解析电磁屏蔽功能稳定性

　　前言

　　电子设备工作时产生的电磁能量发射会对周围的设备产生干扰。随着电子设备密集程度的增加，设备相互间的电磁干扰问题越来越严重。过去电子设备的电磁兼容性要求仅作为选择性要求，而现在已经成为电子设备必须满足的关键性指标之一。

　　电磁屏蔽（electromagnetic shield ）是指利用导电材料或铁磁材料制成的部件对大容量汽轮发电机定子铁心端部进行屏蔽，以降低由定子绕组端部漏磁在结构件中引起的附加损耗与局部发热的措施。在通信方面屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。

　　电磁兼容设计的目的有3个：首先，是使电子设备内部的电路互不产生干扰，这是起码的要求。由于现代设备工作的频率越来越高，数字电路和模拟电路混合的场合越来越多，要使设备能够可靠稳定地工作也是有一定难度的。第2，是使设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值。第3，是使设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗能力。

　　由于电子设备产生的电磁发射是设备内部的信号电流或电压产生的，因此，这些发射中包含了电压或电流的变化信息。当将这些信号中的信息提取出来时就获得了设备所处理的信息。这是1个特殊的电磁兼容问题，即TEMPEST问题。TEMPEST技术是美国国家安全局和国防部联合进行研究与开发的一个极其重要的项目。其研究内容主要有：信息处理设备的电磁泄漏机理（包括有用信息是通过何种途径、以何种方式载荷到辐射信号上去的，以及信息处理设备的电气特性和物理结构对泄漏的影响等）、信息辐射泄漏的防护技术（包括电气元件、电路及印制板的布局、设备结构、连线和接地对辐射泄漏的影响、各种屏蔽材料、屏蔽结构的屏蔽效果等，以期采用合理的方法和成本降低设备的电磁辐射强度）、有用信息的提取技术（包括信号接收技术和信号还原技术）、测试技术和标准（包括测试的内容、测试方法、测试要求、测试条件、测试仪器及测试结果分析等，并制定相应的测试标准）。

　　实现电磁兼容和TEMPEST防护的重要手段之一是电磁屏蔽。许多人不了解电磁屏蔽的原理，认为只要用金属做一个箱子，然后将箱子接地，就能够起到电磁屏蔽的作用。在这种概念指导下结果是失败。因为，电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素：一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。屏蔽体上有很多导电不连续点，主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏，如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料，消除不导电点。这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。在许多文献中将电磁屏蔽体比喻成液体密封容器，似乎只有当用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能够防止电磁波泄漏。实际上这是不确切的。因为缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波，取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时，并不会产生明显的泄漏。

　　一、 影响电磁屏蔽效能稳定性症结分析

　　在电磁兼容（EMC）和TEMPEST防护产品研制设计实践中，发现有诸多因素会造成电磁屏蔽系统不稳定或产生严重的电磁能量的发射和信息泄漏，而且这些因素是贯穿在由产品的设计到使用全过程的。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； b、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； c、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。 经查实是因为加工操作者未遵照设计图纸的技术要求，用“强水”作锡焊助焊剂，在焊接时热熔喷流到搭接口外，焊后没有认真清洗而造成金属表面锈蚀。

　　另外一个例子是焊缝的腐蚀问题。要保证屏蔽体的导电完整性，必须对结合处进行连续焊接。为了解决焊接长焊道变形的问题，通常在接合处采用点焊压接后，再镀镍而后用锡焊封缝。由于在电镀前要进行酸洗，往往这些酸洗液很难清洗干净，而残留在压接缝中，造成慢延腐蚀现象。这些均属于在生产加工过程中的质量控制环节问题而影响了电子产品在使用过程中电磁屏蔽效能的稳定性。

　　归结起来，影响屏蔽效能稳定性的原因有许多潜在的因素，也有时效的因素。它贯穿在设计阶段的设计观念和屏蔽材料、材质和表面处理的选择；生产、加工、装配的质量控制；使用、维护操作的正确性和在恶劣环境下对屏蔽界面的防护等。往往潜在的因素易被忽视。

　　二、 解决电磁屏蔽效能稳定性的方法

　　1 根据技术性能要求正确选用屏蔽材料

　　屏蔽体的制造选材和表面处理是制约屏蔽体屏蔽效能稳定性的重要因素。

　　屏蔽体的屏蔽效能由2部分构成，吸收损耗和反射损耗。当电磁波入射到不同介质的分界面时，会发生反射，于是减小了继续传播的电磁波的能量。由于反射造成的电磁波的衰减，称为反射损耗。

　　电磁场的性质决定于源的特性、源周围的介质特性、源到观察点的距离。距离源较近时，场的特性由源决定；较远时，由介质决定。由此，将源周围的区域分为 2个，即近场和远场。λ/2π以内的场叫近场或感应场。

　　近场时Eθ/Eφ称为波阻抗。辐射源为大电流、低电压时，波阻抗小于377Ω，磁场为主；辐射源为高电压、小电流时，波阻抗大于377Ω，电场为主。远场时E/H称为波阻抗，等于377Ω。随着距离的增加，电场中的电场分量衰减比磁场分量快，因此波阻抗下降；磁场波中的电场分量衰减比磁场分量慢，因此波阻抗增加。它的幅度按照指数规律衰减：

　　电磁衰减为原始强度的1/e或37%时，所传播的距离称为趋肤深度。趋肤深度的计算公式为：

　　趋肤深度的计算及概念是优选屏蔽材料的参考依据。常用金属的趋肤深度如表1所列（单位：in）。

　　表1 常用金属的趋肤深度

　　吸收损耗的计算公式：

　　式中d的单位为in；A的单位为dB。

　　从吸收损耗的公式可以得出以下结论：

　　屏蔽材料的厚度越大，吸收损耗越大。屏蔽材料的厚度每增加1个趋肤深度，吸收损耗增加约9dB。

　　屏蔽材料的磁导率越高，吸收损耗越大。

　　屏蔽材料的电导率越高，吸收损耗越大。

　　被屏蔽电磁波的频率越高，吸收损耗越大。

　　反射损耗与电磁波的波阻抗和屏蔽材料的特征阻抗有关。电场波的反射损耗大，磁场波的反射损耗小。屏蔽材料的导电性越高反射损耗越大。

　　综合屏蔽效能：低频时，由于趋肤深度很大，吸收损耗很小，屏蔽效能主要取决于反射损耗；而反射损耗与电磁波的阻抗关系很大，因此，低频时不同的电磁波的屏蔽效能相差很大。高频时，一方面反射损耗下降，另一方面由于趋肤深度减小，吸收损耗增加，屏蔽效能主要由吸收损耗决定。

　　当金属较薄时，电磁波在金属内的损耗很小，因此会在金属的2个表面上多次反射；而每次到达界面时，都会泄漏一部分能量。因此，会造成屏蔽体的额外泄漏。当屏蔽体较厚时，能量在金属内的损耗很大，多次反射造成的泄漏可以忽略。对于电场波，由于大部分能量在金属与空气的第1个界面反射，进入金属的能量很小。

　　低频磁场由于其频率较低，因此吸收损耗很小。又由于磁场的波阻抗很低，因此反射损耗也很小；而屏蔽材料的屏蔽效能由吸收损耗和反射损耗两部分构成，为了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必须想办法提高吸收损耗和反射损耗。提高吸收损耗，可以使用导磁率高的材料；但是，导磁率高的材料通常导电性不是很好，为了增加反射损耗，可以在高导磁率材料的表面增加1层高导电率材料，对于频率极低的磁场，即使使用较厚的高导磁率的材料仍达不到所需要的屏蔽要求。这时可以采用导磁率很高的材料，为磁场提供1条通路。使磁场绕过敏感器件。须要注意的是，高导磁材料容易发生饱和，其导磁率随着频率升高而降低；高导磁材料的导磁率对机械冲击很敏感，当材料受到加工冲击后，导磁率会大幅度降低，这在加工时要特别注意。

　　从磁屏蔽材料手册上给出的导磁率数据大多数是直流情况下的。在1kHz时，钢的磁屏蔽效能高于铜和铝，低于μ金属；在10kHz时，钢反而优于μ金属；而在100kHz时，钢、铜、铝等均优于μ金属。

　　2 屏蔽体接口良好的搭接工艺

　　电子设备屏蔽体金属部件之间的低阻抗连接又称为搭接。例如，电缆屏蔽层与机箱之间搭接、屏蔽体上不同部分之间的搭接、滤波器与机箱之间的搭接、不同机箱之间地线搭接等。

　　搭接通常是指在2种不同或相同金属之间的低阻抗连接。这里值得注意的是，不同金属搭接在一起时电位应尽量接近，以避免在恶劣环境中由于电位差造成金属发生电化学腐蚀的现象。接触面的腐蚀会导致接触阻抗变大而使屏蔽效能下降，因此要采取相应、有效的措施。在接口法兰处镀1层相近电位且导电良好的涂层。

　　屏蔽体金属部件之间的低阻抗连接的类型有多种，所采取的相应措施各不相同。处理不好潜在的因素，会直接影响屏蔽效能的稳定性，所以，屏蔽体接口处搭接技术及其工艺控制是非常重要的。

　　3 电磁密封衬垫的正确选用及安装方法

　　正确地选用和安装屏蔽性能好、抗盐雾、耐电化学腐蚀的电磁密封衬垫是保证屏蔽体屏蔽效能稳定性的重要手段。

　　常用的电磁密封衬垫及其性能有以下几种：

　　（1） 铍铜指形簧片——高频、低频时的屏蔽效能都较高，并且适用于滑动接触的场合。缺点是价格较高。

　　（2） 金属丝网套橡胶芯衬垫——低频时的屏蔽效能高，高频时的屏蔽效能较低。一般用在1GHz以下的场合。

　　（3） 螺旋管衬垫——高频、低频时的屏蔽效能都较高，特别是镀锡铍铜制成的螺旋管衬垫，具有很高的屏蔽效能。缺点是受到过量压缩时容易损坏。

　　（4）

　　导电橡胶——用不同导电填充物和橡胶制成，与金属丝网相反，低频时的屏蔽效能较低，而高频时的屏蔽效能较高，并且能够同时提供电磁密封和环境密封。缺点是较硬、弹性较差。新开发的双层导电橡胶克服了这些缺点。

　　（5） 蜂窝屏蔽通风板——抑制电磁波的泄漏。

　　另外还有导电布衬垫，这种衬垫非常柔软。适合不能提供较大压力的场合使用。

　　电磁屏蔽密封衬垫的使用要点和方法是：必须具有足够的形变才能提供足够的屏蔽效能，因此，必须保证衬垫上有足够的压力。压力太小，屏蔽效能低；压力过大，会造成衬垫损坏。安装衬垫的不同方法如图2所示。

　　图2（a） 安装衬垫的不同方法

　　图2（b） 在机柜门壁上正确安装衬垫的方法

　　图2（c） 在薄板金属盒上安装导电衬垫的方法

　　图2（d） 采用导电衬垫的开关

　　图2 电磁密封衬垫的安装方法

　　屏蔽衬垫安装好后，电子设备经过测试合格交付使用。使用一段时间后进行复测。如果发现安装衬垫的接口处有泄漏应及时采取措施，当衬垫或金属表面腐蚀污染不严重时，可以清洗金属衬垫或金属接触表面；腐蚀情况严重的，立即更换电磁密封衬垫。

　　4 屏蔽界面的防护措施

　　电子设备的屏蔽体是用金属材料制成的。在严酷的气候条件下，特别是在高温、高湿和大量工业气体污染或盐雾等恶劣环境中，金属材料特别容易遭受腐蚀。

　　由于金属表面和搭接界面的腐蚀和氧化，电子设备的屏蔽效能随着系统使用时间的推移而下降。很多例子表明金属搭接表面的接触阻抗和导电涂覆层表面阻抗会随着时间的推迟而增大，其变化速度取决于设备长期所处工作环境的恶劣程度。设计人员要根据环境条件，开发用在腐蚀环境下的电磁密封装置，包括综合进行密封设计、凸缘表面处理和材料选择；根据环境条件作防腐蚀、防潮湿、防盐雾的有效技术设计。

　　5 克服屏蔽体的基本设计缺陷

　　电磁兼容和TEMPEST防护是一项实践性很强的技术，决不是只了解有关理论就能解决实际问题的。具体地说电磁屏蔽设计的某些环节处理不好会给电磁兼容和 TEMPEST防护产品埋下潜在的不稳定隐患。

　　基本设计缺陷是设计人员不甚了解电磁屏蔽的原理，往往将静电屏蔽的原理应用到电磁屏蔽上。在静电屏蔽中，只要将屏蔽体接地，就能够获得较高的屏蔽效能；而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关，这是设计人员必须明确的。

　　正是这些因素的存在，使实际屏蔽体的屏蔽效能很难达到预期的效果。再有屏蔽体的接缝处理问题，性的接缝要求无阻抗连接，即不得有缝隙出现。这些因素使屏蔽体的设计成为一个较难的问题。在进行电磁屏蔽设计时，解决不好这些开口和贯通导体造成的屏蔽效能下降问题是基本缺陷。

　　解决上述问题的基本举措是：

　　通风口要安装通风波导蜂窝板，抑制电磁波的泄漏；显示窗口要安装100至200目金属网透明玻璃制成的屏蔽玻璃或透明的导电膜胶片；操作器件如按键、旋钮、开关、提示灯等通过隔离层上串接穿心电容及滤波功能的接插件来实现；穿出屏蔽体的电源电缆和信号电缆，除自身要用屏蔽电缆外，与屏蔽体的接口要做专用的电源滤波和信号滤波装置，其一是作好屏蔽，其二是抑制信号发射；不同部分的结合处要加屏蔽性能好、抗盐雾、耐化学腐蚀的电磁屏蔽密封衬垫，以保证连续、可靠的导电性能。常用的几种方法如图4所示。

　　对于性的接缝，采用连续性焊接；对于长焊缝处理，为防止机壳由于焊接变形，可采用先点焊后镀锡或镀镍处理后再进行锡焊的方法。使屏蔽体的几面构成一个实际的连续导电的实体，不得有缝隙泄漏现象出现。

　　结论

　　现代电子产品的一个主要特征是数字化、信息化、微处理器的应用十分普遍，而这些数字电路在工作时会产生很强的电磁干扰。因而，电磁干扰的问题呈现出前所未有的严重性。广泛使用的有以下具体的几种类型产品：添加银金属粉末的称之为"TF-801银导电漆";添加铜粉的称之为"TF-609铜导电漆";添加镍粉的为"TF-606镍导电漆";其中以"TF-801银铜导电漆"使用为广泛。因为相比TF-828银导电漆价格便宜很多，相比TF-606镍导电导电性能也相对好很多。EMI屏蔽材料的用户在开发表征屏蔽系统稳定性的技术数据库方面应起到积极的作用。这种数据库可以比较不同的导电的电磁密封衬垫，屏蔽体及法兰盘材料和涂覆层在不同环境下的性能。