电磁屏蔽机理和设计分析

杨 扬 张世全

（武警工程学院，陕西 西安710086）

引言

随着社会的疾速发展，人们的生活也越来越离不开电气设备。因为电工电子设备的广泛使用使人类被笼罩在电磁场的环境下的可能性越来越大，电工电子设备产生的电磁干扰不仅会扰乱公共安全和通信设备的正常工作，而且对于居民日常的生活甚至人身安全都会造成影响和危害。

1 电磁干扰的形成机理

电磁干扰(Electromagnetic Interference)，简称EMI，即由电磁骚扰引起的设备、传输通道或传输性能的下降。电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降，或者对有生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是自身的变化，它可引起设备和系统的降级或损害，但不一定会形成后果。而电磁干扰则是由电磁骚扰引起的后果，造成电磁干扰的后果须有三个条件：骚扰源、导致干扰传播的途径及受害设备。因此，要想达到设备的电磁兼容，需要消除骚扰源或削弱它的强度，破坏干扰传播的途径或减少干扰耦合度，精心设计受害设备的选择性或提高其抗干扰能力。引发电磁干扰的原因可能是另一个设备或系统的有用电磁信号，也可能是某种电磁噪声。

2 电磁屏蔽机理

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。由于电子技术在各行各业中的广泛应用，在人类活动的空间无处不充斥着电磁波，因此，电子设备不解决电磁波干扰问题，就不能兼容工作。在实际应用中，人们在研究抗干扰技术方面也积累了大量的经验，不断地研究出许多实用的方法来消除电磁干扰。

电磁屏蔽机理.主要包括以下几个方面：①当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续；②未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收；③在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。

3 电磁屏蔽的技术原理

电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施；或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。

3.1 静电屏蔽

用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。

3.2 交变电场屏蔽

为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素。

3.3 交变磁场屏蔽

交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。

3.4 交变电磁场屏蔽

一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。

4 电磁屏蔽的设计措施

为了解决微电技术，尤其是计算机在汽车上的应用和推广，根据需要和实际要求，可以设计出效果良好的滤波电路，置于前级可使大多数因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处;可以设置隔离电路，如变压器隔离和光电隔离等解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰，同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰;也可以设置能量吸收回路，从而减少电路、器件吸收的噪声能量;或通过选择元器件和合理安排电路系统，使干扰的影响减小。

微机设备的软件抗干扰主要是稳定内存数据和保证程序指针。微机是一个可编程控制装置，软件可以支持和加强硬件的抗干扰能力。如果微机系统中随机内存RAM主要用于测量和控制时数据的暂时存放，内存空间较小，对存放的数据而言，若将采集到的几组数据求平均值作为采样结果，可避免在采集时因干扰而破坏了数据的真实性;如果存放在随机内存中的数据因干扰而丢失或者数据发生变化，可以在随机内存区设置检验标志;为了减少干扰对随机内存区的破坏，可在随机存储器芯片的写信号线上加触发装置，只有在CPU写数据时才发。软件抗干扰的措施也很多，如数字滤波程序、抗窄脉冲的延时程序、逻辑状态的真伪判别等。有时候，必须采用软件和硬件相结合的办法才能抑制干扰，常用的办法是设置一个定时器，从而保护程序正常运行。

由于电子技术应用广泛，而且各种干扰设备的辐射很复杂，要完全消除电磁干扰是不可能的。但是，根据电磁兼容性原理，可以采取许多技术措施减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性。例如，通信系统最初设计时，就应该严格进行现场电波测试，有针对性地选择频率及极化方式，避开雷达、移动通信等杂波干扰;高压线选择路径时，应尽量绕开无线电台或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽;接收设备与工业干扰源设备适当配置，使接收设备与各种工业干扰源离开一定距离;在微波通信电路设计中，为了减少干扰，可采用天线高低站方式调整微波电路反射点，并利用山头阻挡反射波，使之不能对直射波形成干扰。另外，微波铁塔是独立的高大建筑物，应采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。

5 结束语

电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其他设备联系在一起工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又不受任何不希望有的能量的影响。但由于电子技术应用广泛，而且各种干扰设备的辐射很复杂，要完全消除电磁干扰是不可能的。但是，根据电磁兼容性原理，可以采取许多技术措施减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性。

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