你知道屏蔽罩為啥能屏蔽么？

說(shuō)起屏蔽罩，做射頻的肯定再熟悉不過(guò)了。

板子很容易受別人影響啊，加個(gè)罩子吧；

可是屏蔽罩到底是基于一個(gè)什么原理呢？今天，我就試著來(lái)扒一扒。

靜電屏蔽

所謂靜電屏蔽，指的是屏蔽靜電場(chǎng)。靜止的電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，即電磁場(chǎng)。

靜電屏蔽，大概情形是這樣的。

有一個(gè)中空導(dǎo)體，比如說(shuō)有一個(gè)鐵房子，而你站在鐵房子里面，鐵房子周?chē)泻軓?qiáng)的靜電場(chǎng)或者被閃電擊中帶了電，你在鐵房子里，啥也感覺(jué)不到。

同樣的，如果你站在鐵房子里，兜里還揣著個(gè)電量為q的電荷，則在外面的人看來(lái)，鐵房子外表面也會(huì)有電量為q的電荷，而不管你揣著電荷走到鐵房子的哪個(gè)角落，對(duì)外界看來(lái)，鐵房子外表面的電荷分布都不會(huì)變。如果這種情況下，把鐵房子外表面接地，那么不管你鐵房子內(nèi)部的電場(chǎng)如何分布，都不會(huì)影響到外界的電場(chǎng)。

因此，靜電屏蔽可以總結(jié)為：

一個(gè)接地的中空導(dǎo)體，可以使得腔體內(nèi)外的電場(chǎng)互不影響。

這個(gè)現(xiàn)象，可以通過(guò)高斯定理來(lái)推導(dǎo)出來(lái)。

上圖說(shuō)明，如果在殼體外面放電，殼體里面什么也感覺(jué)不到。

上圖說(shuō)明了，當(dāng)殼體外導(dǎo)體接地時(shí)，殼體內(nèi)部電場(chǎng)的變化，殼體外部也感受不到。

電磁場(chǎng)屏蔽

如果涉及的不是靜電場(chǎng)，而是快速變化的電場(chǎng)的話(huà)，而快速變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以屏蔽罩對(duì)電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理又是什么呢？

先甩一個(gè)定義，就是屏蔽罩的屏蔽有效性。

將入射到屏蔽罩表面的電/磁場(chǎng)與進(jìn)入到屏蔽罩里面的電/磁場(chǎng)的比值，稱(chēng)為屏蔽有效性(shielding effectness)。

假設(shè)干擾源為遠(yuǎn)場(chǎng)源，因?yàn)槿绻墙鼒?chǎng)干擾源的話(huà)，分析方法又會(huì)有點(diǎn)不一樣。

一般屏蔽罩都符合以下兩個(gè)條件：

(1) 良導(dǎo)體，所以，其中

為屏蔽罩的本征阻抗( intrinsic impedance)。

為自由空間的本征阻抗。

(2) 屏蔽罩的厚度t>>δ,其中δ為在入射頻率下，屏蔽罩的趨膚深度。

電磁波入射到屏蔽罩表面時(shí)，有一部分會(huì)被反射，一部分入射進(jìn)入屏蔽罩。

一般屏蔽罩都是良導(dǎo)體，因此進(jìn)入到屏蔽罩的電磁場(chǎng)會(huì)以e-z/δ的速度衰減。其中，δ即是指趨膚深度(skin depth)。也就是說(shuō)，如果屏蔽罩的厚度遠(yuǎn)大于趨膚深度δ的話(huà)，那進(jìn)入到屏蔽罩的電磁場(chǎng)會(huì)大幅度的衰減。

所以，屏蔽罩的屏蔽有效性，主要取決于反射損耗，入射衰減(其實(shí)還有一個(gè)，就是多次反射損耗，這個(gè)暫時(shí)不考慮)。

如下圖所示，假設(shè)屏蔽罩的厚度為t，當(dāng)電磁波打到屏蔽罩的左側(cè)面時(shí)，有一部分波被反射，有一部分波進(jìn)入屏蔽罩內(nèi)（注意，這里說(shuō)的屏蔽罩內(nèi)，是指金屬厚度t內(nèi)，不是屏蔽罩中空的那部分），然后該部分波經(jīng)過(guò)一定的衰減后，再打到屏蔽罩的右側(cè)面（下圖以及以下計(jì)算，是先假設(shè)入射衰減為0），然后入射到屏蔽罩中空的部分。

反射損耗

   可以從電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩個(gè)方面看一下反射損耗。

   電場(chǎng)的反射損耗

由上圖可知，因?yàn)?eta;1?η0，所以電場(chǎng)在屏蔽罩左側(cè)面?zhèn)鬏斚禂?shù)要遠(yuǎn)小于右側(cè)面的傳輸系數(shù)。

由上圖可知，電場(chǎng)在屏蔽罩的左側(cè)面和右側(cè)面都基本全反射，類(lèi)似電路中的短路和開(kāi)路。

但是，因?yàn)镋i進(jìn)入到屏蔽罩內(nèi)的E1本身就已經(jīng)很小了，所以就算電場(chǎng)在右側(cè)面會(huì)全反射，也影響不了什么。

磁場(chǎng)的反射損耗

所以，磁場(chǎng)和電場(chǎng)在入射到屏蔽罩上時(shí)，在完全穿過(guò)屏蔽罩的厚度時(shí)，兩者的反射損耗相等；但是呢，電場(chǎng)的反射損耗主要發(fā)生在屏蔽罩的左側(cè)，磁場(chǎng)的反射損耗主要發(fā)生在屏蔽罩的右側(cè)。

也就是說(shuō)，當(dāng)電磁波打到屏蔽罩上時(shí)，電場(chǎng)大部分被反射了，能進(jìn)入屏蔽罩內(nèi)部的只是少數(shù)；但是磁場(chǎng)呢，是大部分進(jìn)入到屏蔽罩內(nèi)部，然后想從屏蔽罩到其中空內(nèi)部時(shí)，才會(huì)反射大部分。再次強(qiáng)調(diào)一下，這邊的屏蔽罩內(nèi)部是指其金屬厚度內(nèi)，如下圖所示。

吸收損耗

上面計(jì)算反射損耗時(shí)，計(jì)算左側(cè)面和右側(cè)面的傳輸系數(shù)時(shí)，用的都是E1，是假設(shè)電磁波在屏蔽罩金屬內(nèi)部是沒(méi)有衰減的。

但其實(shí)電場(chǎng)是會(huì)以e-t/δ的速度衰減。其中，δ是屏蔽罩的趨膚深度。

所以，吸收損耗為：

總體損耗

不考慮多重反射損耗的影響，則屏蔽罩的有效損耗為：LOSS(dB)=reflection loss(dB)+absortion loss(dB)

屏蔽罩的反射損耗隨著頻率的升高而降低；屏蔽罩材料的導(dǎo)電性越高，隔離效果越好；磁性材料會(huì)降低屏蔽罩的反射損耗。

頻率升高，屏蔽罩的厚度增加，屏蔽罩的導(dǎo)電率的提高以及磁性材料，都能增加屏蔽罩的吸收損耗。

以下兩副圖，給出了導(dǎo)體材料和磁性材料，在不同頻率下的不同損耗的數(shù)值。

由上面兩幅圖可知:

對(duì)于銅(σr=1,μr=1)來(lái)說(shuō),

在頻率<2MHz左右時(shí)，reflection loss>absortion Loss

在頻率>2MHz左右時(shí)，reflection loss<absortion loss

對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)(σr=0.1,μr=1000)

在頻率<20KHz左右時(shí)，reflection loss>absortion Loss

在頻率>20KHz左右時(shí)，reflection loss<absortion loss

所以，在低頻的時(shí)候，普通的導(dǎo)體和磁性材料的屏蔽罩，都是反射損耗起主要作用；而在高頻后，磁性材料的吸收損耗快速增加，從而使得屏蔽罩的屏蔽性能提高。

參考文獻(xiàn)：

Introduction to electromagnetic compatibility   CLAYTON R. PAUL

網(wǎng)易公開(kāi)課，《電與磁》