电磁兼容原理和抑制技术

电磁兼容原理和抑制技术(五)
区健昌

(续上期)

3!????

电磁屏蔽技术是抑制辐射干扰最有效的手段,所以是 电磁兼容抑制技术的重要组成部分之一。在进行电磁屏蔽 设计之前,要了解场论和近场、远场的定义,波阻抗和金 属屏蔽材料的阻抗,吸收损耗,反射损耗以及屏蔽效能的 计算等。
3/2!?????????

3/2/2!?????????

在球坐标中的电场分量(Eθ、Er)和磁场分量(Hф) 可以通过求解振荡偶极子的麦克斯韦尔方程获得。若偶极 子的长度 D λ,见图 1.5, 则有:
(1)

图 2.1 振荡偶极子的辐射场

面向前传播的能量密度,因为这个坡印廷矢量

是能

够透入屏蔽体表面的分量(

矢量是平行于屏蔽体表

面的分量它不透入屏蔽体的表面。)由上式可引导出近场和

》 》 》


远场的定义:

(2)

(1) 当 (λ/2πr)=1、即 r=λ/2π?约 1/6 波长)时,定义

为近场和远场之间的边界。 (3)
(2) 当 r 》λ/2π 时、定义为远场,这时称作平面波辐射

式中: Z0:自由空间阻抗; I:偶极子的短路电流; D:偶极子长度; θ:Eθ 与径向距离 r 的顶角; λ:对应 f=c/λ 的波长;

场,自由空间的波阻抗 Z0=Eθ/H=377Ω。 (3) 当 r λ/2π 时、定义为近场。若辐射源是电场则电
场波阻抗 Eθ/Hφ=Z0(λ/2πr) 由于 λ/2πr 》1,电场波阻抗 》平面波波阻抗 Z0,是个
高阻抗场。 (4) 当 r λ/2π 近场时,若辐射源是磁场则磁场波阻抗

r:从偶极子到观察点距离;

ψ:ψ=(2πf/λ)- ;

c:光速 =1/

=3×108 米 / 秒

Eθ/Hφ=Z0/(λ/2πr)。由于 λ/2πr 》1,磁场波阻抗 平面波波 阻抗 Z0?是个低阻抗场。
以上 (1) ~ (4) 伴生的物理过程可以通过图 2.2 辐射

从电磁屏蔽的观点,我们要讨论的是垂直于屏蔽体表 源、场强和距离之间的关系形象地表达出来。因为在近场

2009.09·

119

中屏蔽效能是按照高阻抗源的电场和低阻抗源的磁场给出 3/2/3!?????????

的,所以要掌握波阻抗随源距离之间的变化关系,见图 2.3。

所有均质材料的特征均由材料的固有阻抗——特征阻

在近场(或感应场)中伴生的电场随源距离的增加衰减了 1/r3 比磁场的衰减 1/r2 快,看出波阻抗随源距离的增加而 直线下降(20dB/10 倍频);在近场中伴生的磁场随源距离 的增加波阻抗直线上升(20dB/10 倍频);它们都在远场逐 渐逼近 377Ω。

抗来表示,其定义为:
(9)
式中:介质磁 ε 导率 μ=μ0×μr,其中 μ0:空气绝对磁 导率 =4×π×107 亨 / 米;μr:材料相对空气的磁导率。材 料介电常数 ε=ε0×εr,其中 ε0:空气绝对介电常数 =1/(36π× 109) 法 / 米;εr:材料相对空气的介电常数。电 σ:电导率, 姆欧 / 米。
对于空气由于电导率很小即 σ ωε,所以空气的固有

阻抗 =

= 377Ω;对于金属相对空气的电导率很大即

σ 》ωε,所以金属的固有阻抗 Zm 为:

(10)

》 》

图 2.2 辐射源、场强和距离之间的关系

金属固有阻抗与纯电阻的空气固有阻抗不同,它包含 电阻性与电感性两个分量。结果 Zm 既取决于金属磁导率又 取决于金属电导率。其 |Zm| 值为:
(11) 有时金属的固有阻抗 Zm 也用趋肤深度 表示:
(12)

式中:趋肤深度 δ 的定义为,在任何频率下电流振幅 衰减为金属表面电流的 1/e(37%) 处的金属表面厚度。其表 达式为:
(13)

对于满足 σ 》ωε 和 t 》δ 的金属 (10) 式可简化为:

图 2.3 波阻抗随源距离之间的变化关系

(14)

在近场中若我们令波阻抗为 Zw,源电路阻抗为 Zc 而 源电路尺寸 l λ 的所有情况,存在下列关系:

对于

(4)

对于

Zw ≈ Zc

(5)

对于 Zc=Z0 或

Zw ≈ Z0

(6)

对于 对于

Zw ≈ Zc

(7)

(8)

对于铜材的固有阻抗为:

微欧 / 米 2

(15)

是式中:σ=σcσr,其中 σc 是铜的电导率 =5.8×107 姆欧 / 米;σr 相对铜的金属电导率。
对于铜材的趋肤深度 δ 为:

厘米

(16)

对于金属的趋肤深度 δ 为:

厘米

(17)

最后图 2.4 给出各种金属的固有阻抗、趋肤深度与频

率的关系。

120

·2009.09

3/3/2!????????? 反射是由于空气-金属界面阻抗不匹
配引起的,其归一化反射系数是:

对于 K 》1

(21)

对于 K =1

(22)

对于 0 ≤ K 1

(23)



式中:K=Zw/Zm

(24)

图 2.4 各种金属的固有阻抗、趋肤深度与频率的关系

对于 K ≥ 1 即 Zw/Zm ≥ 1 时,K 可视为

3/3!????
屏蔽体对电磁能量提供的衰减量取决三种机理:第一 种是波从屏蔽体反射;第二种是进入金属的波在通过金属 时被吸收;第三种是当波通过金属后遇到金属反面时发生

电压驻波比。 空气-金属界面的归一化反射系数(即波从空气介质 传入金属)是:
(25)

的再反射(第一次再反射)。表征衰减量的质量因数是屏蔽

金属-空气界面的归一化反射系数(即波从金属介质

效能 SE,其定义为:

传入空气)是:

(18)

(26)

如果电场和磁场是在具有同一波阻抗的同一介质中测 量,则 (18) 可用场强来定义:

将 (19) 式展开可得损耗(屏蔽效能)表达式:

(19)

(27)

(20)

式中:

式中:EB,EA 表示按装屏蔽体前后的电场强度;Hb, Ha 表示按装屏蔽体前后的磁场强度。屏蔽效能的机理可以 形象地用图 2.5 表示,注意在下面都采用归一化参数:

γ 是传播常数 =α+jβ; α 是衰减常数; β 是相位常数; t 是金属厚度。

吸收损耗:

AdB=8.686αt

(28)

反射损耗:

RdB=20Log10(1+K)2/4K

(29)

再反射损耗

(30)

图 2.5 屏蔽体对平面波的屏蔽现象

(接下期)

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