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电磁屏蔽效能评估和测试方法研究

杨凤辉

中国科学院云南天文台,云南昆明,650216

摘要: 电磁屏蔽工程在设计时要对所选用电磁屏蔽材料的屏蔽性能进行评估,屏蔽工程完成之后要对电磁屏蔽效能进行测试,是评价电磁屏蔽工程是否满足设计要求和使用要求的必须手段。本文对材料的电磁屏蔽原理进行了介绍,给出了材料电磁屏蔽的计算公式,并划分电磁屏蔽效能的等级。对电磁屏蔽效能测试方法进行了研究,对同轴电缆、屏蔽柜体的电磁屏蔽效能测试技术进行了详细介绍,对于电磁屏蔽工程的验收测试具有指导意义。
关键词: 电磁屏蔽原理;电磁屏蔽效能;屏蔽效能测试
DOI:10.12721/ccn.2022.157112
基金资助:国家自然科学基金(11903080)
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1前言

电磁屏蔽是以减弱由某个辐射源或者是场所发出的电磁信号,有效的控制电磁信号的传播,保证每部的电磁信号不流传出去。采用低电阻的导体材料,在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化,从而减弱源电磁场的辐射效果。

2屏蔽材料屏蔽效能

2.1 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的技术。当交变电磁场通过屏蔽体时,在外表面反射了一部分,通过屏蔽体的辐射在屏蔽体内又有部分被吸收,电磁屏蔽原理如图1所示[1][2]。

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图1电磁屏蔽原理示意图

常见电磁屏蔽材料:表层导电型屏蔽材料,包括导电涂料、金属箔、电镀塑料等,其最大的优点是成本低,简单实用适用面广;金属敷层屏蔽材料,通过金属熔融喷射、非电解电镀等方法使高分子绝缘材料的表面获得很薄的导电金属层;填充复合型屏蔽材料,由绝缘性好的合成树脂和具有优良导电性能的导电填料及其他添加剂组成,经注射或挤压成型加工制成[3]。

银、铜、铝等相对电导率大,电磁屏蔽效果以反射损耗为主;而铁和铁镍合金等相对磁导率大,电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主。材料的导电性越好,屏蔽效果越好;随着频率升高,屏蔽效果下降。

2.2 电磁屏蔽效能评估

电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量,屏蔽效能可用电磁场在入射屏蔽体前后的功率比值的对数表示[4]:

25.png               (1)

式中,P1—电磁场进入屏蔽体前的功率;

P2—电磁场经过屏蔽体后的功率。

也可用屏蔽体屏蔽损耗来表示,电磁屏蔽效能是信号频率和材料参数的函数。金属材料的电磁屏蔽效能为电磁波的反射损耗、电磁波的吸收损耗与电磁波在屏蔽材料内部多次反射的损耗之和。

26.png          (2)

式中,A1—屏蔽体的功率吸收损耗;

A2—屏蔽体两个边界上的功率反射损耗;

A3—屏蔽体内多次反射功率损耗。

吸收损耗:1739932093462453.png   (3)

反射损耗  1739932100972847.png (4)

  1739932166665804.png              (5)

式中, 1739932227279131.png—是相对磁导率;

1739932272826604.png—相对于铜的电导率;

1739932314802322.png—电磁波信号频率;

t—金属屏蔽体厚度。

经过反射损耗和吸收损耗之后,电磁能量已经衰减很小,多次反射损耗可以忽略不计。

根据计算出来的电磁屏蔽效能的大小,划分为如下几个等级:

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3电磁屏蔽效能测试方法

各个场合在进行电磁屏蔽工程完成之后,一定要进行屏蔽效能的测试,不能满足工程设计要求的,要整改直至合格。电磁屏蔽测试仪器设备如下:

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测试评率应该能覆盖屏蔽工程设计的频率范围,相应频段内测试中心频率点参照国家或军队无线电管理机构规定的频率列表。

同轴法兰屏蔽效能测试:样品尺寸直径φ=112mm,d(厚度)小于2,依照GJB 6190-2008 电磁屏蔽材料屏蔽效能测试方法,如图2所示。

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图2 法兰同轴测试法

屏蔽室之间屏蔽效能测试:

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图3 屏蔽墙体屏蔽效能测试示意图

屏蔽体(包括屏蔽室或各种屏蔽箱、屏蔽柜)屏蔽效能测试:

通用的高频盒低频信号发射盒接收系统体积都比较大,不能直接放入屏蔽机柜体内。解决这个问题优三种方案:

一是在屏蔽体上安装同轴屏蔽接口,把传感器放置于屏蔽体内,通过屏蔽同轴电缆接口与外面相连;二是把传感器放置于屏蔽体内,加入光电转换装置,把电信号转换为光信号,用光纤从屏蔽体的波导窗中引出,再把光信号转换为电信号;三是研制专门点频信号源,使点频信号源能够适应屏蔽体大小的要求。

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图4同轴电缆开孔测试法

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图5光纤转换测试法

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图6点频信号源测试法

4 总结

电磁屏蔽工程完成之后,能够准确测试并正确评估其屏蔽效能非常重要,目前针对机柜来说,大多只进行低频辐射泄漏测试,不能完全评价屏蔽效果,高频段内,采用了同轴电缆开口测试法、光纤测试法、定制点源信号法。但是同轴电缆开孔测试法破坏了屏蔽体的结构,光纤法设备过于复杂,波导窗的位置盒性能直接决定了测试的可靠性,点频信号源法简单并接近于实际使用,是今后的研究重点。

参考文献

[1] 林鸿宾,陆万顺.电磁屏蔽原理及电磁屏蔽玻璃[J].玻璃,2008,(3):39-42.

[2] 顾金良,王松岩,李安源.电子设备的屏蔽效能分析及设计方法[J].情报指挥控制系统与仿技,2004,26(4):76-80.

[3] 宋斌,黄月文等.电磁屏蔽材料的研究进展[J].广州化学,2021,46(1):1-7.

[4] 姚.电磁屏蔽服屏蔽效能测试方法研究[D].郑州:中原工学院, 2013.

作者简介:杨凤辉(1988-),男,云南昆明人,工程师,硕士,主要从事电磁兼容和机电控制技术研究。