金属材料低频磁场屏蔽效能研究

金属材料低频磁场屏蔽效能研究

吴逸汀盛卫星韩玉兵马晓峰张仁李

(南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

摘要通过分析低频电磁波的屏蔽效能公式,综合考虑材料电磁、物理等特性,选取了五种金属作为屏蔽机箱的材料.分别测试了材料的电导率和相对磁导率,通过屏蔽公式和仿真软件比较了它们的低频磁场屏蔽效能.选用三种金属加工成屏蔽机箱,进行低频磁场屏蔽效能.测试机箱的低频磁场屏蔽效能实测结果与仿真结果基本一致.结果表明:坡莫合金对低频磁场的屏蔽效能最好,0Cr13不锈钢屏蔽效能比坡莫合金稍差,但比其他材料要好,而且其性价比高,可以用于一些需要一定低频磁场屏蔽的场合.

关键词电磁屏蔽;低频;0Cr13;屏蔽效能;屏蔽机箱

中图分类号TN4

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0673-06

AbstractBy analyzing the low-frequency (LF) magnetic shielding effectiveness formulation, five metal materials were chosen as shielding box with consideration of the electromagnetic properties, physical properties, etc. The conductivity and relative permeability of each material respectively. According to the shielding effectiveness formulation and the simulation results, the shielding effectiveness of different materials was investigated and compared. Then, we also measured LF magnetic shielding effectiveness of three metal boxes in different frequencies. It turns out that testing and simulation results match well. The results show that permalloy box owns the best LF magnetic shielding effectiveness. Although 0Cr13 behaves slightly worse than permalloy in LF magnetic shielding effectiveness, it is better than all other materials. In addition, 0Cr13 has good cost performance. Consequently, it is advisable to apply 0Cr13 as the material of shielding box when a certain LF magnetic shielding effectiveness is demanded.

收稿日期：2014-08-10

作者简介

The simulation and testing analysis on low-frequency

magnetic shielding effectiveness of metal materials

WU YitingSHENG WeixingHAN YubingMA XiaofengZHANG Renli

(SchoolofElectronicandOpticalEngineering,NanjingUniversityofScienceand

Technology,NanjingJiangsu210094,China)

Key wordselectromagnetic shielding; low frequency; 0Cr13; shielding effectiveness; shielding box

资助项目: 国家自然科学基金(No.61471196;No.11273017)

联系人： 盛卫星 E-mail: shengwx@njust.edu.cn

引言

近些年,电磁防护逐渐成为了电磁兼容领域的研究热点.一方面,研究发现,在工业生产中,低频磁场(<100 kHz)的干扰会使得周围电子电路设备无法正常使用[1-2].特别是大电流低频干扰,会在周边产生强大的电磁场;医学研究也发现,低频强磁场对人体肌肉组织的影响很大[3],长期在低频磁场辐射环境中生产休息的人体,发生各种肿瘤癌变、白血病等多种疾病的概率是正常人的4～6倍,高强度持续的低频磁场辐射会危害人体的健康;另一方面,雷电脉冲、高功率微波武器产生的电磁脉冲也会影响电子设备的正常使用,甚至会损害高灵敏的电子设备.因此,研究低频磁场的电磁屏蔽对民用和军用领域都是非常有必要的.

不同于高频磁场屏蔽,低频磁场的屏蔽是一项艰巨的任务[4].在工程中,电子电路设备暴露在复杂电磁环境下,这会对其正常工作造成很大的干扰,设计低频磁场屏蔽机箱是必要的.

学者们在低频磁场的屏蔽研究中发现,机箱材料的选取对屏蔽效能的影响有着非常大的影响[5],铁磁性物质(铁,钢等)由于材料强度、结构特性、耐腐蚀性和价格因素等是低频磁场屏蔽的一类很好的材料.综合考虑上述因素,本文对选取五种金属(坡莫合金、0Cr13不锈钢、45号钢、1Cr18Ni19Ti不锈钢和铁)的低频磁场特性做了理论公式计算、CST仿真和实验测试.经过比较,发现0Cr13不锈铁具有明显优于其他三种材料的低频磁场屏蔽性能.虽然其低频磁场屏蔽性能稍逊于坡莫合金,但0Cr13作为常用不锈钢具有价格低廉的特点,性价比较高.

1理论分析

1.1屏蔽效能

电磁屏蔽表示同时对电场和磁场进行屏蔽,通常我们用屏蔽效能(Shielding Effectiveness)来表示.屏蔽效能定义为:存在屏蔽的情况下,电场(或磁场)在某点的绝对值,与无屏蔽状态下电场(或磁场)在该点的绝对值之比[5].常用分贝(dB)表示.

当电磁波入射到一块无限大屏蔽平板时,一部分能量被平板所反射,称之为反射损耗(Rm);另一部分能量透射入平板内,在透射过程中一部分能量被吸收掉,称之为吸收损耗(A);当剩下的能量透射到平板另一侧时,又发生反射(小部分能量透射入屏蔽平板的后面).被反射回屏蔽平板的能量再经过吸收和反射,如此反复,直到全部衰减和透射入屏蔽平板的后面.这多次的反射和吸收损耗称之为再反射损耗(Rr).

1.2磁场屏蔽效能

对于频率较低的干扰源,磁场的屏蔽效能(SEH)往往小于电场的屏蔽效能(SEE),在进行电磁屏蔽分析时,主要考虑材料对磁场的屏蔽效能.应用传输线理论可以导出材料的磁场屏蔽效能经验公式[6]

SEH=Rm+A+Rr;

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: f为频率，Hz; μr为屏蔽材料的相对磁导率; Gr为该屏蔽材料相对于铜的电导率; r表示屏蔽平板与源的距离，cm; t表示屏蔽平板的厚度,mm; Zm为屏蔽平板所采用金属导体的阻抗,Ω; Zw为波阻抗,Ω.需要注意的是再反射损耗始终是一个负数,它需要从总屏蔽效能中减去才能得到正确的增益.通常当A大于15dB时,Rr可忽略不记.

对于磁场,当r<λ/2π时,波阻抗可表示为

Zw=377×2πr/λ.

(5)

式中: r为屏蔽平板与源的距离,m; λ为波长，m.

金属导体的阻抗[7]可表示为:

(6)

式中: ω为角频率; μ0为真空磁导率; σ为屏蔽材料的电导率.

1.3屏蔽材料的选择

根据式(1)～(6)可知,低频磁场屏蔽效果取决于屏蔽平板厚度t、屏蔽材料相对电导率σ和相对磁导率μr以及干扰源距离屏蔽体的距离r等因素.

选取高磁导率、高电导率的屏蔽材料能有效地提高机箱对低频干扰的屏蔽效能.现阶段市场上有着许多高磁导率材料,能产生非常优异的屏蔽效果.综合考虑材料强度、结构特性、耐腐蚀性和价格等因素,大多数情况下,还是选用金属材料作为首选.考虑到材料的屏蔽效能和价格,本次实验的理论分析、仿真和测试选取了五种金属材料:坡莫合金、0Cr13不锈铁、45号钢、1Cr18Ni19Ti不锈钢和铁.

2实验结果分析

2.1材料电磁参数测试

坡莫合金的电磁参数可以方便地获得(相对磁导率和电导率分别取保守值2×104S/m和5×107S/m).虽然另外几种材料在市面上都是比较常见的金属材料,但是其具体的电磁参数并没有明确给出.测试低频下这四种材料的电导率[8]和磁导率.图1所示为测试实验中所使用的材料样品.

图1　测试用各材料样品

根据公式:

μr=Ll/μ0N2S;

(7)

σ=4l/πd2R.

(8)

得到四种材料的相对磁导率和电导率,如表1所示.

表1　四种材料电磁参数测试结果

利用表1中的电磁参数,应用式(1)～(6).可以得到这四种材料的低频磁场屏蔽效能(50～100 kHz),如图2所示.

图2　四种材料理论公式屏蔽效能

由图2,高相对磁导率的0Cr13不锈钢拥有明显优于其他3种材料的低频磁场屏蔽效能.1Cr18Ni19Ti、45号钢和铁的低频磁场屏蔽效果并不理想,特别是1Cr18Ni19Ti不锈钢,低频磁场屏蔽效能和0Cr13不锈钢相差了100 dB.为了更好地说明材料的低频磁场屏蔽效能,下面进行了材料的低频屏蔽效能仿真CST仿真.

2.2仿真分析

在五种材料中:坡莫合金具有很好的低频磁场屏蔽性能,但其价格很高;0Cr13不锈钢和45号钢价格便宜,屏蔽效能未知.这三种材料具有各自的特点,由于条件限制，选择这三种材料来进行仿真对比来寻找一种性价比高的低频磁场屏蔽材料.应用CST中的MWS工作室建立如图3所示模型,仿真这三种材料的低频磁场屏蔽效能.

图3　CST仿真模型

图3中机箱长宽高分别为500 mm、500 mm、300 mm,厚2 mm.在x轴方向靠右面的正中间位置,做了一个长宽高分别为300 mm、300 mm、50 mm的门.在z轴正方向面正中心向下220 mm处开了一个直径10 mm的孔.

仿真中为了能很好地模拟低频低阻抗源的特征,同时为了能和实测结果进行对比,采用了图3中的单匝直径为300 mm的细线天线作为激励.激励信号为对应测试频点的方波大电流信号.磁场探针放在机箱的中心位置.经过仿真,三种材料的低频磁场屏蔽效能如图4所示.

图4　三种材料的磁场屏蔽效能-CST仿真结果

由图4,可以发现坡莫合金屏蔽效能比0Cr13不锈钢好10 dB左右,而0Cr13不锈钢又比45号钢好9 dB左右.坡莫合金具有较高的低频磁场屏蔽效能的主要原因是高磁导率.而0Cr13不锈钢虽然屏蔽性能比坡莫合金稍差,但是和45号钢比有着明显的优势.45号钢的低频磁场屏蔽效能较一般,和另外两种材料相比有着较大的差距.需要注意的是,市面上坡莫合金的价格非常高,而0Cr13不锈钢和45号钢则便宜很多.

为了验证CST仿真结果的正确性,我们对三种材料的机箱进行了加工,并分别测试了它们的低频磁场屏蔽性能[7].

2.3屏蔽性能测试

测试过程中为了将接收天线和光电转换装置放入机箱内部,在机箱正面(x轴方向靠右的面)中间开了一个长宽高分别为300 mm、300 mm、50 mm的门,并在机箱侧面(z轴正方中心向下220 mm处)开了一个直径10 mm的孔.门与机箱接口处的孔缝会对结果造成很大的影响[9-10],采用单刀双簧片的设计可以确保开口处的可靠电连接,有效消除门对机箱屏蔽效能影响[11].

测试的简单示意图如图5所示,测试的照片如图6所示.

图5　测试示意图

图6　低频磁场屏蔽效能测试图

具体的测试过程:图5中左侧圆环为发射天线,用大功率低频方波信号源激励.右侧接收天线得到的电压信号经过其底座的光电转换装置转换为光信号,光纤通过机箱侧面预留的小孔通到屏蔽室中,最后经过转换显示到示波器上.

实验总共测试了3种金属材料分别在8个频点(50、100、200、500、1 000、2 000、5 000、10 000 Hz)的磁场屏蔽效能.将测试得到的屏蔽效能曲线和仿真得到的进行对比,如图7所示.

图7　仿真与测试所得磁场屏蔽效能对比

分析图7可知仿真和测试得到的屏蔽效能曲线基本一致.比较图2和图7,理论公式得到的屏蔽效能和仿真实测的存在着误差(40 dB),主要原因是式(1)～(6)的计算准确度会随着收发天线距离的缩小变小.另外由于式(1)～(6)描述的是无限大金属平板的屏蔽效能,这和仿真和实验中测试的屏蔽机箱并不相同(测试用屏蔽机箱的长与首发天线半径比k=3.333,并没有远远大于1).

3结论

文中给出了一种应用理论公式与商用仿真软件CST寻找高效低频磁场屏蔽材料的方法.通过理论公式预估,用CST仿真来确认材料的屏蔽效能,最后对实际加工后的机箱进行实验测试验证.仿真结果和实测结果基本一致.研究还发现0Cr13不锈钢材料具有较强的低频磁场屏蔽性能.需要注意的是,0Cr13不锈钢是一种常见的不锈钢材料,被广泛应用于工业中.相对于坡莫合金的高昂价格,0Cr13更廉价,同时其不错的强低频磁场屏蔽效能(比坡莫合金差10 dB左右)可以为冶金工业、日常电子设备以及国家安全领域等需要一定低频磁场屏蔽效能的场合提供性价比很高的屏蔽效果.

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吴逸汀(1991-),男,江苏人,南京理工大学博士研究生,主要从事电磁兼容和电磁场数值计算等方面的研究.

盛卫星(1966-),男,江苏人,南京理工大学通信工程系教授,博士,中国兵工学会电磁技术专业委员会副主任委员,中国电子学会天线分会委员,中国兵工学会坦克装甲车专业委员会委员,主要研究方向为目标电磁散射特性建模及其应用、阵列天线、智能天线.

韩玉兵(1971-),男,江苏人,博士生导师,南京理工大学通信工程系教授,博士,中国计算机学会多媒体专业委员会委员，中国兵工学会会员,主要研究方向为微波系统和天线设计中的优化算法、多输入多输出(MIMO)天线系统等.

马晓峰(1981-),男,江苏人,南京理工大学通信工程系讲师,主要研究方向为阵列信号处理、软件无线电等.

张仁李(1986-),男,江苏人,南京理工大学通信工程系讲师,主要研究方向为阵列信号处理、恒虚警检测等.

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