说起屏蔽罩,做射频的肯定再熟悉不过了。

 

板子很容易受别人影响啊,加个罩子吧;

 

可是屏蔽罩到底是基于一个什么原理呢?今天,我就试着来扒一扒。

 

静电屏蔽

所谓静电屏蔽,指的是屏蔽静电场。静止的电荷产生静电场;运动的电荷产生电场和磁场,即电磁场。

 

静电屏蔽,大概情形是这样的。

 

有一个中空导体,比如说有一个铁房子,而你站在铁房子里面,铁房子周围有很强的静电场或者被闪电击中带了电,你在铁房子里,啥也感觉不到。

 

同样的,如果你站在铁房子里,兜里还揣着个电量为q的电荷,则在外面的人看来,铁房子外表面也会有电量为q的电荷,而不管你揣着电荷走到铁房子的哪个角落,对外界看来,铁房子外表面的电荷分布都不会变。如果这种情况下,把铁房子外表面接地,那么不管你铁房子内部的电场如何分布,都不会影响到外界的电场。

 

因此,静电屏蔽可以总结为:

一个接地的中空导体,可以使得腔体内外的电场互不影响。

 

这个现象,可以通过高斯定理来推导出来。

 

上图说明,如果在壳体外面放电,壳体里面什么也感觉不到。

 

 

上图说明了,当壳体外导体接地时,壳体内部电场的变化,壳体外部也感受不到。

 

电磁场屏蔽

如果涉及的不是静电场,而是快速变化的电场的话,而快速变化的电场会产生磁场。所以屏蔽罩对电磁场屏蔽的机理又是什么呢?

 

先甩一个定义,就是屏蔽罩的屏蔽有效性。

 

将入射到屏蔽罩表面的电/磁场与进入到屏蔽罩里面的电/磁场的比值,称为屏蔽有效性(shielding effectness)。

 

 

假设干扰源为远场源,因为如果是近场干扰源的话,分析方法又会有点不一样。

 

一般屏蔽罩都符合以下两个条件:

(1) 良导体,所以,其中

 

为屏蔽罩的本征阻抗( intrinsic impedance)。

 

为自由空间的本征阻抗。

 

(2) 屏蔽罩的厚度t>>δ,其中δ为在入射频率下,屏蔽罩的趋肤深度。

 

电磁波入射到屏蔽罩表面时,有一部分会被反射,一部分入射进入屏蔽罩。

 

一般屏蔽罩都是良导体,因此进入到屏蔽罩的电磁场会以e-z/δ的速度衰减。其中,δ即是指趋肤深度(skin depth)。也就是说,如果屏蔽罩的厚度远大于趋肤深度δ的话,那进入到屏蔽罩的电磁场会大幅度的衰减。

 

所以,屏蔽罩的屏蔽有效性,主要取决于反射损耗,入射衰减(其实还有一个,就是多次反射损耗,这个暂时不考虑)。

 

如下图所示,假设屏蔽罩的厚度为t,当电磁波打到屏蔽罩的左侧面时,有一部分波被反射,有一部分波进入屏蔽罩内(注意,这里说的屏蔽罩内,是指金属厚度t内,不是屏蔽罩中空的那部分),然后该部分波经过一定的衰减后,再打到屏蔽罩的右侧面(下图以及以下计算,是先假设入射衰减为0),然后入射到屏蔽罩中空的部分。

 

 

反射损耗

   可以从电场和磁场两个方面看一下反射损耗。

 

   电场的反射损耗

 

 

由上图可知,因为η1≪η0,所以电场在屏蔽罩左侧面传输系数要远小于右侧面的传输系数。

 

 

由上图可知,电场在屏蔽罩的左侧面和右侧面都基本全反射,类似电路中的短路和开路。

 

但是,因为Ei进入到屏蔽罩内的E1本身就已经很小了,所以就算电场在右侧面会全反射,也影响不了什么。

 

 

 

磁场的反射损耗

 

 

 

 

所以,磁场和电场在入射到屏蔽罩上时,在完全穿过屏蔽罩的厚度时,两者的反射损耗相等;但是呢,电场的反射损耗主要发生在屏蔽罩的左侧,磁场的反射损耗主要发生在屏蔽罩的右侧。

 

也就是说,当电磁波打到屏蔽罩上时,电场大部分被反射了,能进入屏蔽罩内部的只是少数;但是磁场呢,是大部分进入到屏蔽罩内部,然后想从屏蔽罩到其中空内部时,才会反射大部分。再次强调一下,这边的屏蔽罩内部是指其金属厚度内,如下图所示。

 

 

吸收损耗

上面计算反射损耗时,计算左侧面和右侧面的传输系数时,用的都是E1,是假设电磁波在屏蔽罩金属内部是没有衰减的。

 

但其实电场是会以e-t/δ的速度衰减。其中,δ是屏蔽罩的趋肤深度。

 

所以,吸收损耗为:

 

总体损耗

 

不考虑多重反射损耗的影响,则屏蔽罩的有效损耗为:LOSS(dB)=reflection loss(dB)+absortion loss(dB)

 

 

屏蔽罩的反射损耗随着频率的升高而降低;屏蔽罩材料的导电性越高,隔离效果越好;磁性材料会降低屏蔽罩的反射损耗。

 

 

频率升高,屏蔽罩的厚度增加,屏蔽罩的导电率的提高以及磁性材料,都能增加屏蔽罩的吸收损耗。

 

以下两副图,给出了导体材料和磁性材料,在不同频率下的不同损耗的数值。

 

 

由上面两幅图可知:

对于铜(σr=1,μr=1)来说,

在频率<2MHz左右时,reflection loss>absortion Loss

在频率>2MHz左右时,reflection loss<absortion loss

 

对于钢来说(σr=0.1,μr=1000)

在频率<20KHz左右时,reflection loss>absortion Loss

在频率>20KHz左右时,reflection loss<absortion loss

 

所以,在低频的时候,普通的导体和磁性材料的屏蔽罩,都是反射损耗起主要作用;而在高频后,磁性材料的吸收损耗快速增加,从而使得屏蔽罩的屏蔽性能提高。

 

 

参考文献:

Introduction to electromagnetic compatibility   CLAYTON R. PAUL

网易公开课,《电与磁》