2.10 屏蔽

屏蔽（Shielding）可以用来控制电场或磁场从空间的一个区域到另一个区域的传播，这是克服电场耦合干扰、磁场耦合干扰及电磁辐射干扰的最有效手段。屏蔽的目的是利用导电材料或高磁导率材料来减少磁场、电场或电磁场的强度。屏蔽可以应用于噪声源，通过用屏蔽材料把干扰源包围起来可以减弱干扰场的强度，参见图2.9.14（a）；屏蔽也可以应用于需要抑制噪声的检测电路，通过用屏蔽材料把敏感电路包围起来可以减弱电路附近的场强，参见图2.9.14（b）；也可以两者都屏蔽，这样抑制场耦合噪声的效果会更好。屏蔽的范围可以是电缆、个别器件或整个电路系统。

屏蔽和接地是抑制干扰噪声的两种最有效手段，两者又相互关联，如抑制电场噪声的屏蔽层接地后会更有效。

针对磁场干扰、电场干扰和电磁场干扰所采取的屏蔽方式和屏蔽材料是有区别的。因此，在介绍各种不同的屏蔽措施之前，有必要首先了解干扰场的传播方式和波阻抗的概念。

2.10.1 场传播与波阻抗

场的性质是由干扰源的性质、传播介质及到干扰源的距离确定的。在靠近干扰源的地方，场的性质主要取决于干扰源的性质；在远离干扰源的地方，场的性质主要取决于传播介质。

任何载有交变电流的导线都会向其周围发射交变的电场和磁场，电场强度和磁场强度之比取决于干扰源的性质、观测点到干扰源的距离及传播介质的性质。传播介质中的电场强度E和磁场强度H之比称为波阻抗ZW，即

对于尺寸较小的空气中的发射源，波阻抗随着到干扰源的距离r变化的情况如图2.10.1所示。r＜λ/2π（λ为波长）时的场称为近场，或感应场；r＞λ/2π时的场称为远场，或辐射场；r=λ/2π附近的区域为过渡区。

在近场，波阻抗ZW取决于干扰源的性质及到干扰源的距离。当干扰源为小电流、高电压时，近场以电场为主，波阻抗ZW较高，ZW>377Ω，干扰主要由容性耦合引入；当干扰源为大电流、低电压时，近场以磁场为主，波阻抗ZW较低，ZW<377Ω，干扰主要由感性耦合引入。

在以电场为主的情况下，随着距离的增加，电场强度E以1/r3的速率衰减，而磁场强度H以1/r2的速率衰减，因此ZW逐渐减小，最后减小为传播介质的特征阻抗Z0；而在以磁场为主的情况下，随着距离的增加，电场强度E以1/r2的速率增加，而磁场强度H以1/r3的速率增加，因此ZW逐渐增加，最后增加为传播介质的特征阻抗Z0。

在远场，波阻抗等于传播介质的特征阻抗Z0，随着距离的增加，电场强度E和磁场强度H都以1/r的速率衰减，干扰呈现为平面辐射波，这时的电场矢量和磁场矢量互相垂直，两者又都垂直于传播方向。对于图2.9.15所示的两种干扰源，其辐射场的电场和磁场的形状如图2.9.16所示。图中的实线表示磁场，虚线表示电场。

空气中的波阻抗Z0为常数，Z0=（μ0/ε0）1/2=377Ω。

在远场中，电场强度E和磁场强度H以固定比率（如在空气中，E/H=377Ω）组合而形成平面辐射电磁波，这时如果已知E或H中的任何一个，就可以推算出另外一个。在近场中，电场干扰和磁场干扰必须分别考虑，这是因为两者的比率不是常数。

在以电场为主的近场中，空气中的波阻抗约为

ZE≈（j2πfε0r）-1 （2-10-2）

式中，r是到干扰源的距离。而对于以磁场为主的近场，空气中的波阻抗约为

ZM≈j2πfμ0r （2-10-3）

介质对平面波的波阻抗等于该介质的波阻抗，定义为

式中，ε为传播介质的介电常数；μ为传播介质的磁导率；σ为传播介质的电导。

对于绝缘体传播介质，式（2-10-4）可简化为

在空气中，式（2-10-4）可演变为

或

式中，μr为对空气的相对磁导率；σr为对铜的相对电导，而铜的电导σC=5.82×10-7S/m。

对于铜，其波阻抗|ZW|=3.68×10-7（1/f）1/2；对于铝，其波阻抗|ZW|=4.71×10-7（1/f）1/2；对于钢，其波阻抗|ZW|=3.68×10-9（1/f）1/2。

优良导体的波阻抗要比空气小得多。例如，当频率f=1MHz时，铜的波阻抗为3.68×10-4Ω。

2.10.2 屏蔽层的吸收损耗

传播介质的吸收作用使得电磁波强度得以衰减，这种衰减也叫做穿透损失。吸收衰减遵从指数规律，即

Ex≈E0exp（-x/δ） （2-10-8）

Hx≈H0exp（-x/δ） （2-10-9）

式中，Ex和Hx分别为深度x处的电场强度和磁场强度；δ为集肤深度，定义为场强衰减到原值（x=0时的值）的1/e或37%时所需的深度，其值为

δ≈（πfμσ）1/2（m） （2-10-10）

用相对电导σr和相对磁导率μr代替式（2-10-10）中的μ和σ，得

表2.10.1列出了几种可能用于屏蔽的常见金属在不同频率下的集肤深度。

表2.10.1 常见金属在不同频率下的集肤深度

厚度为x的屏蔽层的吸收损耗A为

式中，x的单位为m。式（2-10-12）说明，厚度为集肤深度的屏蔽层的吸收衰减约为9dB，而且屏蔽材料的磁导率越高，电导率越高，屏蔽层越厚，对电磁波的吸收衰减越大。吸收衰减A与屏蔽层厚度x的关系如图2.10.2所示，该图对电场、磁场和平面波都适用。

2.10.3 屏蔽层的反射损耗

屏蔽层表面对电磁波的反射作用对电磁波的场强具有衰减作用。当电磁波入射到两种传播介质的交界处时，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波穿过界面，如图2.10.3所示。

反射损耗与反射界面两边介质的特征阻抗有关。对于垂直入射情况，电场传播系数为

而磁场传播系数为

式中，E1（H1）是入射波的强度；E2（H2）是穿过界面的透射波强度；Z1和Z2分别是反射界面两边传播介质的波阻抗。

若从绝缘体（如空气）入射到导体，则Z2≪Z1，此时式（2-10-13）和式（2-10-14）可简化为

当电磁波穿过屏蔽层时，入射电磁波遇到两个界面，因此它经历了两次反射衰减，如图2.10.4所示。

在不存在屏蔽层的吸收和多次反射的情况下，设屏蔽材料的特征阻抗为Zs，屏蔽层之外的空间介质的波阻抗为Zw，则利用式（2-10-13）和式（2-10-14）可得

对空气中的金属屏蔽层，满足|Zs|≪|Zw|，则有

需要注意的是，虽然从式（2-10-19）看起来屏蔽层对电场的衰减和对磁场的衰减是一样的，但是对于屏蔽材料为金属、自由空间为空气的常见情况而言，根据式（2-10-13），对电场的反射衰减主要发生在从空气到金属的入射界面，而根据式（2-10-14），对磁场的反射衰减主要发生在从金属到空气的射出界面。因此，对于电场屏蔽，可以使用很薄的金属箔；而对于磁场屏蔽，往往还要利用高磁导率材料的吸收作用。根据式（2-10-12）可知屏蔽层的厚度需要大一些。

将反射损耗表示为分贝，有

式（2-10-20）所表示的反射损耗R适用于垂直入射的情况。如果不是垂直入射，则反射损耗随入射角的增加而增加。

下面分别分析远场和近场中的反射损耗。

1.远场中的反射损耗

对于远场中的平面波，波阻抗Zw等于空气的特征阻抗Z0（377Ω），因此对空气中的屏蔽层有

式（2-10-21）说明，屏蔽材料的电导越高、磁导率越低，则对远场电磁波的反射损耗越大。虽然钢比铜的吸收损耗大，但是其反射损耗要比铜小。

2.近场中的反射损耗

在近场中，波阻抗Zw不取决于介质的特征阻抗，而取决于干扰源的特性及到干扰源的距离。

如果干扰源是高电压、小电流，则干扰场以电场为主，波阻抗Zw高于377Ω，则有

如果干扰源是低电压、大电流，则干扰场以磁场为主，波阻抗Zw低于377Ω，则有

根据式（2-10-22）、式（2-10-23），分别对于相距干扰源1m和30m的铜屏蔽层，各种反射损耗随频率和距离变化的情况如图2.10.5中所示。图中上部的两条线是针对以电场为主的近场的，波阻抗Zw较大，反射损耗也较大；下部的两条线是针对以磁场为主的近场的，波阻抗Zw较小，反射损耗也较小。对于到干扰源的任何指定距离r，3种曲线在f=300×106/（2πr）处汇合，此处相当于近场和远场的分界点，即图2.10.1中的r=λ/2π处。图2.10.5中的曲线适用于只产生电场或只产生磁场的点发射源。但是实际的干扰源发射的往往是电场和磁场的组合，因此实际的反射损耗曲线位于图2.10.5中以电场为主的曲线和以磁场为主的曲线之间的某处。

2.10.4 屏蔽效果

1.屏蔽总效果

屏蔽效果可以通过由屏蔽层引起的磁场强度和电场强度的衰减程度来说明。

对于电场，屏蔽效果定义为

对于磁场，屏蔽效果定义为

将屏蔽层的吸收作用、反射作用及其他因素综合考虑在一起，屏蔽总效果可以表示为

S=A+R+Bs（dB） （2-10-26）

式中，A为吸收损耗，单位为dB；R为反射损耗，单位为dB；Bs为校正系数，单位为dB。式（2-10-26）中的校正系数Bs是由屏蔽层内的多次反射引起的校正项，即

Bs=10lg[1-2×10-0.1Acos（0.23A）+10-0.2A]（2-10-27）

式中，A为吸收损耗。如果屏蔽材料的吸收作用足够大（A>15dB），则Bs可以忽略。在实际应用中，对于电场和平面波，反射损耗R比校正系数Bs要大得多，因此也可以忽略Bs。

由这些公式可以看出：

（1）吸收损耗A和反射损耗R都随屏蔽材料电导的增加而增加；

（2）当屏蔽材料的磁导率增加时，吸收损耗A增加，但是反射损耗R减少；

（3）当频率f提高时，吸收损耗增加，磁场中的反射损耗增加；如果屏蔽材料的磁导率为恒定值，则电场和远场中的反射损耗随频率f的提高而减少。

对于常用做屏蔽材料的铜和铝这些非铁磁材料，其磁导率为常数l。但是铁磁材料的磁导率随着频率的升高而减少，低频时磁导率越高，磁导率开始减少的频率越低。例如，矽钢在低频情况下的相对磁导率为1000，在频率为10MHz时降为500。镍铁在低频情况下的相对磁导率为20，而当频率为几千赫兹时，其磁导率就会减少一半。从前面介绍的公式和图表可以看出，电场更容易屏蔽，利用任何良导体在任何频率都能取得较好的屏蔽效果。由图2.10.5可知：屏蔽层对电场的反射损耗较大，因此电场屏蔽不必依靠吸收损耗，可以使用很薄的屏蔽层；屏蔽层对平面波的反射衰减也不错，但在射频情况下可能需要利用吸收损耗来增加衰减，对于平面波也可以使用薄的屏蔽层，因为在射频情况下集肤深度很小，如果屏蔽层很薄，则其吸收作用可以忽略，对由多次反射导致的校正项Bs必须加以考虑，如果屏蔽层是附在绝缘衬底上的金属膜，则衬底的厚度可能会对屏蔽效果产生一定的影响。磁场中的波阻抗较小，根据式（2-10-20）知这时的反射损耗也较小，所以有必要依靠屏蔽层的吸收作用来达到屏蔽效果。对于频率为几兆赫兹以上的干扰，可以利用非铁磁材料的吸收作用；对于较低频率的干扰，可以利用一定厚度的磁性材料来进行屏蔽，但要注意在该频率下屏蔽材料的磁导率没有降低太多。除了吸收作用之外，磁性材料的高磁导率还具有集中磁力线的作用，这会降低屏蔽层之外区域的磁场强度，从而提高屏蔽效果。

2.多层屏蔽

对于频率很低的磁场干扰，需要使用很高磁导率的屏蔽材料，如镍铁高磁导率合金（mu—metal），但这种材料在很低的磁场强度下就会达到磁饱和状态，因此有必要采用双层屏蔽结构。如图2.10.6所示，第一层屏蔽使用磁饱和强度较高的低磁导率材料；第二层屏蔽使用磁饱和强度较低的高磁导率材料。经过第一层屏蔽的衰减，到达第二层屏蔽的磁场强度已经比较低，不会使它饱和；再利用第二层屏蔽的高磁导率，可以把干扰磁场衰减到很低的水平。

在多层屏蔽中可以使用非铁磁材料（铜）作为第一层，铁磁材料作为第二层，只有非常苛刻的条件下才会使用三层屏蔽。在受到机械应力或热应力时，镍铁合金或坡莫合金等高磁导率材料的磁导率会降低，因此当它们在使用过程中落地或受到碰撞时，应该对其进行退火，以恢复其磁导率。

3.屏蔽层上的开孔和接缝

对无开孔和接缝的连续屏蔽层而言，很容易达到90dB以上的屏蔽效果。而开孔和接缝会使屏蔽效果大为降低，并可能对屏蔽效果起着决定作用。由开孔和接缝造成的漏磁场问题比漏电场问题更为严重，漏磁场的大小主要取决于下列3个因素：①干扰场的波阻抗；②干扰场的频率；③开孔的最大直线尺寸。噪声磁场在屏蔽层中感应出电流，这些电流产生的附加磁场可抵消原噪声磁场，从而产生屏蔽效果。为了使得这种抵消作用有效发生，必须允许感应出的屏蔽层电流自由流动。如果屏蔽层的不连续性迫使感应电流按不同于外界磁场感应出的路径流动，则屏蔽效果就会打折扣。感应电流绕路越远，屏蔽效果越差。因此，漏磁场主要取决于开孔的最大直线尺寸，而不是开孔的面积。图2.10.7给出了同样面积的两种开孔方式，其中图（a）中的长孔使感应电流绕路较远，屏蔽效果受影响较大，即使长孔的宽度再窄一些也无济于事；图（b）中的开孔较多，但是所有孔的直线尺寸都不大，感应电流绕路不多，屏蔽效果受影响较小。因此，大量的小孔比同样面积的—个大孔产生的漏磁要少。

图2.10.7（a）所示的长矩形孔还形成了一种槽缝天线，如果其长度大于波长的百分之一，即使槽孔的宽度很窄，也会引起相当可观的漏磁。当槽孔长度等于波长的一半时，槽缝天线的辐射作用最大。屏蔽盒的接缝很容易形成这样的槽缝天线。对屏蔽层的接缝进行焊接或铜焊可以保持屏蔽层的连续性，从而可以将接缝漏磁减到最少。对于不能焊接的接缝，要想方设法保持屏蔽层的电气连续性，用导电的EMI衬垫压紧在接缝处就是一种很好的办法，这种办法能在几千赫兹到几吉赫兹的频率范围内控制漏磁。一种最常用的EMI衬垫是把金属编制网做成条状，截面为矩形或圆形。EMI衬垫的材料应该与同它接触的屏蔽层金属相兼容，以防发生锈蚀。因此，镍铜合金或镀银黄铜衬垫不应与铝屏蔽盒一起使用。

如果屏蔽层上的开孔做成波导管的形状，则可以使干扰场获得进一步的衰减。在实际应用中，如果屏蔽层上的开孔直径小于屏蔽层的厚度，就形成了波导管，其长度等于屏蔽层厚度。使用由蜂窝状波导管构成的通风格栅可以很好地衰减漏磁场。

没有开孔和接缝的不同屏蔽材料在不同频率范围能够达到的屏蔽效果如表2.10.2所示。

表2.10.2 不同屏蔽材料在不同频率范围能达到的屏蔽效果

注①：1mm厚屏蔽层的吸收损耗；②：距离干扰源1m处的磁场反射损耗。

综上所述，关于金属材料的屏蔽作用可以总结如下：①对于电场和平面波，反射损耗很大；②对于低频磁场，反射损耗一般较小；③厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗；④磁场比电场更难于屏蔽；⑤对于低频磁场，要用磁性材料进行屏蔽；⑥对于电场、平面波和高频磁场，要用良导体材料进行屏蔽；⑦实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果；⑧漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积；⑨大量的小孔比同样面积的一个大孔的漏磁要少。