电磁屏蔽基本原理介绍

利用这个特性，可以达到屏蔽电磁波，同时实现一定实体连通的目的。方法是，将波导管的截止频率设计成远高于要屏蔽的电磁波的频率，使要屏蔽的电磁波在通过波导管时产生很大的衰减。由于这种应用中主要是利用波导管的频率截止区，因此成为截止波导管。截止波导管的概念是屏蔽结构设计中的基本概念之一。常用的波导管有圆形、矩形、六角形等，它们的截止频率如下：

矩形波导管的截止频率：fc=15×109 /l式中：l是矩形波导管的开口最大尺寸，单位是cm，fc 的单位是Hz。

圆形波导管的截止频率：fc=17.6×109 /d式中：d是圆形波导管的内直径，单位是cm，fc 的单位是Hz。

六角形波导管的截止频率：fc=15×109 /w式中：w是六角形波导管的开口最大尺寸，单位是cm，fc 的单位是Hz。

截止波导管的吸收损耗：落在波导管频率截止区内的电磁波穿过波导管时，会发生衰减，这种衰减称为截止波导管的吸收损耗，截止波导管的吸收损耗计算公式如下

A=1.8×fc×t×10-9（1-（f /fc）2）1/2 （dB）

式中：t是截止波导管的长度，单位是cm，f 是所关心信号的频率（Hz），fc是截止波导管截止频率（Hz）。如果所关心的频率f远低于截止波导管截止频率（f﹤fc/5），则公式化简为：A=1.8×fc×l×10-9 （dB）

圆形截止波导管： A=32t/d （dB）

矩形（六角形）截止波导管： A=27t/l （dB）

从公式中可以看出，当干扰的频率远低于波导管的截止频率使，若波导管的长度增加一个截面最大尺寸，则损耗增加将近30分贝。

截止波导管的总屏蔽效能：截止波导管的屏蔽效能由吸收损耗部分加上前面所讨论的孔洞的屏蔽效能不能满足屏蔽要求时，就可以考虑使用截止波导管，利用截止波导管的深度提供的额外的损耗增加屏蔽效能。

16. 截止波导管的注意事项与设计步骤

在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic Interference）能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下，其重要性就显得更为突出。

屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构，确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。

屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（Shielding Effectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强 1（ 1）和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 2（ 2）之比，用dB（分贝）表示。

图1 屏蔽效能定义示意图

屏蔽效能表达式为 (dB) 或 （dB）

工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成(图2)。因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。

图2 两类基本源在空间所产生的叠加场

金属网可以屏蔽电磁波传播的原理是什么？

首先，不是衍射。

我们都做过直流电路实验，导线就是金属，也就谈不上屏蔽（静电屏蔽是指接地金属罩，屏蔽静电场）。电磁波辐射，是关于时变电磁场的问题，导体对其影响大不相同。

如果利用趋肤效应，解释的实际上是金属板屏蔽电磁场原理。

• 对于一个金属板（良导体），电磁波从一面辐射而来，大部分能量被反射，小部分能量进入金属，该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减（能量转化为表面电流），当金属层过薄时，电磁波就会穿透金属层继续传播。对于同一频率电磁波，电导率越高，衰减越快。对于相同金属材料，电磁波频率越高，衰减越快。

• 定义：趋肤深度，电磁波传输一个趋肤深度的距离后，振幅衰减到原来的36.8%，能量衰减到13.5%。对于相同金属材料，电磁波频率越高，趋肤深度越小。

• 例：10GHz电磁波。银，电导率6.173e7(S/m)，趋肤深度6.4e-7(m)，即0.64微米；1GHz电磁波，趋肤深度20.24e-7(m)，即2.24微米。【1】

那么，同材料的金属板，频率越高，趋肤深度越小，对辐射防御能力是越强。

回归正题，金属网屏蔽电磁场原理，（趋肤效应解释波导也有用到，不是重点）。

• 先说矩形波导，四壁是金属，电磁波在波导中的介质中传播。金属网实际上就是下图中许许多多的矩形波导叠放组合在一起，z方向长度再缩短些就是了。 • 为何电磁波不会从金属网的窟窿中穿透呢？对于金属网，每一个网孔都是一个波导。借用光的粒子说，电磁波像弹球一样，进入网孔波导后，来回在金属壁上反弹，曲折前进。【2】

• 为满足金属壁这一边界条件下的Maxwell方程，对于相同规格的矩形波导，频率越低（波长越大），theta越大；当波长大于等于截止波长时，theta=90°，电磁波只上下弹跳，不前进了。

• 截止波长=2a（a为上上图中的矩形波导长边），若孔径指半径，孔径=a/2，则波长大于4倍孔径的电磁波就会被屏蔽。“金属网孔形式若为矩形整齐排列，金属网孔径小于电磁波波长的1/4时，则电磁波不能透过金属网”有相当大的参考意义。尽管考虑到网孔的密集大量排布，不一定是1/4，但也差不多少。

电磁屏蔽的基本原则

屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于屏蔽体的结构。屏蔽体要满足电磁屏蔽的基

本原则。电磁屏蔽的基本原则有两个：

一般除了低频磁场外，大部分金属材料可以提供100dB以上的屏蔽效

能。但在实际工作中，要达到80dB以上的屏蔽效能也是十分困难的。这是

因为:

1）屏蔽体的导电连续性：

这指的是整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。这一点在实现起

来十分困难。因为一个完全封闭的屏蔽体是没有任何使用价值的。一个实用

的机箱上会有很多孔缝造成屏蔽：通风口、显示口、安装各种调节杆的开

口、不同部分的结合缝隙等。由于这些导致导电不连续的因素存在，如果设

计人员在设计时没有考虑如何处理，屏蔽体的屏蔽效能往往很低，甚至没有

屏蔽效能。

2）不能有直接穿过屏蔽体的导体：