電磁屏蔽技術基礎理論分析

朱四桃

摘要：科學技術的發展越來越多的電子設備進入社會各個角落，這些電子設備都會產生各自的電磁場和電磁輻射，為了抑制電磁場對電子設備的干擾和電磁輻射對人對設備的危害，基于屏蔽技術的理論，電磁屏蔽設備得到了廣泛的運用。

關鍵詞：電場 ?磁場 ?電磁屏蔽 ?衰減 ?屏蔽機房 ?屏蔽材料 ?冷軋鋼板

關于屏蔽的概念，不同文獻有不同的解釋。

1、像屏風那樣遮擋東西;

2、屏蔽是隔離電磁場干擾的措施;

3、屏蔽是利于技術手段對網絡不符合需要的內容進行過濾;

4、屏蔽是將電氣噪聲分流入地的導電金屬隔板

……

本文討論的屏蔽，相似于以上的第2項，即提高電子系統和電子設備電磁兼容性能力的屏蔽技術，是利用屏蔽體阻止或減少電磁量傳輸的一種措施，是對設備或電子裝置進行封閉的阻擋層，這個阻擋層就叫屏蔽體。

屏蔽體的性能用屏蔽效能來度量，也就是屏蔽體安放前后電場強度或磁場強度的比值：

式中，SE——屏蔽效能的倍數

E0——無屏蔽體時電場或磁場強度

E1——安放屏蔽體后電場或磁場的強度

屏蔽效能的數值范圍很寬，工程上用分貝（db）來表示，即： SE=

影響屏蔽效能的因素很多，比如，屏蔽材料的導電率、磁導率、屏蔽體的結構、被屏蔽體的頻率等等，還有屏蔽體離場源的距離有關。現實中，遠離的方法并不可取，它會加大設備的成本，影響設備的工作效率。所以，多數的情況下，是采用在干擾源和感受器之間加入屏蔽的技術。

屏蔽的形式有三種，一種是電場屏蔽，一種是磁場屏蔽，第三種是電磁屏蔽。電場屏蔽的原理比較簡單，它可以用電路理論來分析。

上圖，干擾源A的電位為UA，感受器B的感應電位為UB

C1——A和B間的分布電容

C2——感受器B的對地電容

由上圖可以看到減小電場感應的措施：

1、干擾源A和感受器B盡量遠離。（只是理論分析，無可操作性）

2、干擾源和感受器之間加入電屏蔽，導電的屏蔽體可以減少A、B間的分布電容。

干擾源和感受器之間加入屏蔽體后，屏蔽體必須接地，最好是屏蔽體直接接地。如果屏蔽體不接地，反倒增大了A、B間的電容耦。所以，這就是電磁屏蔽機房必須可靠接地的理論依據。

屏蔽體屏蔽性能的好壞還和屏蔽體的結構有關。那么，屏蔽體應該采用何種形態和結構呢？

由上圖還可以看出，如果A、B間加入屏蔽體，并且屏蔽體可靠接地，肯定能大大減少A和B間的分布電容，但是，電磁感應的原理是電磁場的感應，如果僅僅在A、B間簡單地加入平板型屏蔽體或線型屏蔽體，A、B之間還會有剩余電容，因為磁力線還可以從平板型或線型的四周穿過去，產生剩余電容，我們把它記作。所以屏蔽體的屏蔽效能取決于的大小，越大，屏蔽效能越差。試驗表明，A、B間放置不同形狀的屏蔽體，的值不同。那么，怎樣的屏蔽體形狀最佳呢？

最好的電磁屏蔽體形狀，從理論上分析，它應該和電磁場的形狀一致。

磁力線是人為假設的曲線，但又不是無依據的假設。磁力線有無數條。磁力線是立體的，閉合的，每條線都不相交且互相排斥。如果我們在玻璃板上放一個長方形的磁鐵，周圍撒上鐵粉，就可以看到磁場和磁力線的形狀了。磁力線呈直線或曲線，所謂直線，其實也是曲線，不過是“大曲若直”的原理。當然，磁場是立體的，磁力線也是立體的，所以，屏蔽體的形狀如果是一個橢圓形，應該是最理想的，但現實中橢圓形屏蔽體不具備可操作性。一個橢圓形的屏蔽體，其屏蔽體的用材、加工和屏蔽體內的空間都會造成很大的浪費。所以，現實中的屏蔽體從實用出發，大多都設計為方型的金屬空間。

根據電磁場的感應原理，盒型的屏蔽體肯定比板型亦即線性的屏蔽體屏蔽效能要好，全封閉的金屬屏蔽體肯定最為理想。但實際運用中那是不可能的，因為屏蔽體內需要工作人員進入工作。這樣一來，屏蔽體就要安裝門，窗，空調，防火裝置和必須的導線進入，當然，這些裝置和導線也需要屏蔽。其中，門、窗、空調、電源和防火裝置以及相應的導線進出需要安裝波導管和濾波器。有光纖進入屏蔽體時，由于光纖不含金屬，光纖從波導管進入就可以了。還有一種集成的光端機，專門連接光纖，省工省力，價格也不貴。屏蔽體內除電源外還需要安放工作用的電子設備，這些電子設備也需要加裝濾波器。于是，這就是一個集多種功能于一體的整體建筑，這樣的屏蔽體就是電磁屏蔽機房或叫電磁屏蔽室。

電磁屏蔽機房是實施現代信息保密措施的重要設備，其中電磁屏蔽門是電磁屏蔽室中最為關鍵的屏蔽部件，也是最容易出現電磁信號被干擾或信息泄露的部位。電磁屏蔽門是人員和設備進出的主要通道。如何更好地防止我們的保密信息從這個關鍵部位被干擾、被侵入或者自行逃逸，是電磁屏蔽行業面臨的課題之一 目前常用的屏蔽門有手動旋轉屏蔽門，電動旋轉屏蔽門，還有電動平移插刀門，電動平移氣囊門。為了保證屏蔽效果，專家門在屏蔽門的設計上動盡了心思。

屏蔽機房的形狀大多為長方形或正方形，有時需要根據用戶現場的位置設計形狀和尺寸。屏蔽機房的面積是根據用戶的需要和投資數額設計，最小的有幾平方米的，也有幾百平方米的。屏蔽機房的形狀也有設計成L型的，還有用戶為區別保密等級要求把屏蔽機房設計成多間的。多間的屏蔽機房除第一個屏蔽門外，內室也有門，內室的門也是屏蔽門，并且要設計成第一個屏蔽門關閉后內室的門才能打開的連動機構。

還有一種屏蔽體類似電磁屏蔽機房但又不等同于屏蔽機房，那就是屏蔽會議室。屏蔽會議室的面積一般比較大，是用來開保密會議的。它的結構殼體等同于電磁屏蔽機房，但沒有電子設備。它和電磁屏蔽機房的區別在于加裝了波導窗并且在會議室的內壁增加了隔音、消音板材，而電磁屏蔽機房不需要消音和隔音材料。

更又一種不同于電磁屏蔽機房也不同于屏蔽會議室的特殊屏蔽體，那就是屏蔽暗室。

屏蔽暗室不僅有屏蔽室的功能，也有屏蔽體的結構，它區別于屏蔽機房主要是用途不同，暗室的主要用途是用于多種電子數據的測試。暗室的建造考慮到建造成本，一般面積較小。暗室與屏蔽機房另外的不同是內部貼了昂貴的鐵氧體材料，放置了辟尖型吸波材料，為的是模擬空曠場地的環境以便于測試。所以，從建造成本來說，暗室比屏蔽室要高出許多，貴就貴在暗室內的吸波材料上。為什么要粘貼和放置這些吸波材料？這是電磁的特性決定的。電磁屏蔽室阻斷了內外的電磁信號，但里面的電磁波會在內壁反射，增大了分布電容。內壁加裝吸波材料，電磁反射波會被吸收，不會產生疊加電磁波的混波效應，測試樣品時，就不會產生電磁輻射干擾。對實驗環境要求不高的測試，比如傳導騷擾、靜電測試、浪涌測試、雷擊測試都是通過電源線進行，屏蔽機房內就可以測試。對于空間輻射、空間騷擾等空間帶來的問題或是抗干擾時對空間有特殊要求的測試就需要在暗室進行。

所有這些設計和設備，目的只有一個，就是為了減少分布電容和剩余電容，增強屏蔽效果。

試驗還表明，A、B間放置相同形狀的屏蔽體，屏蔽體的材料不同，的值不同。那么，應該選擇怎樣的屏蔽材料呢？

英國物理學家邁克爾.法拉第是電場屏蔽的發現人，他著名的試驗就是“法拉第籠”。后來，法拉第在試驗中又發現，被金屬網屏蔽的“法拉第籠”的中央，并不是絕對潔凈的空間，仍然有微弱的磁力線在籠的中央穿過，這個理論為后來的電磁屏蔽工作者提出了新的課題。比如在屏蔽體的材料選取上，專家發現，在時變場作用下，屏蔽體雖然有了良好的接地，但仍有電流流動，屏蔽材料不同，電流大小也不同。于是，為了減少屏蔽體上的電位差，專家建議選取更加導電的良導體銅或鋁，在高頻時，銅屏蔽體表面還應該鍍銀。這也是建造屏蔽體價格天價的原因所在。好在專家并沒有提出屏蔽體金屬板材的厚度要求，只要能滿足屏蔽體結構的剛性和強度就可以。由此，為降低屏蔽體的成本，行內專家就研制出了表層簿金屬，內襯非金屬的新型屏蔽材料。當然，非金屬的內襯材料必須要符合強度和阻燃的要求，這可以大大降低屏蔽材料的成本，目前國外多有使用，國外這種屏蔽材料的內襯是一種輕型有一定強度且能阻燃的塑料。國內則有最新的噴涂屏蔽材料出現，如石墨烯噴涂屏蔽涂料和稀土噴涂屏蔽材料。噴涂型屏蔽材料有價格低，易施工，被噴涂體可以多種材質選擇的優點。其原理就是在噴涂材料里加入了導電率高的金屬粉末，比如石墨，碳粉，銀粉等。可惜的是目前這種噴涂型屏蔽材料的屏蔽性和持久性能還沒有經過時間的考驗，施工工藝和維護保養也不太盡人意。

與電流相似，磁力線總是走磁阻最小（即磁導率最大）的路徑，磁阻小的材料常常就是導電性能好的材料（非金屬導電材料除外）。從物理性能來說，所有的金屬都導電，但導電的性能不同，它區別在常溫下的導電率。目前公認的是銀、銅、鋁的導電性能排在了第一、第二、第三。金金屬的導電性能也不錯，但它比不上前三位，有些尖端電子設備的電路鍍金，是考慮金金屬的穩定性。其他金屬比如鈹、鋰、錫、鋅的導電性能也好，但把它們作為純材質的屏蔽體用材，其成本將是天價，用戶無法承受。雖然鋁的導電率很好，成本相對銅金屬要低，卻有不易焊接、強度差、易變形、易氧化的問題。

所以，國內的屏蔽機房目前采用的屏蔽材料大多仍然是鐵金屬板材，主要是用戶和施工設計單位考慮屏蔽機房的建造成本和施工、維護等多種因素。從導電、導磁性能好的金屬來看，綜合各項指標，還是以鐵金屬最理想。鐵金屬加入了碳，就成了我們常說的鋼板。目前國內屏蔽機房的金屬板材選用最多的就是冷軋鋼板，占到已建造完成的屏蔽機房數量的98%以上。也有使用冷軋鋼板上鍍一層鋅金屬的鍍鋅鋼板，其性能和成本與冷軋鋼板相當。

冷軋鋼板是以熱軋鋼板為原料，室溫在再結晶溫度以下軋制，我國寶鋼、武鋼、鞍鋼均可大量生產，有多種GB型號，也可以承接量大的非標規格。冷軋鋼板由于軋制過程不加熱，不會出現熱軋鋼板常出現的麻點和氧化。冷軋鋼板表面光滑，低碳，有很好的導磁性能和焊接冷彎性能并且成本低于鋁金屬，還有易加工、易維護的特點。

還有一些非金屬材料導電性能也非常好，比如快離子導電陶瓷，還有一些高分子導電材料，比如石墨。金屬材料導電靠電子導電，非金屬材料導電靠離子導電，所以非金屬材料無法產生磁場，亦即無法導磁，所以我們的屏蔽體無法使用。

科學技術是向前發展的，我們可以在鐵金屬中加入其他金屬制成合金鋼板，比如鐵金屬中加入鉻金屬，這種合金鋼板就可以防銹。當然，合金鋼板的價格會大大高于冷軋鋼板。電磁屏蔽體的特殊性，電磁屏蔽材料的成本和無休止的漲價始終困擾著用戶和承建單位。我們可以考慮把較低價格的非金屬導電材料和鐵金屬結合，制作成既導電又導磁，成本低廉便于施工的新型屏蔽材料。這，是我們電磁屏蔽行業科技人員正在攻克的課題之一。

參考文獻：

[1]（京）新登字106號，蔣全興、呂仁清《電磁兼容性工程設計手冊》，國防工業出版社，1993年，第七章《屏蔽》，P526;

[2]何廣春《電磁屏蔽門低頻局部屏蔽效能分析》，載于哈爾濱工業大學主辦的省級雜志《中外企業家》2021年第10期，P273-274;

[3]何廣強《冷軋鋼板的生產工藝報告》，載于《天津冶金職業技術學院畢業設計論文集》，2017年4月24日，P36。