低频电磁屏蔽效能研究＊

向春清 丁 飞

（91919部队 黄冈 438000）

1 引言

随着通信电子、电源技术的高速发展，设备的灵敏度越来越高，低频电磁辐射干扰现象越来越受到重视，减少低频电磁辐射对弱电设备的影响研究也越来越重要。电磁屏蔽作为有效解决电磁波辐射或传导危害问题的重要手段之一[1]，得到广泛的重视和运用。为解决低频段（60Hz～800Hz）的辐射危害问题，应对电磁屏蔽技术进行更深入的理解，研究电磁屏蔽效能与屏蔽体结构、源特性的关系。

2 电磁屏蔽技术原理

电磁屏蔽用于减弱由某些辐射源所产生的空间某个区（不含源本身）内的电磁场结构，以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体将需要屏蔽的区域封闭起来，主要利用金属屏蔽体阻止或衰减电磁骚扰能量的传输，形成电磁隔离[2]。根据辐射源处于屏蔽体的内外，电磁屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽指辐射源处于屏蔽体内部，限制内部辐射的电磁能量泄露；被动屏蔽指辐射源处于屏蔽体外部，防止或减弱外部辐射的电磁能量对屏蔽体内部的影响。电磁屏蔽按屏蔽原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

2.1 电场屏蔽

电场屏蔽主要是为了防止两个回路间的寄生电容耦合，采用低电阻材料制成屏蔽壳体，切断屏蔽内外的电力线交连。电场屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，屏蔽体必须良好接地。电场屏蔽以反射损耗为主。

2.1.1 静电屏蔽

用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，屏蔽体良好接地，在屏蔽体的内侧感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现等量的正电荷通过接地体流入大地，实现带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。

2.1.2 交变电场屏蔽

为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰，可在辐射源和敏感电路间设置良好接地的金属屏蔽体。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压取决于交变电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻的大小。

2.2 磁场屏蔽

磁场屏蔽是抑制辐射源和敏感设备间由于磁场耦合产生的干扰，把磁力线封闭在屏蔽体内，阻挡内部磁场向外扩散或外部磁力线进入，为屏蔽体内外的磁场提供低磁阻的通路来分流磁场。磁场屏蔽以吸收损耗为主。低频磁场屏蔽利用高磁导率材料构成低磁阻通路，屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽效果越好，通常采用磁性材料如铁、钢、坡莫合金等进行屏蔽。高频磁场的屏蔽利用低电阻率的良导体料产生的涡流的反向磁场来抑制或抵消辐射磁，通常采用铝、铜及铜镀银等材料屏蔽[3]。

2.3 电磁屏蔽

电磁屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽，一般采用电导率高的材料作为屏蔽体，并将屏蔽体良好接地，利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反向的涡流磁场与原磁场抵消而抑制高频磁场的干扰，屏蔽体良好接地实现电场屏蔽。良导电材料同时具有对电场和高频磁场屏蔽的作用，由于高集肤效应，屏蔽体以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。

3 屏蔽效能

屏蔽效能（SE）表现屏蔽体对电磁波的衰减程度，定义为：屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点的场强之比[4]。常用分贝（dB）表述。

式中An为吸收损耗，A0为反射损耗，B为多次反射损耗。对于低频范围电磁屏蔽主要考虑低频、低阻抗磁场屏蔽。

3.1 磁场反射损耗

由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同，使入射电磁波产生反射作用。对于低阻抗场，磁场的反射将完全小于电场的反射，场的阻抗随距离和频率而变化，磁场源近场中的反射损耗为

式中f为频率（Hz），σγ为相对电导率，μγ为相对磁导率，r为辐射源到屏蔽体的距离（cm）。

3.2 吸收损耗

进入金属屏蔽体内的电磁能量边向前传输边衰减，入射波在金属体内被有效地吸收，吸收损耗与波阻抗无关，与金属的厚度成正比，与集肤深度成反比，吸收损耗An（dB）为

式中l屏蔽材料的厚度（mm）。

3.3 多次反射损耗

当An＞10dB时，多次反射损耗可忽略不计。当An没有远大于5时，电磁波在屏蔽体内部的多次反射是显著的，多次反射损耗为

式中Zm为屏蔽金属的电磁波阻抗，Zw为空气的电磁波阻抗。

3.4 组合屏蔽体的屏蔽

在屏蔽要求很高的情况下，单层屏蔽往往难以满足要求，需要采用多层混合结构的组合屏蔽体。双层屏蔽体的吸收系数S和反射系数分别为

式中S1、S2、P1、P2分别为两层屏蔽体的吸收衰减系数和反射衰减系数。双层屏蔽体的屏蔽效能为

多层屏蔽体的吸收系数和反射系数可连续按照两层屏蔽体的办法求取，从而确定多层屏蔽体的屏蔽效能[5]。

4 屏蔽体的主要特性及规律

由屏蔽效能分析可知，低阻抗磁场屏蔽效果取决于电磁辐射源频率、屏蔽体厚度，屏蔽材料导电率和导磁率等因素[6]。导磁材料分为强磁材料（铁磁性物质，如铁、钢等金属）和抗磁材料（如铜等金属）。抗磁屏蔽体和强磁屏蔽体的频率特性曲线见图1[5]，在0～f1（3kHz～10kHz）的低频范围和f2（1MHz）以上区域，强磁屏蔽体比抗磁屏蔽体屏蔽效果好，在f1和f2范围内，抗磁屏蔽体比强磁屏蔽体屏蔽效果好。

当采用强磁材料做屏蔽材料时，要考虑其磁饱和特性，不能让材料处于磁饱和状态，否则材料的屏蔽性能会大幅下降。根据常用碳素钢磁变化特性，可计算出几种碳素钢的H－μr曲线见图2。

图1 屏蔽体的频率特性曲线

图2 碳素钢的H－曲线

单层钢板、铜板对60Hz低阻抗磁场的屏蔽效能（dB）见表1。不同间隔的双层25＃钢板对60Hz低阻抗磁场的屏蔽效能（dB）见表2。由表中数据可知，对于低阻抗磁场屏蔽，多层屏蔽体层间间隔对屏蔽效能影响较小，屏蔽体各层厚度越厚，屏蔽效果越好。电磁屏蔽门和孔隙对屏蔽效能有较大影响[7～9]，在工程实践中要针对具体要求进行特殊屏蔽技术处理。

表1 钢板、铜板对60Hz低阻抗磁场的屏蔽效能

表2 不同间隔的双层钢板对60Hz低阻抗磁场的屏蔽效能

5 低频屏蔽体工程实现及实际效能测试

图3 低频磁场屏蔽效能测试结果

为减少大电流高压调压器对周围设备和人员的辐射危害，对其进行电磁屏蔽处理。辐射源位于屏蔽体中心，屏蔽体采用双层钢板方体屏蔽结构，外层壳体与墙面绝缘并良好接地，屏蔽门采用双层钢板屏蔽门，通风窗安装截止波导窗[10]处理。根据国家标准 GB12190－2006《高性能电磁屏蔽室屏蔽效能的测量》，在60～800Hz低频范围采用小环法测量，辐射信号源与接收天线距离屏蔽体30cm处，接收设备采用数字示波器和小环天线，屏蔽体的低频磁场屏蔽效能测试结果见图3，实际测试结果与计算模拟值相近。

6 结语

在讨论电磁屏蔽技术原理的基础上，本文分析了低频范围内（60～800Hz）的电磁屏蔽效能，屏蔽体的主要特性和规律，单层钢板、铜板和不同间隔双层钢板对60Hz低频阻抗磁场的屏蔽效能。在工程实践上运用双层钢板屏蔽体屏蔽高压大电流调压器的电磁辐射危害，根据国家标准GB12190－2006运行小环法在60Hz～800Hz频率范围内进行了屏蔽效能测试，有效解决了低频范围的电磁辐射危害问题。

随着屏蔽材料技术的进展[11]，出现了工业硅钢、铁镍合金、导电高分子聚合物以及非晶型屏蔽材料和纳米材料等新型材料，尤其是铁镍合金在低频磁场中的屏蔽效果非常好，由于造价等因素，在工程实践上使用较少，有些材料还在实验室研究阶段，但应用前景广阔。本文讨论的低频屏蔽技术可应用于变电站、低频电磁泄漏、低频电磁干扰等需要电磁屏蔽的工程场合。

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