屏蔽結(jié)構(gòu)

(1) 電子設(shè)備屏蔽
電子設(shè)備所用的屏蔽要如下圖所示遮蓋住機(jī)身，電路板或電纜。本節(jié)著重于噪聲穿過這些屏蔽的部分（如圖所示），還講述了電磁屏蔽主要根據(jù)材料特征來阻擋無線電波的效果。
這些屏蔽不僅用于向外排放的噪聲，還用于從外部進(jìn)入電路的噪聲。類似于天線的情形，因?yàn)檫@兩個(gè)效果是相同的，所以本節(jié)將著重于噪聲排放。



(2) 屏蔽效果細(xì)分
如圖1所示，用屏蔽限制噪聲的效果一般可使用夏克諾夫的公式來闡釋。
如圖4-2-2所示，考慮了無線電波從左側(cè)撞擊屏蔽后的屏蔽效果以及右側(cè)向外泄露的屏蔽效果。這里我們假定右側(cè)向外泄露的無線電波要比左側(cè)撞擊屏蔽的無線電波弱SE(dB)。如下所示，夏克諾夫的公式通過對(duì)三項(xiàng)求和來表示屏蔽效果SE。

（公式 1）
R表面反射造成的無線電波損耗（反射損耗）
A屏蔽內(nèi)部衰減造成的無線電波損耗（衰減損耗）
B前后端之間多重反射的效果（多重反射效果）

這里忽略其中的多重反射效果B，因?yàn)橹灰皇茿的吸收損耗非常小這一特殊情況（如非常薄的金屬箔等），多重反射的影響就很小，可以無視。
盡管夏克諾夫的公式是近似公式，但實(shí)際上已經(jīng)足夠準(zhǔn)確且被廣泛使用，因?yàn)檫@個(gè)公式有助于理解屏蔽效果。本節(jié)將在這個(gè)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步講述常規(guī)的屏蔽特性。[page]

屏蔽特性

(1) 用非常薄的金屬板就可達(dá)到大約100dB的屏蔽效果
圖3展示了銅板的情形，并以此作為用夏克諾夫公式計(jì)算結(jié)果的一個(gè)示例。


圖3(a)表示了厚度為0.1mm時(shí)的頻率特征。紅線指示的屏蔽效果SE在從0.1MHz到1000MHz的整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到100dB或更高。如果是常規(guī)電子設(shè)備的噪聲抑制，100dB則被認(rèn)為是達(dá)到了足夠大的效果。
圖3(b)展示了通過在固定頻率10MHz上改變厚度得出的計(jì)算結(jié)果。即使是厚度只有10µm的超薄銅板也具有明顯的屏蔽效果。下文闡釋細(xì)分的屏蔽效果。

(2) 反射損耗
圖3中的藍(lán)線表示了反射損耗R。從圖中可以理解為銅只從反射損耗就能達(dá)到接近100dB的效果。如圖4所示無線電波從左到右發(fā)射無線電波時(shí)，由于空間的固有阻抗和屏蔽材料的固有阻抗之間的阻抗匹配非常差，就會(huì)出現(xiàn)反射損耗。空間的固有阻抗為377Ω，而10MHz時(shí)銅板的固有阻抗只有1.17MΩ。實(shí)際差距達(dá)到了32萬倍。因此無線電波的能量幾乎不能進(jìn)入銅板。
此處的固有阻抗代表了無線電波在特定材料內(nèi)以平面波形傳輸?shù)奶匦?，還指示了與傳輸線路的特征阻抗等效的數(shù)值。這表示電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率，這個(gè)值由介電常數(shù)ε，磁導(dǎo)率µ，電導(dǎo)率σ和頻率ƒ等決定。通常因?yàn)榻饘俚膶?dǎo)電率非常高，所以金屬的固有阻抗非常小。

盡管圖3展示了銅的情形，但鐵的導(dǎo)電率只比銅低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而磁導(dǎo)率要高1000倍。因此鐵的反射損耗會(huì)更小。但鐵在10MHz時(shí)依然具有接近 60dB的反射損耗。因此大多數(shù)金屬材料均視為能夠達(dá)到不造成實(shí)際問題的反射損耗。無論厚度多少，都可以達(dá)到這個(gè)反射損耗。（如果厚度很薄，需要修正多重 反射效果）
因?yàn)榉瓷涫菍?dǎo)電率造成的，所以這也意味著可以在電阻高的截面（如果有）上降低屏蔽效果。例如如果屏蔽板內(nèi)有一個(gè)接合點(diǎn)，連接面的任何電阻均會(huì)明顯降低屏蔽的效果。為了確保連接面的傳導(dǎo)，可以使用導(dǎo)電墊圈等。


[page](3) 衰減損耗
圖3中的綠線表示了衰減損耗。這個(gè)損耗會(huì)隨著頻率和/或材料厚度增加而明顯變大。因此在諸如圖3(a)所示的情形下，衰減損耗會(huì)在100MHz或更高頻率范圍內(nèi)超過反射損耗，總共達(dá)到200dB或更高的屏蔽效果。


衰減損耗是由通常稱為集膚效應(yīng)的特性而造成的無線電波衰減。當(dāng)無線電波進(jìn)入金屬時(shí)，無線電波會(huì)在距離表面的集膚深度δ處以0.37的系數(shù)特征進(jìn)行衰減。因此如果屏蔽板厚度大于集膚深度，就可以預(yù)期有明顯的衰減效果。

當(dāng)使用相同厚度的屏蔽材料時(shí)，集膚深度更薄的材料被認(rèn)為會(huì)有更佳的衰減損耗。圖6展示了常規(guī)屏蔽材料（銅，鋁和鐵）的集膚深度的計(jì)算結(jié)果。頻率越高，集膚深度就越淺，且因此可以獲得衰減損耗。在10MHz處，預(yù)計(jì)可以從厚度不小于20µm的銅和厚度不小于2µm的鐵獲得衰減損耗。

集膚深度也會(huì)因材料的磁導(dǎo)率µ和導(dǎo)電率σ而 有所差異。導(dǎo)電性或磁導(dǎo)率越高，集膚深度越淺。盡管圖6表明了鐵的導(dǎo)電率要比銅的低，但由于鐵的磁導(dǎo)率很大，鐵的集膚深度要比銅低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因 此這可以理解為即使鐵的反射損耗小于銅的反射損耗，鐵這種材料也會(huì)具有較大的衰減損耗。（因?yàn)閳D6假定了鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率是1000而進(jìn)行計(jì)算的， 所以不是很準(zhǔn)確）


(4) 影響屏蔽效果的材料參數(shù)
當(dāng)如上所述使用金屬板時(shí)，通過以下方式可以獲得更大的屏蔽效果:
(i)使用更厚的屏蔽材料（衰減損耗增大）
(ii)提高導(dǎo)電率（衰減損耗和反射損耗同時(shí)增大）
(iii)提高磁導(dǎo)率（衰減損耗增大）
通常只要是金屬板，實(shí)際上任何材料或厚度均可以發(fā)揮出足夠的屏蔽效果。但是如果如下所述在環(huán)形天線的附近處理不高于100kHz的頻率范圍，那么材料和厚度就會(huì)很重要。[page]

低頻磁場(chǎng)的屏蔽

如圖6所示的計(jì)算結(jié)果，集膚深度會(huì)隨著頻率下降而增大。因此當(dāng)使用厚度大約0.1mm的薄金屬板時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)在不高于1MHz的范圍內(nèi)從銅或鋁中以及在不高于10kHz的范圍內(nèi)從鐵中獲得較大的衰減損耗。用衰減損耗屏蔽這種低頻噪聲需要很厚的材料。
如上一節(jié)所述，我們假定即使沒有衰減損耗，正常情況下反射損耗預(yù)計(jì)能夠獲得足夠好的屏蔽效果。但前提是材料的固有阻抗遠(yuǎn)小于空間的固有阻抗。
實(shí)際上，當(dāng)屏蔽材料位于噪聲天線附近時(shí)，波阻抗（電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率）不同于空間的固有阻抗（377Ω）。有關(guān)天線附近的波阻抗，請(qǐng)參閱第2節(jié)。位于天線附近的屏蔽材料的反射損耗會(huì)因這個(gè)波阻抗而有所差異。
特別是在圖7的情形下，環(huán)形天線附件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，使得波阻抗一直小于377Ω。因此降低了與屏蔽材料的固有阻抗的阻抗不匹配，從而降低了反射損耗。因此需要增大衰減損耗來補(bǔ)償降低量。但是因?yàn)榈皖l范圍內(nèi)的集膚深度增大，所以需要使用比較厚的材料。
出于上述原因，難以使用銅等良導(dǎo)體，來屏蔽環(huán)形天線附近的低頻噪聲。這種情況下，鐵板（更淺的集膚深度）比銅板更合適。此外，除了電磁屏蔽，可能還需要其他磁屏蔽技術(shù)。


連接屏蔽罩

如上所述，材料的屏蔽效果可以用夏克諾夫的公式來估算。但是將這個(gè)公式應(yīng)用到實(shí)際的電子設(shè)備時(shí)，通常無法獲得此處所述的效果。主要原因是任何連接面或開孔均可能成為障礙，使材料無法發(fā)揮出足夠的性能。本節(jié)講述了連接屏蔽罩時(shí)要謹(jǐn)記的幾個(gè)要點(diǎn)。
(1) 當(dāng)裝配屏蔽罩時(shí)
如上所述，金屬板的屏蔽效果主要是因?qū)щ娐十a(chǎn)生的。換言之，重要的是電流易于流過屏蔽表面。如果屏蔽表面有開孔或間隙，電流難以流動(dòng)，從而使屏蔽效果受損。
如圖8所示，應(yīng)該牢牢地連接屏蔽罩的連接面。使用導(dǎo)電墊圈等無縫連接屏蔽表面，可保持良好的屏蔽。如果僅使用螺絲或接觸點(diǎn)進(jìn)行連接，應(yīng)縮小螺絲或接觸點(diǎn)之間的間隔（大約1/20的波長(zhǎng)）。
如果如圖9所示屏蔽罩內(nèi)依然有間隙，需要意識(shí)到可能會(huì)發(fā)射無線電波，尤其是在讓間隙長(zhǎng)度形成1/2波長(zhǎng)的頻率上。（例如，如果是12cm的CD狹槽，將大約是1.2GHz）。



(2) 除了無線電波屏蔽之外的因素
如果由于屏蔽中的開孔、整個(gè)物體的外殼不完整或?qū)Ь€伸出屏蔽罩而使得屏蔽中斷，屏蔽罩本身就會(huì)成為天線并發(fā)射無線電波。這種情形下，可以說共模噪聲已經(jīng)被傳導(dǎo)到屏蔽上。
這種現(xiàn)象不同于圖9所示的開孔用作天線的問題。而是如圖10(a)所示整個(gè)屏蔽罩和整個(gè)系統(tǒng)用作天線。這樣一來天線尺寸變大，發(fā)射的噪聲頻率將比從開孔尺寸估算的頻率更低。[page]
如圖10(a)所述由浮動(dòng)靜電容量等驅(qū)動(dòng)，因此能量不是很強(qiáng)。但需要完整屏蔽時(shí)，應(yīng)意識(shí)到這個(gè)可能性。
如圖10(b)所述，為了防止出現(xiàn)這種情形，需要:
(i)導(dǎo)線伸出時(shí)插入濾波器
(ii)開孔是產(chǎn)生問題的原因時(shí)減小尺寸，或保持內(nèi)部噪聲源遠(yuǎn)離此開孔
(iii)整個(gè)物體還未封閉時(shí)提高封閉性。
這些方法也對(duì)接地增強(qiáng)有效。


連接屏蔽電纜

(1) 屏蔽電纜接地
盡管可以說屏蔽罩的主要功能是“限制內(nèi)部噪聲”，但屏蔽電纜的屏蔽部分也可以用作電流的路徑。因此，需要特別注意屏蔽接地的部分。
例如如圖11所示的同軸電纜是作為電流路徑的屏蔽部分。眾所周知，同軸電纜可用作屏蔽的電纜。也是理想的傳輸線路。外導(dǎo)線（外護(hù)套）是信號(hào)電流的回路。
在屏蔽接地方面，相同的概念也適用于同軸電纜之外的通用屏蔽電纜。盡管在某些情況下可以清楚地分隔開電流和屏蔽的回路，但通用概念也適用于常規(guī)電子設(shè)備的噪聲抑制。
因此本節(jié)闡釋了與同軸電纜有關(guān)的屏蔽連接示例。


若要通過同軸電纜發(fā)射信號(hào)，如圖11(b)所示外護(hù)套應(yīng)該連接到電路的地線。因此流過內(nèi)部導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與流過外部導(dǎo)體的電流相抵消，從而消除了從電纜發(fā)射的噪聲。
對(duì)于通用的屏蔽電纜，屏蔽電纜應(yīng)該連接到兩端的地線。但是對(duì)于靜電屏蔽，有些情況只可以連接屏蔽電纜的一端。

(2) 連接到屏蔽罩
我們應(yīng)該如何將這個(gè)電纜的屏蔽連接到屏蔽罩？圖12展示了兩個(gè)屏蔽罩彼此互連的示意圖。
如圖12所示，為了獲得完整的屏蔽連接，屏蔽電纜的外護(hù)套的整個(gè)圓周需要連接到屏蔽罩。為此，經(jīng)常會(huì)使用屏蔽連接器。
如果兩個(gè)屏蔽罩均已經(jīng)單獨(dú)接地，可能會(huì)引起接地回路，或可能無法符合如圖12所示的單點(diǎn)接地原則。這些事實(shí)違背了用于消除相對(duì)低頻范圍內(nèi)的噪聲干擾的常規(guī)設(shè)計(jì)策略。換言之，讓屏蔽消除噪聲排放實(shí)際上可能會(huì)增加低頻噪聲。
如上所述，噪聲抑制與接地連接的狀態(tài)存在權(quán)衡關(guān)系，而且根據(jù)具體情況依然可能有無法處理的一部分殘留。（例如，如果圖12中的一側(cè)斷開地線連接，就能解決以上問題，同時(shí)可能會(huì)增加電氣化的風(fēng)險(xiǎn)，或可能會(huì)折損靜電電荷的敏感性）


(3) 連接到電路板
盡管存在如上所述的問題，屏蔽電纜的地線通常會(huì)牢牢地連接到如圖12所示兩端的屏蔽罩，然后連接到電路的地線。這樣可以:
(i)對(duì)于噪聲，提供與噪聲屏蔽罩一體化的屏蔽結(jié)構(gòu)。
(ii)為信號(hào)提供正確的電流反饋電路。[page]
圖13展示了與同軸電纜有關(guān)的連接電路板的示例。
圖13(a)展示了將導(dǎo)線連接到電路板的情形。電纜的屏蔽外護(hù)套通過同軸連接器連接到屏蔽罩。這就可以生成正確的屏蔽結(jié)構(gòu)。
圖13(b)表明了同軸連接器和電路板之間的間隙也通過短同軸電纜來連接。這種情況下，可以形成更好的信號(hào)傳輸電路。請(qǐng)注意，也應(yīng)該在電路板側(cè)連接同軸電纜的接地。


不合適的屏蔽示例

(1) 軟辮
將屏蔽電纜不正確的接地作為一個(gè)例子，存在一個(gè)名為軟辮的結(jié)構(gòu)。這種連線方法是將屏蔽外護(hù)套接地，將其捆扎為如圖14(a)所示的導(dǎo)線。這樣做易于進(jìn)行連接。但是捆扎的部分會(huì)產(chǎn)生阻抗，并削弱屏蔽效果。
圖14(b)展示了連接到屏蔽罩的軟辮示例。這種情況下，連接目標(biāo)適合屏蔽噪聲。但屏蔽效果會(huì)因軟辮而受損。此外，信號(hào)電流沒有回路（插圖顯示了 電流通過相對(duì)較遠(yuǎn)的屏蔽罩的地線形成回路）。這種情況下，噪聲可能會(huì)通過信號(hào)電流被傳導(dǎo)到接地，從而屏蔽電纜可作為這種噪聲的天線。
圖14(c)展示了連接到電路接地側(cè)的軟辮示例。這種情況下的信號(hào)電流回路是合適的。但是屏蔽罩和屏蔽電纜的地線已經(jīng)互相隔開。因此屏蔽效果明顯受損。