(gè)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的方向與入射電磁波的磁場(chǎng)方向相反,因此削弱了入射電磁波。
這個(gè)感應(yīng)電流在屏蔽材料表面并不是均勻分布,而是向電磁波入射的表面集中,這就是我們知道的“趨膚效應(yīng)”。在屏蔽材料的另一個(gè)表面,這個(gè)電流產(chǎn)生的電磁輻射就是這個(gè)屏蔽材料的泄漏電磁場(chǎng)。屏蔽材料越厚,這個(gè)表面的電流越小,泄漏的電磁場(chǎng)越少,屏蔽材料的屏蔽效果越好。
實(shí)心材料屏蔽效能的計(jì)算
用經(jīng)典的麥克斯韋方程計(jì)算金屬材料的屏蔽效應(yīng)十分復(fù)雜,工程上常用一種簡(jiǎn)單的的方法,這就是傳輸線方法。把屏蔽材料看成一段傳輸線,把電磁波看成注入到傳輸線的信號(hào)。
我們以電場(chǎng)為例說(shuō)明電磁波衰減的過(guò)程。圖中,如果入射電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度為E0,當(dāng)電磁波入射到屏蔽材料表面時(shí),由于傳輸介質(zhì)特性的突然變化,會(huì)發(fā)生反射,這會(huì)損失能量,這時(shí)電磁波中的電場(chǎng)強(qiáng)度降低為E1,電磁波在屏蔽材料中繼續(xù)傳播,由于屏蔽材料具有損耗,因此電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)不斷下降,當(dāng)?shù)竭_(dá)屏蔽材料的另一界面時(shí),幅度降低為E2,在這個(gè)界面,又會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象,使電場(chǎng)強(qiáng)度降低為E3,這部分電磁波就是屏蔽材料泄漏的部分。如果用dBV/m表示電場(chǎng)強(qiáng)度,(E1 - E3)就是屏蔽效能。
吸收損耗的計(jì)算
吸收損耗就是電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)的衰減程度。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減特性如右上角的公式所示。這里的符號(hào)(代表趨膚深度,也就是高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí),趨膚效應(yīng)中對(duì)應(yīng)的趨膚深度,它對(duì)應(yīng)63%的電流所集中的表面深度。
根據(jù)這個(gè)公式,可以得到左邊的兩個(gè)吸收損耗的公式。
上邊的公式是用趨膚深度表示的形式。十分直觀,屏蔽材料每增加一個(gè)趨膚深度,吸收損耗大約增加9dB.。趨膚深度不僅與材料的種類(lèi)有關(guān),還與頻率有關(guān),同一種材料,頻率越高,趨膚深度越小,因此,吸收損耗越大。
下邊的公式是把趨膚深度的計(jì)算公式帶入后的結(jié)果,吸收損耗與材料的相對(duì)導(dǎo)率(r和相對(duì)電導(dǎo)率(r之間關(guān)系一目了然。這里的相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率是指相對(duì)于銅而言的,也就是,銅的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都是1.。
吸收損耗的計(jì)算
反射損耗代表了電磁波在屏蔽材料表面產(chǎn)生反射的程度,由于這個(gè)過(guò)程僅發(fā)生在屏蔽體的表面,因此,與屏蔽體的厚度無(wú)關(guān)。他與電磁波的波阻抗ZW和屏蔽材料的特性阻抗ZS有關(guān),反射損耗R如圖中公式所示。
波阻抗是電磁波中的電場(chǎng)幅度與磁場(chǎng)幅度的比值。左圖是電場(chǎng)源(上邊的)和磁場(chǎng)源(下邊的)的波阻抗隨距離變化的情況。
高阻抗的源就是電場(chǎng)源,例如,偶極天線,從直觀上看, 他的阻抗很高,因?yàn)閮啥耸情_(kāi)路的,因此,它所產(chǎn)生的電磁波是高阻抗波。低阻抗的源就是磁場(chǎng)源。例如環(huán)天線,從直觀上看,他的阻抗很低,因此它是一個(gè)短路的環(huán)路,因此它產(chǎn)生的電磁波是低阻抗波。
材料的特性阻抗是一個(gè)與材料特性有關(guān)的參數(shù),他還與電磁波的頻率有關(guān),這有點(diǎn)象電感的感抗與頻率有關(guān)。
0.5mm厚鋁板對(duì)不同場(chǎng)的屏效
上圖是0.5mm厚的鋁板的屏蔽效能,我們可以建立下面的概念:
1、對(duì)不同的電磁波,屏蔽效能不同:電場(chǎng)波最容易屏蔽,磁場(chǎng)波最難屏蔽,在談到屏蔽效能時(shí),需要明確對(duì)于什么種類(lèi)的電磁波;
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),并不用特別關(guān)心材料的厚度:除了低頻(10kHz以下)磁場(chǎng)以外,即使0.5mm厚的薄鋁板,屏蔽效能也容易超過(guò)60dB,因此,除了低頻磁場(chǎng)的場(chǎng)合,并不需要特別考慮金屬材料的屏蔽效能是否滿足要求;
3、屏蔽效能與距離有關(guān):距離電場(chǎng)源越近,屏蔽效能越高,距離磁場(chǎng)越近,屏蔽效能越低,因此,當(dāng)遇到磁場(chǎng)源時(shí),要使屏蔽體盡量遠(yuǎn)離輻射源;
4、低頻磁場(chǎng)最難屏蔽:因此,在遇到低頻磁場(chǎng)(例如,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大功率負(fù)荷產(chǎn)生的工頻,以及高次諧波磁場(chǎng))產(chǎn)生的干擾問(wèn)題時(shí),不要對(duì)屏蔽寄予過(guò)高的希望。
