电磁屏蔽技术基础理论分析

朱四桃

摘要：科学技术的发展越来越多的电子设备进入社会各个角落，这些电子设备都会产生各自的电磁场和电磁辐射，为了抑制电磁场对电子设备的干扰和电磁辐射对人对设备的危害，基于屏蔽技术的理论，电磁屏蔽设备得到了广泛的运用。

关键词：电场  磁场  电磁屏蔽  衰减  屏蔽机房  屏蔽材料  冷轧钢板

关于屏蔽的概念，不同文献有不同的解释。

1、像屏风那样遮挡东西;

2、屏蔽是隔离电磁场干扰的措施;

3、屏蔽是利于技术手段对网络不符合需要的内容进行过滤;

4、屏蔽是将电气噪声分流入地的导电金属隔板

……

本文讨论的屏蔽，相似于以上的第2项，即提高电子系统和电子设备电磁兼容性能力的屏蔽技术，是利用屏蔽体阻止或减少电磁量传输的一种措施，是对设备或电子装置进行封闭的阻挡层，这个阻挡层就叫屏蔽体。

屏蔽体的性能用屏蔽效能来度量，也就是屏蔽体安放前后电场强度或磁场强度的比值：

式中，SE——屏蔽效能的倍数

E0——无屏蔽体时电场或磁场强度

E1——安放屏蔽体后电场或磁场的强度

屏蔽效能的数值范围很宽，工程上用分贝（db）来表示，即： SE=

影响屏蔽效能的因素很多，比如，屏蔽材料的导电率、磁导率、屏蔽体的结构、被屏蔽体的频率等等，还有屏蔽体离场源的距离有关。现实中，远离的方法并不可取，它会加大设备的成本，影响设备的工作效率。所以，多数的情况下，是采用在干扰源和感受器之间加入屏蔽的技术。

屏蔽的形式有三种，一种是电场屏蔽，一种是磁场屏蔽，第三种是电磁屏蔽。电场屏蔽的原理比较简单，它可以用电路理论来分析。

上图，干扰源A的电位为UA，感受器B的感应电位为UB

C1——A和B间的分布电容

C2——感受器B的对地电容

由上图可以看到减小电场感应的措施：

1、干扰源A和感受器B尽量远离。（只是理论分析，无可操作性）

2、干扰源和感受器之间加入电屏蔽，导电的屏蔽体可以减少A、B间的分布电容。

干扰源和感受器之间加入屏蔽体后，屏蔽体必须接地，最好是屏蔽体直接接地。如果屏蔽体不接地，反倒增大了A、B间的电容耦。所以，这就是电磁屏蔽机房必须可靠接地的理论依据。

屏蔽体屏蔽性能的好坏还和屏蔽体的结构有关。那么，屏蔽体应该采用何种形态和结构呢？

由上图还可以看出，如果A、B间加入屏蔽体，并且屏蔽体可靠接地，肯定能大大减少A和B间的分布电容，但是，电磁感应的原理是电磁场的感应，如果仅仅在A、B间简单地加入平板型屏蔽体或线型屏蔽体，A、B之间还会有剩余电容，因为磁力线还可以从平板型或线型的四周穿过去，产生剩余电容，我们把它记作。所以屏蔽体的屏蔽效能取决于的大小，越大，屏蔽效能越差。试验表明，A、B间放置不同形状的屏蔽体，的值不同。那么，怎样的屏蔽体形状最佳呢？

最好的电磁屏蔽体形状，从理论上分析，它应该和电磁场的形状一致。

磁力线是人为假设的曲线，但又不是无依据的假设。磁力线有无数条。磁力线是立体的，闭合的，每条线都不相交且互相排斥。如果我们在玻璃板上放一个长方形的磁铁，周围撒上铁粉，就可以看到磁场和磁力线的形状了。磁力线呈直线或曲线，所谓直线，其实也是曲线，不过是“大曲若直”的原理。当然，磁场是立体的，磁力线也是立体的，所以，屏蔽体的形状如果是一个椭圆形，应该是最理想的，但现实中椭圆形屏蔽体不具备可操作性。一个椭圆形的屏蔽体，其屏蔽体的用材、加工和屏蔽体内的空间都会造成很大的浪费。所以，现实中的屏蔽体从实用出发，大多都设计为方型的金属空间。

根据电磁场的感应原理，盒型的屏蔽体肯定比板型亦即线性的屏蔽体屏蔽效能要好，全封闭的金属屏蔽体肯定最为理想。但实际运用中那是不可能的，因为屏蔽体内需要工作人员进入工作。这样一来，屏蔽体就要安装门，窗，空调，防火装置和必须的导线进入，当然，这些装置和导线也需要屏蔽。其中，门、窗、空调、电源和防火装置以及相应的导线进出需要安装波导管和滤波器。有光纤进入屏蔽体时，由于光纤不含金属，光纤从波导管进入就可以了。还有一种集成的光端机，专门连接光纤，省工省力，价格也不贵。屏蔽体内除电源外还需要安放工作用的电子设备，这些电子设备也需要加装滤波器。于是，这就是一个集多种功能于一体的整体建筑，这样的屏蔽体就是电磁屏蔽机房或叫电磁屏蔽室。

电磁屏蔽机房是实施现代信息保密措施的重要设备，其中电磁屏蔽门是电磁屏蔽室中最为关键的屏蔽部件，也是最容易出现电磁信号被干扰或信息泄露的部位。电磁屏蔽门是人员和设备进出的主要通道。如何更好地防止我们的保密信息从这个关键部位被干扰、被侵入或者自行逃逸，是电磁屏蔽行业面临的课题之一 目前常用的屏蔽门有手动旋转屏蔽门，电动旋转屏蔽门，还有电动平移插刀门，电动平移气囊门。为了保证屏蔽效果，专家门在屏蔽门的设计上动尽了心思。

屏蔽机房的形状大多为长方形或正方形，有时需要根据用户现场的位置设计形状和尺寸。屏蔽机房的面积是根据用户的需要和投资数额设计，最小的有几平方米的，也有幾百平方米的。屏蔽机房的形状也有设计成L型的，还有用户为区别保密等级要求把屏蔽机房设计成多间的。多间的屏蔽机房除第一个屏蔽门外，内室也有门，内室的门也是屏蔽门，并且要设计成第一个屏蔽门关闭后内室的门才能打开的连动机构。

还有一种屏蔽体类似电磁屏蔽机房但又不等同于屏蔽机房，那就是屏蔽会议室。屏蔽会议室的面积一般比较大，是用来开保密会议的。它的结构壳体等同于电磁屏蔽机房，但没有电子设备。它和电磁屏蔽机房的区别在于加装了波导窗并且在会议室的内壁增加了隔音、消音板材，而电磁屏蔽机房不需要消音和隔音材料。

更又一种不同于电磁屏蔽机房也不同于屏蔽会议室的特殊屏蔽体，那就是屏蔽暗室。

屏蔽暗室不仅有屏蔽室的功能，也有屏蔽体的结构，它区别于屏蔽机房主要是用途不同，暗室的主要用途是用于多种电子数据的测试。暗室的建造考虑到建造成本，一般面积较小。暗室与屏蔽机房另外的不同是内部贴了昂贵的铁氧体材料，放置了辟尖型吸波材料，为的是模拟空旷场地的环境以便于测试。所以，从建造成本来说，暗室比屏蔽室要高出许多，贵就贵在暗室内的吸波材料上。为什么要粘贴和放置这些吸波材料？这是电磁的特性决定的。电磁屏蔽室阻断了内外的电磁信号，但里面的电磁波会在内壁反射，增大了分布电容。内壁加装吸波材料，电磁反射波会被吸收，不会产生叠加电磁波的混波效应，测试样品时，就不会产生电磁辐射干扰。对实验环境要求不高的测试，比如传导骚扰、静电测试、浪涌测试、雷击测试都是通过电源线进行，屏蔽机房内就可以测试。对于空间辐射、空间骚扰等空间带来的问题或是抗干扰时对空间有特殊要求的测试就需要在暗室进行。

所有这些设计和设备，目的只有一个，就是为了减少分布电容和剩余电容，增强屏蔽效果。

试验还表明，A、B间放置相同形状的屏蔽体，屏蔽体的材料不同，的值不同。那么，应该选择怎样的屏蔽材料呢？

英国物理学家迈克尔.法拉第是电场屏蔽的发现人，他著名的试验就是“法拉第笼”。后来，法拉第在试验中又发现，被金属网屏蔽的“法拉第笼”的中央，并不是绝对洁净的空间，仍然有微弱的磁力线在笼的中央穿过，这个理论为后来的电磁屏蔽工作者提出了新的课题。比如在屏蔽体的材料选取上，专家发现，在时变场作用下，屏蔽体虽然有了良好的接地，但仍有电流流动，屏蔽材料不同，电流大小也不同。于是，为了减少屏蔽体上的电位差，专家建议选取更加导电的良导体铜或铝，在高频时，铜屏蔽体表面还应该镀银。这也是建造屏蔽体价格天价的原因所在。好在专家并没有提出屏蔽体金属板材的厚度要求，只要能满足屏蔽体结构的刚性和强度就可以。由此，为降低屏蔽体的成本，行内专家就研制出了表层簿金属，内衬非金属的新型屏蔽材料。当然，非金属的内衬材料必须要符合强度和阻燃的要求，这可以大大降低屏蔽材料的成本，目前国外多有使用，国外这种屏蔽材料的内衬是一种轻型有一定强度且能阻燃的塑料。国内则有最新的喷涂屏蔽材料出现，如石墨烯喷涂屏蔽涂料和稀土喷涂屏蔽材料。喷涂型屏蔽材料有价格低，易施工，被喷涂体可以多种材质选择的优点。其原理就是在喷涂材料里加入了导电率高的金属粉末，比如石墨，碳粉，银粉等。可惜的是目前这种喷涂型屏蔽材料的屏蔽性和持久性能还没有经过时间的考验，施工工艺和维护保养也不太尽人意。

与电流相似，磁力线总是走磁阻最小（即磁导率最大）的路径，磁阻小的材料常常就是导电性能好的材料（非金属导电材料除外）。从物理性能来说，所有的金属都导电，但导电的性能不同，它区别在常温下的导电率。目前公认的是银、铜、铝的导电性能排在了第一、第二、第三。金金属的导电性能也不错，但它比不上前三位，有些尖端电子设备的电路镀金，是考虑金金属的稳定性。其他金属比如铍、锂、锡、锌的导电性能也好，但把它们作为纯材质的屏蔽体用材，其成本将是天价，用户无法承受。虽然铝的导电率很好，成本相对铜金属要低，却有不易焊接、强度差、易变形、易氧化的问题。

所以，国内的屏蔽机房目前采用的屏蔽材料大多仍然是铁金属板材，主要是用户和施工设计单位考虑屏蔽机房的建造成本和施工、维护等多种因素。从导电、导磁性能好的金属来看，综合各项指标，还是以铁金属最理想。铁金属加入了碳，就成了我们常说的钢板。目前国内屏蔽机房的金属板材选用最多的就是冷轧钢板，占到已建造完成的屏蔽机房数量的98%以上。也有使用冷轧钢板上镀一层锌金属的镀锌钢板，其性能和成本与冷轧钢板相当。

冷轧钢板是以热轧钢板为原料，室温在再结晶温度以下轧制，我国宝钢、武钢、鞍钢均可大量生产，有多种GB型号，也可以承接量大的非标规格。冷轧钢板由于轧制过程不加热，不会出现热轧钢板常出现的麻点和氧化。冷轧钢板表面光滑，低碳，有很好的导磁性能和焊接冷弯性能并且成本低于铝金属，还有易加工、易维护的特点。

还有一些非金属材料导电性能也非常好，比如快离子导电陶瓷，还有一些高分子导电材料，比如石墨。金属材料导电靠电子导电，非金属材料导电靠离子导电，所以非金属材料无法产生磁场，亦即无法导磁，所以我们的屏蔽体无法使用。

科学技术是向前发展的，我们可以在铁金属中加入其他金属制成合金钢板，比如铁金属中加入铬金属，这种合金钢板就可以防锈。当然，合金钢板的价格会大大高于冷轧钢板。电磁屏蔽体的特殊性，电磁屏蔽材料的成本和无休止的涨价始终困扰着用户和承建单位。我们可以考虑把较低价格的非金属导电材料和铁金属结合，制作成既导电又导磁，成本低廉便于施工的新型屏蔽材料。这，是我们电磁屏蔽行业科技人員正在攻克的课题之一。

参考文献：

[1]（京）新登字106号，蒋全兴、吕仁清《电磁兼容性工程设计手册》，国防工业出版社，1993年，第七章《屏蔽》，P526;

[2]何广春《电磁屏蔽门低频局部屏蔽效能分析》，载于哈尔滨工业大学主办的省级杂志《中外企业家》2021年第10期，P273-274;

[3]何广强《冷轧钢板的生产工艺报告》，载于《天津冶金职业技术学院毕业设计论文集》，2017年4月24日，P36。