電磁屏蔽材料的一個基本要求是導電性,絕緣材料沒有電磁屏蔽作用。
當一束電磁波入射到一塊導電材料時,就會在導電材料的表面感應出電流。這個電流會產生一個磁場。這個磁場的方向與入射電磁波的磁場方向相反,因此削弱了入射電磁波。
這個感應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”。在屏蔽材料的另一個表面,這個電流產生的電磁輻射就是這個屏蔽材料的泄漏電磁場。屏蔽材料越厚,這個表面的電流越小,泄漏的電磁場越少,屏蔽材料的屏蔽效果越好。
實心材料屏蔽效能的計算
用經典的麥克斯韋方程計算金屬材料的屏蔽效應十分復雜,工程上常用一種簡單的的方法,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。
我們以電場為例說明電磁波衰減的過程。圖中,如果入射電磁波的電場強度為E0,當電磁波入射到屏蔽材料表面時,由于傳輸介質特性的突然變化,會發生反射,這會損失能量,這時電磁波中的電場強度降低為E1,電磁波在屏蔽材料中繼續傳播,由于屏蔽材料具有損耗,因此電場強度會不斷下降,當到達屏蔽材料的另一界面時,幅度降低為E2,在這個界面,又會發生反射現象,使電場強度降低為E3,這部分電磁波就是屏蔽材料泄漏的部分。如果用dBV/m表示電場強度,(E1 - E3)就是屏蔽效能。
吸收損耗的計算
吸收損耗就是電磁波在屏蔽材料中傳播時的衰減程度。電磁波在介質中傳播時的衰減特性如右上角的公式所示。這里的符號(代表趨膚深度,也就是高頻電流流過導體時,趨膚效應中對應的趨膚深度,它對應63%的電流所集中的表面深度。
根據這個公式,可以得到左邊的兩個吸收損耗的公式。
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有關,還與頻率有關,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算公式帶入后的結果,吸收損耗與材料的相對導率(r和相對電導率(r之間關系一目了然。這里的相對磁導率和電導率是指相對于銅而言的,也就是,銅的磁導率和電導率都是1.。
吸收損耗的計算
反射損耗代表了電磁波在屏蔽材料表面產生反射的程度,由于這個過程僅發生在屏蔽體的表面,因此,與屏蔽體的厚度無關。他與電磁波的波阻抗ZW和屏蔽材料的特性阻抗ZS有關,反射損耗R如圖中公式所示。
波阻抗是電磁波中的電場幅度與磁場幅度的比值。左圖是電場源(上邊的)和磁場源(下邊的)的波阻抗隨距離變化的情況。
高阻抗的源就是電場源,例如,偶極天線,從直觀上看, 他的阻抗很高,因為兩端是開路的,因此,它所產生的電磁波是高阻抗波。低阻抗的源就是磁場源。例如環天線,從直觀上看,他的阻抗很低,因此它是一個短路的環路,因此它產生的電磁波是低阻抗波。
材料的特性阻抗是一個與材料特性有關的參數,他還與電磁波的頻率有關,這有點象電感的感抗與頻率有關。
0.5mm厚鋁板對不同場的屏效
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、對不同的電磁波,屏蔽效能不同:電場波最容易屏蔽,磁場波最難屏蔽,在談到屏蔽效能時,需要明確對于什么種類的電磁波;
2、結構設計時,并不用特別關心材料的厚度:除了低頻(10kHz以下)磁場以外,即使0.5mm厚的薄鋁板,屏蔽效能也容易超過60dB,因此,除了低頻磁場的場合,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:距離電場源越近,屏蔽效能越高,距離磁場越近,屏蔽效能越低,因此,當遇到磁場源時,要使屏蔽體盡量遠離輻射源;
4、低頻磁場最難屏蔽:因此,在遇到低頻磁場(例如,工業現場大功率負荷產生的工頻,以及高次諧波磁場)產生的干擾問題時,不要對屏蔽寄予過高的希望。
