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孔洞和缝隙的电磁泄漏与对策!

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。但在实际中,常见的情况是金属做成的屏蔽体,并没有这么高的屏蔽效能,甚至几乎没有屏蔽效能。这是因为许多设计人员没有了解电磁屏蔽的关键。 

电磁屏蔽材料
 
首先,需要了解的是电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。这与静电场的屏蔽不同,在静电中,只要将屏蔽体接地,就能够有效地屏蔽静电场。而电磁屏蔽却与屏蔽体接地与否无关,这是必须明确的。 
 
电磁屏蔽的关键点有两个,一个是保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。另一点是不能有穿过机箱的导体。对于一个实际的机箱,这两点实现起来都非常困难。
 
首先,一个实用的机箱上会有很多孔洞和孔缝:通风口、显示口、安装各种调节杆的开口、不同部分结合的缝隙等。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝,同时不会影响机箱的其他性能(美观、可维性、可靠性)。
 
其次,机箱上总是会有电缆穿出(入),至少会有一条电源电缆。这些电缆会极大地危害屏蔽体,使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝。妥善处理这些电缆是屏蔽设计中的重要内容之一(穿过屏蔽体的导体的危害有时比孔缝的危害更大)。
 
当电磁波入射到一个孔洞时,其作用相当于一个偶极天线(图1),当孔洞的长度达到λ/2时,其辐射效率最高(与孔洞的宽度无关),也就是说,它可以将激励孔洞的全部能量辐射出去。
  
对于一个厚度为0材料上的孔洞,在远场区中,最坏情况下(造成最大泄漏的极化方向)的屏蔽效能(实际情况下屏蔽效能可能会更大一些)计算公式为:
SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)] (dB)  若 L ≥λ/2,SE = 0  (dB) 
公式中各量:L = 缝隙的长度(mm),H = 缝隙的宽度(mm),f = 入射电磁波的频率(MHz)。
  
在近场区,孔洞的泄漏还与辐射源的特性有关。当辐射源是电场源时,孔洞的泄漏比远场时小(屏蔽效能高),而当辐射源是磁场源时,孔洞的泄漏比远场时要大(屏蔽效能低)。近场区,孔洞的电磁屏蔽计算公式为:
 
若ZC >(7.9/D·f):SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
若Zc<(7.9/D·f):SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]  
公式中:Zc=辐射源电路的阻抗(Ω),D = 孔洞到辐射源的距离(m),L、H = 孔洞长、宽(mm),f = 电磁波的频率(MHz)
  
说明:
  
● 在第二个公式中,屏蔽效能与电磁波的频率没有关系。
● 大多数情况下,电路满足第一个公式的条件,这时的屏蔽效能大于第二中条件下的屏蔽效能。
● 第二个条件中,假设辐射源是纯磁场源,因此可以认为是一种在最坏条件下,对屏蔽效能的保守计算。
● 对于磁场源,屏蔽效能与孔洞到辐射源的距离有关,距离越近,则泄漏越大。这点在设计时一定要注意,磁场辐射源一定要尽量远离孔洞。
 
多个孔洞的情况:当N个尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距离小于λ/2)时,造成的屏蔽效能下降为20lgN1/2。在不同面上的孔洞不会增加泄漏,因为其辐射方向不同,这个特点可以在设计中用来避免某一个面的辐射过强。
  
除了使孔洞的尺寸远小于电磁波的波长,用辐射源尽量远离孔洞等方法减小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以减小孔洞的泄漏,这就是截止波导的原理。
 
一般情况下,屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触,只能在某些点接触上,这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。减小缝隙泄漏的方法有: 
  
● 增加导电接触点、减小缝隙的宽度,例如使用机械加工的手段(如用铣床加工接触表面)来增加接触面的平整度,增加紧固件(螺钉、铆钉)的密度;
● 加大两块金属板之间的重叠面积;
● 使用电磁密封衬垫,电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫,那么,对于电磁波而言,就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样,不会发生电磁波的泄漏。 
 
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