第 2 章
避错技术之电磁兼容设计
如第 1 章所述，避错技术是防卫系统故障的第一道防线，以防止物理失效。随着 电子信息技术的飞速发展及各类电气、电子、信息设备的日益广泛应用，人类生存、 活动空间中存在着越来越复杂的电磁场，充溢着越来越大的电磁能量。据专家预测， 空间电磁能量将以每年 7%～14%的速度增长。这必将给空间环境带来越来越严重的 电磁污染， 对人类的生存、 活动和各种仪器设备的工作产生越来越重大的影响。 那么， 就计算机系统而言，我们应如何防卫电磁污染对其的影响呢？为此，本章将介绍计算 机系统中广泛使用的一种避错技术——电磁兼容设计，它的目的，是使系统在复杂的 电磁环境中能正常工作，同时也不影响电磁环境中其他任何系统的正常工作。 本章内容， 首先介绍电磁干扰形成三要素与电磁干扰效应等电磁兼容基本概念及 其设计要点；然后，相继介绍屏蔽、滤波、搭接/接地三种基本的电磁兼容技术。2.1 电磁兼容概述
2.1.1 电磁兼容与电磁兼容性 所谓兼容，通常指的是处于同一环境、状态中的万事万物能够和谐共存，互不伤害。电磁兼 容则是针对电磁环境而言的。按我国军用标准 GJB72－85 给出的定义，电磁兼容系指设备（分系 统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由于受到处于同 一电磁环境中的其他设备的电磁发射而导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其 他设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。这就是说，处于同一电磁 环境中的所有电子设备和系统，均能按照设计的功能指标要求满意地工作，互不产生不允许的干 扰，就认为它们是电磁兼容的；否则，就是电磁不兼容。从电磁兼容的观点出发，在设计电子设 备、系统时，除按要求进行功能设计外，还必须基于设备、系统所在的电磁环境进行电磁兼容设 计，一方面使它具有规定的抗电磁干扰能力，另一方面使它不产生超过限值的电磁干扰。 电磁兼容性指的是电子设备、系统在规定的电磁环境中，按照设计要求而工作的能力，即电 磁兼容能力。它表征的是共存于同一电磁环境中的设备、系统间互相兼容的程度好坏，是设备、 系统的一种重要的技术性能。 在分析中，通常把系统内电磁兼容性和系统间电磁兼容性区分开来。前者指的是给定系统内 部各分系统、设备及部件相互之间的电磁兼容程度，后者则指的是给定系统与其所在电磁环境中 的其他系统之间的电磁兼容程度。 从上述电磁兼容性的观点出发，电子设备、系统（分系统）可分为兼容、不兼容和临界兼 容三种状态，并用电磁干扰裕量（MI）来定量衡量其兼容性能。电磁干扰裕量（用分贝表示） 定义为： I M = - I S (dB) （2.1） 式（2.1）中，I 为干扰电平，S 为敏感度门限电平，单位均为dB。当 M > 时，表示设备或系统 I 0 处于不兼容状态； M < 时，表示设备或系统处于兼容状态； I 0 M = 时，表示设备或系统处于临 I 0 界兼容状态。|M 越大，说明兼容性越好或不兼容问题越严重。 I | 2.1.2 与电磁兼容有关的常用术语 电磁兼容作为一个新的学科领域，必然要统一定义一系列名词术语，并且作为电磁兼容标准 的重要内容之一，以保证该领域中叙述、论证问题的统一性和设计、测量结果的可比性。遗憾的 是，各国际标准化组织以及各国制定的相应标准中，对同一名词术语的定义也不完全相同。本书 主要根据我国军用标准《电磁干扰与电磁兼容名词术语》（GJB72－85），列出一部分较常用名词 术语供读者参考使用。 1．有关噪声与干扰方面的术语 （1）电磁噪声（Electromagnetic noise）——与任何信号都无关的一种电磁现象。通常是脉动 和随机的，但也可以是周期性的。 （2）自然噪声（Natural noise）——由自然电磁现象产生的电磁噪声。 （3）人为噪声（Manmade noise）——由机电或其他人工装置产生的电磁噪声。（4）无线电噪声（Radio noise）—射频频段的电磁噪声，即具有无线电频率分量的电磁 噪声。 （5）电磁干扰（Electromagnetic interference）——任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子 设备有效性能的电磁能力。 （6）干扰源（Interference source）——任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系 统或自然现象。 （7）工业干扰（Industrial interference）——由输电线、电网以及各种电气或电子设备工作时 引起的电磁干扰。 （8）宇宙干扰（Cosmic interference）——由银河系（包括太阳）的电磁辐射引起的电磁干扰。 （9）天电干扰（Atmospheric interference）——由大气中发生的各种自然现象所产生的无线电 噪声引起的电磁干扰。 （10）辐射干扰（Radiated interference）—由任何部件、天线、电缆或连接线辐射的电磁 干扰。 （11）传导干扰（Conducted interference）——沿着导体传输的电磁干扰。 （12）宽带干扰（Broadband interference）——一种能量频谱分布相当宽的不希望有的发射。 当测量接收机在±2 个脉冲带宽内调谐时，它对接收机输出响应的影响不大于 3dB。 （13）窄带干扰（Narrowband interference）——一种主要能量频谱落在测量接收机通带内的 不希望有的发射。 （14）电磁脉冲（Electromagnetic pulse）——指围绕整个系统（它犹如一个天线），具有宽带 大功率效应的脉冲，例如在核爆炸时就会对系统产生这种影响。 （15）电磁环境（Electromagnetic environment）——设备、分系统或系统在执行规定任务时， 可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在不同频率范围内功率和时间的分布。电磁环境有时也可用 场强表示。 （16）电磁环境电平（Electromagnetic ambient level）——在规定的试验地点和时间内，当试 验样品尚未通电时，已存在的辐射和传导的信号与噪声电平。环境电平是由人为和自然电磁能量 共同形成的。 （17）系统内干扰（Intersystem interferences）——由本系统内部原因引起的电磁干扰。 （18）系统间干扰（Intrasystem interferences）——由其他系统对本系统造成的电磁干扰。 （19）静电放电（Electrostatic discharge，ESD）——具有不同静电电位的物体相互靠近或直 接接触时引起电荷转移的现象。 2．有关发射与接收的术语 （1）发射（Emission）——以辐射或传导形式从源向外发出的电磁能的现象。 （2）辐射发射（Radiated emission）——以电磁波形式通过空间传播的电磁发射。 （3）传导发射（Conducted emission）——沿电源线或信号线传输的电磁发射。 （4）宽带发射（Broadband emission）——带宽大于某一特定测量接收机带宽的发射。 （5）窄带发射（Narrowband emission）——带宽比测量接收机带宽小的发射。 （6）发射带宽（Band width of an emission）——任一带外频谱分量的电平都不超过参考电平 的某一规定百分比的频带宽度。 （7）带外发射（Out of band emission）——由调制过程引起的紧靠必要带宽的单个或多个带
外频率点上的发射。 （8）脉冲发射（Impulse emission）——由重复频率不超出所用接收机脉冲带宽的脉冲所产生 的发射。 （9）谐波发射（Harmonic emission）——发射机发出频率为载波频率整数倍但不是信息信号 组成部分的一种电磁辐射。 （10）寄生发射（Parasitic emission）——发射机发出的由电路中不希望有的振荡引起的一种 电磁辐射。它既不是信息信号的组成部分，也不是载波的谐波。 （11）乱真发射（Spurious emission）——在必须发射带宽以外的一个或几个频率上的电磁发 射。这种发射电平降低时不会影响相应信息的传输。乱真发射包括谐波发射、寄生发射以及互调 制的产物，但不包括为传输信息而进行的调制过程在紧靠必须发射带宽附近产生的发射。乱真发 射又称杂散发射。 （12）信噪比（Singaltonoise ratio）——规定条件下测得的有用信号电平与电磁噪声电平之 间的比值。 （13）选择性（Selectivity）——接收机分辨给定的有用信号与无用信号的能力或这一能力的 度量。 （14）有效选择性（Effective selectivity）——在规定的特殊条件下（例如接收机输入电路过 载时）的选择性。 （15）邻频道选择性（Adjacent channel selectivity）——用与频道间隔相等的信号间隔所测得 的选择性。 （16）灵敏度降低（Desensitization）——因无用信号引起的接收机有用输出的减小。 （17）交调（Crossmodulation）——非线性设备、电网或传播媒介中信号的相互作用所产生 的无用信号对有用信号的调制。 （18）互调（Intermodulation）——发生在非线性的器件或传播媒介中的一种现象。由于一个 或多个输入信号的频谱分量相互作用，产生出新的分量，其频率等于各输入信号分量频率的整数 倍的线性组合。互调可以是由单个非正弦输入信号或多个正弦/非正弦信号作用于同一或不同输入 端引起的。 （19）中频抑制比（Intermediate frequency rejection ratio）——接收机上使用的任一中频频率 上的规定信号电平与产生同样输出功率的有用信号电平之比。 （20）镜频抑制比（Image rejection ratio）——接收机镜频频率上的规定信号电平与产生同样 输出功率的调谐频率的有用信号电平之比。 3．有关干扰控制与电磁兼容性能方面的术语 （1）干扰抑制（Interference suppression）——通过滤波、搭接、屏蔽和接地或这些技术的任 意组合，削弱或消除电磁干扰发射的行为。 （2）屏蔽（Screen）——用来减少交变电磁场向指定区域穿透的措施。 （3）屏蔽效能（Shielding effectiveness）——对给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽加 上前后的电磁场强度之比，通常以dB表示。 （4）屏蔽体（Shield）——为了阻止或减少电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡 层。它可以是导电的、导磁的或带有非金属吸收材料的。 （5）电磁敏感性（Electromagnetic Susceptibility）——设备、分系统或系统暴露在电磁辐射
下所呈现的不希望有的响应程度。 （6）降级（Degradation）——任何设备、分系统或系统的工作性能偏离预期的指标，使工作 性能出现不希望有的偏差。 （7）辐射敏感度（Radiated susceptibility）——对造成设备降级的辐射干扰场的度量。 （8）传导敏感度（Conducted susceptibility）——当引起设备不希望有的响应或造成其性能降 级时，对在电源、控制或信号引线上的干扰信号电流或电压的度量。 （9）敏感度门限（Susceptibility threshold）——使试验样品呈现最小可辨别的不希望有的响 应的信号电平。 （10）抗扰性电平（Immunity level）——装置、设备或系统面临电磁干扰不降低运行性能的 最大干扰电平。 （11）抗扰性限值（Immunity limit）——规定的最小抗扰性电平。 （12）发射电平（Emission level）——用规定方法测得的由特定装置、设备或系统发射的某 给定干扰电平。 （13）发射限值（Emission limit）——规定的电磁干扰源的最大发射电平。 （14）电磁兼容电平（Electromagnetic compatibility level）——预期加在工作于指定条件的装 置、设备或系统上的规定的最大电磁干扰电平。 （15）抗扰性裕量（Immunity margin）——装置、设备或系统的抗扰性限值与电磁兼容电平 之间的差值。 （16）发射裕量（Emission margin）——装置、设备或系统的电磁兼容电平与发射限值之间 的差值。 （17）电磁兼容裕量（Electromagnetic compatibility margin）——装置、设备或系统的抗扰性 电平与干扰源的发射限值之间的差值。 （18）耦合系数（Coupling factor）——给定电路中，电磁量（通常是电压或电流）从一个规 定位置耦合到另一个规定位置，目标位置与源位置相应电磁量之比。 （19）电磁干扰控制（Electromagnetic interference control）——对辐射和传导能量进行控制， 使设备、分系统或系统运行时尽量减小不必要发射的行为。所有辐射和传导的电磁发射不论它们 来源于设备、分系统或系统都要进行控制。若在控制敏感度的同时还能成功地控制电磁干扰，就 能实现电磁兼容。 （20）电磁易损性（Electromagnetic vulnerability）——系统在人为的恶劣环境中遭到一定程 度的机理性威胁后，在执行任务时经常出现有限程度降级的一种特性。 （21）电磁兼容性故障（Electromagnetic compatibility malfunction）——由于电磁干扰或敏感 性原因，使系统或有关的分系统、设备失灵，从而导致使用寿命缩短或系统效能发生不允许的永 久性下降等。 2.1.3 电磁干扰形成三要素与电磁干扰效应 电磁干扰的形成必须同时具备以下三个因素： （1）电磁干扰源，指产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。 （2）敏感设备，指对电磁干扰发生响应的设备。 （3）耦合通道，指把能量从干扰源耦合（或传播）到敏感设备上，并使该设备产生响应的通
路或媒介。 由电磁干扰源发出的电磁能量，经过某种耦合通道传输至敏感设备，导致敏感设备出现某种 形式的响应并产生效果。这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。为了说明电磁干扰源是否 对敏感设备造成干扰，从而产生电磁干扰效应，通常引入电磁干扰安全系数 S ，它定义为敏感度 I 门限电平S 与出现在关键试验点或信号线上干扰电平I 之比值，即 I S S I = （2.2） 当 S < ，即I 1 S< I 时，表示存在潜在干扰效应；当 S > ，即I 1 S> I 时，表示无干扰效应，电 磁兼容；当 S = ，即I 1 S = I 时，表示处于临界兼容状态。如果 S、I、 S 均用I dB表示，则式（2.2）
可改写为：
I
S =S- I （2.3）
这样，当 S < I 0dB 时表示有潜在干扰， S > I 0dB 时表示无干扰效应， S = I 0dB 时表示处于临界状
态。式（2.3）与前面的式（2.1）本质上是一样的，只不过那里表示的是电磁干扰裕量，而这里表 示的是电磁干扰安全程度。为了避免电磁干扰效应产生，保证系统和设备的电磁兼容性，一般应 取 S =I (3 6)dB - 。若电磁干扰效应十分严重，设备或系统出现失灵，甚至引起严重事故，则说明 出现了“电磁兼容性故障” 。 2.1.4 电磁兼容的实施 电磁兼容实施的目的是保证系统的电磁兼容性。从总体上看，电子、电气设备或系统的电 磁兼容性实施，必须采取技术和组织两方面的措施。所谓技术措施，包括系统工程方法、电路 技术方法、设计和工艺方法的总和，其目的是改善电子、电气设备的性能。采用这些方法是为 了降低干扰源产生的干扰电平，增加干扰在传播途径上的衰减，降低敏感设备对干扰的敏感度 （或提高抗扰度）等等。所谓组织措施，包括对各设备和系统进行合理的频谱分配、选择设备 或系统分布的空间位置，还包括制定和采用某些限制性规章，目的在于整顿电子、电气设备的 工作，以便消除非有意干扰。就技术措施而言，在现代电子技术发展过程中先后出现了三种实 施电磁兼容的方法。 1．问题解决法 问题解决法是先进行设备或系统的研制，然后根据研制成的设备和系统在联试中出现的电磁 干扰问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。这是一种早期普遍采用的方法，现在依然在实 际中被广泛应用。这种方法的弊端和局限性是显然的。系统已经装配好，要彻底解决电磁干扰问 题是很困难的，可能要进行大量的拆卸和修改，也许还要重新设计。对于大规模集成电路，可能 要严重地损坏其版图，甚至要作大量返工。这不但会造成人力和物力的浪费，延长系统研制周期， 而且会使系统性能下降。 2．按规范设计法 这种方法是按颁布的电磁兼容性标准和规范进行设备和系统设计制造。这种方法可以在一定 程度上预防电磁干扰问题的出现，比用问题解决法更为合理。但由于标准和范围不可能是针对某 个设备和系统制定的。因此，企图解决的问题不一定是真正存在的问题，只是为了适应规范而已。 另外，规范是建立在电磁兼容实践经验的基础上的，没有进行电磁干扰的分析和预测，因而往往 导致过量的预防储备，可能使系统成本增加。
3．系统设计法 系统设计法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电磁兼容性预测和 分析。这种方法从设计开始就预测和分析设备或系统的电磁兼容性，并在设备或系统设计、制造、 组装和试验过程中不断对其电磁兼容性重新进行预测分析。若预测结果表明存在不兼容问题或存 在太大的过量设计，则可修改设计后再进行预测，直到预测结果表明完全合理，才进行硬件生产 和系统安装。用这种方法进行系统设计和研制，基本上可以避免一般出现的电磁干扰问题或过量 的电磁兼容性设计。系统设计法体现的是一种并行工程、系统工程的先进设计思想和设计理念， 是现代电子系统电磁兼容性设计的总趋势。
2.2 电磁兼容设计的主要内容与基本参数
电磁兼容设计一般为系统内和系统间两部分，主要以实现电磁兼容和最佳效费比为出发点， 对系统内部和系统之间的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估。 2.2.1 系统内电磁兼容设计 系统内电磁兼容设计通常可归纳为图 2.1 所示的五个方面，即：有源器件选用、布线、接地、 屏蔽和滤波。 图 2.1 系统内 EMC 设计 2.2.2 系统间电磁干扰控制 1．有用信号的控制 对有用信号的控制，一般来说，应从两个方面着手，其一，运用行业管理手段来对有用信号 进行控制，主要包括：频谱管理和规定发射功率、信号类型（调制和带宽）、天线的空间覆盖范围、 方向性和极化、使用时间和地点等；其二，运用先进的设计技术来控制有用信号的非线性效应， 减小镜像频率响应、谐波频谱电平以及乱真发射和乱真响应等。2．人为干扰的控制 对人为干扰的控制通常主要是按照相关的 EMC 标准来进行控制。 3．自然干扰的控制 对自然干扰源的控制，主要是在功能设计中来加以考虑的。例如接收机灵敏度指标应按内部 噪声和天电噪声来确定，以及采取适当的电磁脉冲和静电放电的防护措施等。 2.2.3 电磁兼容设计的基本参数 对电磁兼容设计的要求和电磁兼容性能的好坏，主要表现在电磁兼容性参数上。必须考虑的 基本参数有： 1．敏感度阈值 敏感度阈值是系统、分系统或设备不能正常工作的干扰临界电平值，是衡量敏感体受电磁干 扰的易损性参数，敏感度阈值越低，说明敏感体越容易受干扰。因此，它是进行电磁兼容性设计、 决定折衷选择、确定干扰极限值的基本出发点。在保守设计时，敏感度阈值考虑敏感体工作于最 恶劣的电磁环境时，在其受干扰最敏感的频率段或频率点上的最小起作用干扰电平；而在概率设 计时，敏感度阈值是在一定置信度下，敏感体受电磁干扰电平影响的概率。 2．敏感度门限电平值 敏感度门限电平值是指敏感设备受电磁干扰所呈现的不希望的响应的最小电平。敏感度门限 电平值越大，表明设备的抗干扰能力就越强。因此敏感度门限电平值是进行防护性设计时确定干 扰允许值的基本出发点，干扰允许值必须小于能在敏感设备中引起响应的电平值，而且每个干扰 允许值应该是在最敏感的频率和最危险的状态下获得的。 3．电磁干扰值 设备或分系统在电磁环境中感受到的无用信号电平值称为电磁干扰值。电磁干扰值小于敏感 度门限值时，设备或分系统能正常工作，但是小于敏感度阈值而大于敏感度门限值时，安全裕度 不一定能满足要求。 4．电磁发射限值 电磁发射限值是允许干扰设备或分系统在工作时给周围环境带来的电磁发射电平值，设计时 对干扰源设备或分系统规定电磁发射限值指标是控制电磁干扰源、保护电磁环境、实现电磁环境 与设备或分系统兼容工作的有力措施。电磁发射限值包括辐射发射和传导发射，在规范法的设计 中，它按标准规定的指标设计。 5．失效干扰电平 失效干扰电平也称为失效准则，它指系统和设备不允许接受的电磁干扰电平。系统和设备在 受到强电磁干扰后将产生性能恶化和失效现象，当不允许的强电磁干扰电平进入系统后，会使接 收机电路或元器件发生故障，这种故障的后果可能使系统永久性失效或永久性恶化。因此失效干 扰电平是系统和设备所能接受的电磁干扰电平的极限值。 6．电磁兼容性安全系数 电磁兼容性安全系数也叫电磁干扰安全系数，它是衡量系统、分系统或设备电磁兼容性水平 高、低的重要参数，它反映了敏感体实际接收的电磁干扰量低于阈值的程度。
2.3 电磁兼容设计要点
电磁兼容设计所涉及的内容极其广泛，而且，不同的系统在设计方法上也可能完全不一样， 因此，目前并没有经典的、包罗万象的设计方法可循。一般认为，可将电磁兼容设计大致分为抑 制干扰源的设计、抑制干扰耦合的设计、敏感设备的设计、搭接的设计、接地的设计以及屏蔽设 计等六个方面。所以，下面就从这六个方面来介绍做好电磁兼容设计工作所需注意的问题，我们 不妨称之为电磁兼容设计的六大要点。 2.3.1 抑制干扰源的设计要点 （1）减少潜在干扰源的个数。例如，高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路、以及一些含 有电接点的电器等都是一些潜在的干扰源。 （2） 恰当地选择工作模式， 尽量使电子设备工作在线性区， 以最大可能的减少输出谐波分量。 例如对于振荡器，尽量少用倍频的方法来产生发射机的载频，以减少发射机的谐波输出；其输出 级，在满足输出功率的前提下，尽量采用甲类或乙类工作状态；为了抑制输出级产生载波的各次 谐波，输出级最好采用双调谐回路等等。 （3）对有用的发射要进行功率和频带控制，根据国际无线电规则规定： “所有电台只应发射 保证业务令人满意所必需功率” ，因此发射功率一定要选择恰当，不是越大越好，否则不仅造成功 率浪费而且还要引起有害的干扰。同时发射信息的带宽应尽量接近必需的原信息的带宽，尽量应 用窄带技术，以降低带外干扰。 （4）根据服务区的大小、形状，恰当地选择天线的型式和天线的高度。首先根据服务区的特 殊形状要求来设计天线的方向图，以免天线方向图覆盖非工作区而造成干扰；用于点对点通讯的 天线，应是方向性强的高增益天线，其旁瓣电平小可降低干扰电平，同时应根据服务区的大小及 场强要求来确定天线的架设高度，其高度应以到达服务边界的最小场强正好满足要求为准，不是 天线越高越好，更不能不顾服务区的大小抢先占领高山架设天线，以免对邻近区域造成干扰。 （5）恰当选择电子设备的工作脉冲形状。一般来说，当脉冲上升较慢、持续时间较长时，则 产生的电磁干扰小；当脉冲的宽度减小、上升时间缩短时，则脉冲的高频成分增加，频谱宽度增 大，将会在很宽的频带内造成干扰。因此，对于一个控制设备，其脉冲的上升时间只需快到能在 指定的时间内保证可靠工作即可。 （6） 尽量避免出现电弧放电。 对于放电工作开关， 应选择触点的闭合形式和适当的工作电平， 以尽可能减少所产生的电磁干扰。 2.3.2 抑制干扰耦合的设计要点 （1）把携带噪声的元件和导线与连接敏感元件的布线隔离起来，把有噪声的元件回线与敏感 元件的回线隔离开来，例如把电源线、控制线、高电平线与低电平线隔离，并尽量避免彼此平行。 （2）使连线尽可能短，以尽量缩短干扰耦合路径的长度，并用粗的屏蔽套以尽量减少导线间 的电容耦合。 （3）要注意布线和结构件的天线效应。电路中的每根导线及印刷电路上的每根金属线，在某 种程度上，既可以起发射天线作用又可以起接收天线作用，频率越高这种作用越明显。对于通过磁场耦合的辐射，低阻抗的环形电路更为显著，因此减小这种干扰耦合的方法应该是增加电路的 阻抗。而对于通过电场耦合的辐射，又是高阻抗的直导线较显著，因此为减小干扰耦合，又应减 小电路的阻抗。 （4）通过屏蔽来实现隔离，在源和敏感部件之间进行屏蔽可以明显地减少辐射耦合，当使用 实体屏蔽材料来完全包围干扰源和敏感部件时，屏蔽效果最好；使用网状屏蔽或在主要辐射途径 上用屏蔽体造成辐射屏障，也能达到良好的屏蔽效果。 2.3.3 敏感设备的设计要点 对于敏感设备，可以采用滤波、整体屏蔽、内部屏蔽、机内走线与电路的隔离、内部电路去 耦及结构的合理布局等措施来抑制电磁干扰；在设计中应尽量少用低电平器件，去掉那些不十分 需要的敏感部件；敏感设备的灵敏度不必设计的过高，只要满足工作要求即可。 2.3.4 搭接的设计要点 （1）良好搭接的关键在于金属表面之间的紧密接触。被搭接表面的接触区应该光滑、清洁、 没有非导电物质，紧固方法应有足够的压力将搭接处夹紧，以保证即使在机械扭曲、冲击和振动 时表面仍然接触良好。 （2）采用同类金属搭接是最好的，在不同类金属搭接时，特别要注意腐蚀存在的可能，可在 其间插入可换的垫片，搭接完成后外面应加一层保护层。 （3）不要靠焊料来增加机械强度。 （4）在搭接处应采取防潮和防其他腐蚀的保护措施。 （5）跨接片只是直接搭接的代用方法，为减小搭接条的阻抗，应使它尽量短，并尽量减小 搭接条的长宽比（保证长宽比小于或等于 5），不要使跨接片在电化学序列中低于被搭接件材料。 应直接与主结构搭接，而不要通过邻近部件，不要使用自攻丝螺栓或任何其他以螺纹为主的搭 接方法。 （6）要保证直接搭接处或搭接片能够承受所预计的最大电流。 2.3.5 接地的设计要点 （1）当所考虑的电路或元件尺寸小于0.05l 时，使用单点接地；大于 0.15l时，采用多点接 地；介乎 0.05l和 0.15l之间时，则应根据接地线的实际配置以及接地电路的传导发射和传导敏感 度容限来决定接地方式。对于那些工作频率范围很宽的电路，还要采用混合接地。 （2）出现地线环路问题时，可采用浮地隔离方法（例如，使用变压器隔离）。 （3）使所有接地线尽可能短而且尽可能直接连接。 （4） 所设计的接地参考平面应具有较高的电导率， 而且要便于维护， 以保持良好的导电性能。 （5）对信号回线、信号屏蔽层回线、电源系统回线以及底板或机壳都要有单独的电路接地系 统。所有这些接地回线可以一起连接到单一接地参考点上。 （6）对那些产生大的突变电流的电路，应有单独的接地系统，或单独的接地回线，以减小对 其他电路的瞬态干扰。 （7）低电平电路的接地线要与所有其他接地线隔离开来。 （8）使用平衡差分电路，以尽量减小接地电路干扰的影响。
（9）用双绞合线作电源的母线和它的回线是最好的。而且要避免把信号线和电源线捆成一束 或相互靠得很近。在信号线与电源线必须交叉的地方，要使导线互相垂直。 （10）对于工作频率 1MHz 以下的电路，使用单点接地的紧绞合线（是否需要屏蔽视实际情 况而定）是降低设备敏感度最好的办法。 （11）端接电缆屏蔽时，避免使用屏蔽层辫状引出线。 （12）需要用同轴电缆传输信号时，要通过屏蔽层提供信号回路。低频电路可在信号源端单 点接地，高频电路则采用多点接地。 （13）低电平传输线要多层屏蔽，各屏蔽层用单点接地较好。 2.3.6 屏蔽设计要点 （1）对于良好导体如铜、铝和镁等应该用于高频的电场屏蔽，以获得最高的反射损耗。 （2）磁性材料如铁、镍铁、高导磁率合金等应该用于低频磁场的屏蔽，以获得最高的透入损 耗（吸收损耗） 。 （3）对电场屏蔽的屏蔽体其厚度只要能保证屏蔽体本身有足够的强度就可以了。一般电屏蔽 体对各种频率的电场均具有良好的电屏蔽作用。 （4）对于薄层屏蔽，当材料的厚度小于 1/4 波长时，其屏蔽效果为一常数。当厚度超过 1/4 波长时，屏蔽效果随厚度的增加而增加。 （5）多层屏蔽（对于屏蔽壳体或电缆）能够提供高的屏效可展宽其屏蔽的频率范围。但是， 在多种可供选择的电磁兼容方式中，是否采用多层屏蔽，主要由它的成本来决定。此外，电缆线 采用双层编织线屏蔽后，其柔软性将要降低，这也是是否选用的一个考虑因素。 （6）为保持屏蔽体的屏蔽完整性，在设计时应该认真考虑它上面可能存在的所有开口和不连 续处的问题，以保证屏蔽效果受到的影响最小。同时在材料的选择上亦要特别注意，不仅应从屏 蔽的观点考虑，还应从电化学腐蚀的观点来考虑确定最合适的材料。 （7）当系统设计的其他方面条件允许时，采用连续对焊或互搭对焊的焊接方法是最好的。应 尽可能使两金属板的结合面有更多部分紧密接触。 （8）接缝的配合表面，在接合前必须净化，将其表层的非导电物质彻底清除干净，除非在接 合过程中，能够可靠地和有效地切除表面涂覆层。表面涂覆应满足电磁兼容规范要求。 （9）导电衬垫、指形接触簧片、波导衰减器、金属丝网、百叶窗和导电玻璃等是主要的可用 于保持屏蔽壳体屏蔽效果的元件和结构。在具体情况下，究竟采用哪种方法，涉及的因素很多。 除了屏蔽能力本身的要求外，还涉及到从空间利用率到成本，从通风要求到可见度要求等许多问 题，在设计选用时必须认真考虑。 （10）电缆屏蔽的一个关键性因素是屏蔽覆盖率。如军用覆盖率一般不低于 85%，在驾驶舱 内则要求不低于 94%。电缆屏蔽层应该沿边缘周界与连接器外壳尾部搭拉，以保持接合面处屏蔽 效果。 总之，屏蔽是降低设备电磁干扰的一种可行的办法，需要与屏蔽一起考虑的或者可作为它的 代替方法的是滤波、接地和搭接。如果接地和滤波都很好，就可以减小对屏蔽的要求，甚至可以 不需要屏蔽。
2.4 屏蔽技术
2.4.1 屏蔽与屏蔽分类 屏蔽是以某种导电材料或导磁材料制成的屏蔽体将需要防护的区域封闭起来， 形成电磁隔离， 达到阻隔或减少电磁能传播目的的一种技术，是抑制电磁干扰的有效措施之一。从电磁场理论的 观点看，可以这样来理解屏蔽：若有两个电磁场，在其分界面上有一物体使它们可看作是相互独 立、互不影响的，则该分界面就被称为屏蔽，而分界面上的物体则被称为屏蔽体。 屏蔽抑制的是以场的形式沿空间传播的干扰，它既可以限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内 部区域，又可以防止外来的辐射干扰进入某一区域。 屏蔽的形式可以是隔板、金属盒，以及电缆和接口屏蔽等。屏蔽的类型有实体的、非实体的 （如屏板） 、编织线的（如在屏蔽电缆中使用的）等多种。 屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用。而这些作用是与屏蔽结 构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象密切相关的。 屏蔽有多种不同的分类方法。 按屏蔽对象的不同，屏蔽可分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽是屏蔽干扰源。由于干扰源 与屏蔽体一般相距很近，所要屏蔽的电磁辐射强度大，所以屏蔽体必须良好接地。被动屏蔽是屏 蔽敏感器。被动屏蔽时不一定将屏蔽体接地，但考虑到电容性耦合等因素，一般也以接地为好。 按屏蔽源性质或屏蔽原理的不同，屏蔽可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。电屏蔽用于减少 设备/电路/组件间的电场感应，防止电场的影响。磁屏蔽用于抑制设备/电路/组件的磁场耦合，防 止磁场的影响。电磁屏蔽则用于同时防止电场和磁场的影响，通常主要用于防止高频电磁场影响。 下节将简单阐述这几种屏蔽的工作原理。 2.4.2 电屏蔽原理 电屏蔽利用与大地相连接的导电性良好的金属容器，使导体内部的电力线不外传，外部的电 力线不内传，起到隔离内外电场的作用。 图 2.2 给出的是主动屏蔽的电屏蔽原理。图 2.2（a）表示空间孤立存在的导体 A 上带有电荷 +Q 时的电力线分布情况，这时电荷-Q 可认为是位于无穷远处。图（b）表示用导体容器 B 将导体 A 包围起来后的电力线分布情况，这时在导体 B 的内侧面感应出电荷-Q，外侧面感应出电荷+Q， 导体 B 内部不出现电力线，即电力线在导体 B 处中断。这时，若把导体 A 和 B 看作一个整体，其 空间电力线分布情况与图 2.2（a）没什么分别，只是其电力线始于导体 B 的外侧面，而图 2.2（b） 中则始于导体 A。可见，单用屏蔽体（导体 B）将带电导体（导体 A）包围起来，并不能起到屏 蔽的作用。 图 2.2（c）所示的是将屏蔽体 B 接大地时的电力线分布情况。这时，导体 B 外侧面的电荷 +Q 被引到大地，因此导体 B 与大地等电位，其指向无穷远处的外部电力线消失。也就是说，由 于导体 A 产生的电力线被封闭在导体 B 所包围的内侧空间，导体 B 真正起到了电屏蔽作用。 要说明的是，上面从图 2.2（b）转向图 2.2（c）的过渡过程中，在导体 B 和接地线之间会有 电流流过。若导体 A 带的是静电荷，则图 2.2（c）表示的是过渡过程结束，达到稳定状态后的屏蔽效果；若导体 A 带的是随时间变化的电荷，则对应于电荷的变化，接地线中必定有电流流过。 另外，由于导体 B 和接地线均不可能是理想导体，在 B 和外侧面不可避免地还会有残留电荷，使 B 的外部空间不可避免地还会出现残留的静电场和感应电磁场，因此，实际上不可能达到完全的 屏蔽。 图 2.2 主动电屏蔽原理 图 2.3 进一步给出了被动屏蔽的电屏蔽原理。当屏蔽体外有电场干扰时，由于屏蔽体内的导 体为等电位体，屏蔽体内部空间不会出现电力线（即不存在电场），使屏蔽体外的电力线全部终止 于屏蔽体上，从而实现了对外界电场的屏蔽作用。这时，在外部电力线的终端将有面电荷出现于 屏蔽体的外侧面，并在两侧出现等量的正、负电荷。当屏蔽体是完全封闭的时，不管它是否接地， 屏蔽体内部的电场均为零，所以从理论上说，被动屏蔽的屏蔽体可不必接地。但实际上，屏蔽体 不可能完全封闭，其内部空间的被屏蔽体同外部不可能完全隔绝，因此，如果不接地，或多或少 总会有外部电力线侵入，造成直接或间接的静电耦合。为防止可能存在的电力线泄漏，确保屏蔽 效能，被动屏蔽时最好也能将屏蔽体接地。 图 2.3 被动电屏蔽原理 由于干扰源与被干扰对象（敏感器）之间的电场感应可用二者之间的分布电容耦合来等效描 述，所以可以用电路理论来对电屏蔽原理进行分析。以被动电屏蔽为例，图 2.4 给出了相应的原 理等效电路图。图 2.4（a）表示干扰源与敏感器之间未加屏蔽时的等效电路，其中 V 为干扰源电 S 压， C 为敏感器对地分布电容， R C 为干扰源与敏感器间的耦合分布电容。 SR +Q -Q （a） （b） （c）
图 2.4 电屏蔽等效电路图 不难看出，由干扰源耦合到敏感器输出端的感应电压为： SR i S SR R C V V C C = × + （2.4） 由式（2.4）可看出，要减少感应电压 V ，必须尽可能减小 i C 和增大 SR C ，为此可把敏感器中 R 的敏感组件及导线尽可能贴近底板，而把敏感器和干扰源间的距离尽可能拉大。当采取这样一些 措施仍满足不了要求时，则要采用屏蔽技术。 图 2.4（b）表示的是干扰源与敏感器之间加入屏蔽体 P，但 P 未接地时的等效电路。其中 C 、 1 2 C 分别为干扰源和敏感器与屏蔽体之间的分布电容， C 为屏蔽体对地分布电容， 3 C 为加屏蔽体 SR 后干扰源与敏感器间的剩余耦合电容。因 C 很小，故分析计算时可不予考虑，这样，便不难求得 SR 屏蔽体 P 和敏感器输入端被感应的电压 V p 和 V ip 分别为： 1 1 1 3 2// 1 3 2 ( 2 ) p S S R R R C C V V V C C C C C C C C C C = × = × + + + + + （2.5） 2 1 2 2 ( 2 )[ 1 3 2 ( 2 )] ip p S R R R R C C C V V V C C C C C C C C C C = × = × + + + + + （2.6） 由式（2.6）可看出，若 C >> 1 C 且 3 C >> 1 C // 2 C ，则有 R 2 2 ip S R C V V C C » × + （2.7） 比较式（2.4）和式（2.7） ，由于 C > 2 C （因为屏蔽体 P 比干扰源更靠近敏感器，且屏蔽体面 SR 积比干扰源面积大），故 V ip > V 。这说明加了屏蔽体却不接地时，不但未起到屏蔽作用，反而增加 i 了干扰效应。 图 2.4（c）表示的是将屏蔽体 P 良好接地时的等效电路，这时相当于图（b）中的 C 等于无 3 穷大。由式（2.6）可看出，这时 V » ip 0 ，说明良好接地的屏蔽体起到了良好的屏蔽作用。当然， 实际上屏蔽体接地再好也不可能使接地的阻抗为 0，且当屏蔽体是通过导线接地时，接地阻抗还 与频率有关，使时变电场产生的电流流过接地线时，必然在接地阻抗上产生电压降，从而使屏蔽 体上的感应电压 V p 不可能为 0。另外，屏蔽体的尺寸也不可能无穷大，干扰源与敏感器之间必然 存在剩余电容 C ，使干扰电压 SR V 通过它或多或少会耦合到敏感器输入端，而产生 S V ip 。由于这两 个方面原因，实际的屏蔽效能不可能完全像图 2.4（c）所示的这样理想。 根据上述电屏蔽原理，实际工程中布线时，若在两导线（导线 A 和导线 B）之间敷设一条接 地导线，将使导线 A 与导线 B 之间的电容性耦合明显削弱；若将具有电容性耦合的两个导体在保 （a） （b） （c）
持间隔不变的条件下靠近大地，其间耦合也会减弱。这都相当于在一定程度上起到了屏蔽的作用。 2.4.3 磁屏蔽原理 磁屏蔽是用于抑制磁场耦合，实现磁隔离的技术措施。我们知道，任何载流导线或线圈周围 都存在磁场。若导线或线圈中的电流是时变的，则磁场也是时变的，处在时变磁场中的其他导线 或线圈就会受到干扰。为防止这种干扰，最好的办法是采用磁屏蔽。磁屏蔽包括低频磁屏蔽和高 频磁屏蔽，两者的屏蔽原理大不相同。 1．低频磁屏蔽原理 低频磁屏蔽，是利用铁磁性材料的导磁率高、磁阻小、对磁场有分路作用的特性来实现屏蔽， 达到保护磁敏器件不受低频磁场的干扰，或防止磁场干扰源对其外界环境产生磁漏影响的目的。 图 2.5 给出的是低频磁屏蔽原理示意图。载流线圈被导磁材料做成的屏蔽体包围后，由于铁磁材 料的磁阻比空气磁阻小得多（通常小数十倍至几千倍），磁力线绝大部分都集中于屏蔽体中通过， 从而使低频电流线圈产生的磁场基本上不越出屏蔽层。同理，为了保护磁敏器件不受外界低频磁 场的干扰，可把该器件置于用铁磁材料制成的屏蔽罩内，使磁力线主要通过磁阻小的屏蔽层，而 基本上不进入屏蔽罩内的器件中。 图 2.5 低频磁屏蔽原理示意 同理，为了保护磁敏器件不受外界低频磁场的干扰，可把该器件置于用铁磁材料制成的屏蔽 罩内，使磁力线主要通过磁阻小的屏蔽层，而基本上不进入屏蔽罩内的器件中。要说明的是，用 高导磁率铁磁材料做的屏蔽罩，在垂直于磁力线的方向上不应开口或留有缝隙，否则会切断磁力 线，使磁阻增大，磁屏蔽效果变差。关于低频磁屏蔽的定量分析计算，既可用磁路分析法，也可 用场分析法。分析时既与屏蔽体材料有关，也与屏蔽体结构有关。有兴趣的读者可参考相关文献。 2．高频磁屏蔽原理 高频磁屏蔽是利用良导电材料做成的屏蔽体在高频干扰磁场作用下会产生涡流，涡流产生的 反磁场对高频干扰磁场有抵消/抑制作用的原理，来达到屏蔽的效果。图 2.6 给出的是高频磁屏蔽 原理示意图。中间为一个高频干扰源，在其 2 r> l p （ r 为辐射（干扰）源到观测点的距离； l 为 辐射波波长）处存在辐射磁场；为阻止它的传播，外面罩了一个金属屏蔽盒。高频干扰磁场在穿 过屏蔽层 （ H p ） 的同时， 将在屏蔽体中产生高频感应涡流 i ， e 涡流又产生方向与 H p 相反的磁场 H ， e
使屏蔽盒外面的磁场相互削弱和抵消，从而起到了磁屏蔽的作用。注意，这时在屏蔽盒体内壁附 近，反而因 H 与原高频磁场的方向相同，而使总磁场得到了加强。这恰恰说明了，内部高频干扰 e 源所产生的磁场，被屏蔽盒阻隔在其内部空间，而不对其外部空间产生影响。同样，外界磁场也 将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而不能进入屏蔽盒内，从而达到对高频磁场屏蔽的目的。 图 2.6 高频磁屏蔽原理示意 上述高频磁屏蔽的原理可以利用等效电路概念通过定量分析来加以说明。我们可以把屏蔽盒 看成是一匝线圈，其等效电路如图 2.7 中的右边回路所示。该图左边回路为高频干扰磁场等效电 路。图 2.7 中， i 为产生高频干扰磁场的线圈电流，M 为线圈与屏蔽盒间的互感， s r 、 s L 分别为 s 屏蔽盒的电阻和电感， i 为屏蔽盒上产生的涡流。根据磁路理论，有： s 图 2.7 高频磁屏蔽等效电路分析图 j j s s s M i i r L w w = + （2.8） 在高频条件下，可认为 r << s w ，于是有： Ls s s M i i L » （2.9） 由式（2.9）可看出，高频时屏蔽盒上产生的涡流 i 与频率几乎无关。但在低频时，有 s r >> s w Ls 和 r >> s w M ，于是有： j s s M i i r w » （2.10） 这说明，低频时产生的涡流既小又与频率成正比。 综上所述，可以说明以下几点： （1）利用感应涡流产生的反磁场进行磁屏蔽，只能用于高频场合，而对低频磁场的屏蔽效果 甚微。 Hp ie He
（2）屏蔽体的电阻 r 越小，产生的涡流 s i 越大。所以，高频磁屏蔽要用良导电金属如铜、铝 s 等作屏蔽材料。 （3）涡流 i 与互感 M 成正比，M 越大，涡流越大，屏蔽效果越好。为了尽量增大 M，减小 s 损耗，屏蔽层上开口的方向应尽量不切断电流。 （4）屏蔽体是否接地对屏蔽效果没什么影响，这与电屏蔽时必须良好接地有很大不同。但实 际中往往也将磁屏蔽盒接地，这样做的好处是可同时起到高频屏蔽和电场屏蔽的作用，使整体屏 蔽效果良好。 2.4.4 电磁屏蔽原理 通常电场和磁场是同时存在的，实际中很难分得开，只能说哪个是主要矛盾，哪个是次要矛 盾。因此，通常所说的屏蔽，一般指的是电磁屏蔽，即对电场和磁场同时加以屏蔽。在实际交变 电磁场中，电场分量和磁场分量究竟哪个是主要矛盾，与交变场频率直接相关。频率较低时，干 扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源特性的不同，电场分量和磁场分量大不相同：低压大电 流干扰源以磁场为主，电场分量可忽略，这时可只考虑磁屏蔽；高压小电流干扰源则以电场为主， 磁场分量可忽略，这时可只考虑电屏蔽。随着交变场频率增高，电磁辐射能力增强，将产生辐射 电磁场，并趋向于远场。远场中的电场、磁场都不能忽略，因而需要对两者同时加以屏蔽，即实 施电磁屏蔽。可见，电磁屏蔽一般是针对高频电磁场干扰而言的。高频时，即使在设备内部也可 能出现远场干扰，因而也需要考虑电磁屏蔽。 如前所述，采用良导电材料作屏蔽体，就能同时对高频电场和磁场起到屏蔽的作用。高频电 磁屏蔽的原理，一般认为有三种理论解释： （1）感应涡流效应。这种理论解释与前面对高频磁屏蔽原理的解释相同，即高频干扰电磁场 在屏蔽体内会产生涡流，涡流产生的磁场对高频干扰电磁场有抵消/削弱作用。这种原理解释物理 概念清楚，比较形象易懂。但用它难于作定量分析，且解释不清干扰源特性、传播介质、屏蔽材 料导磁率等因素对屏蔽效果的影响。 （2）电磁场理论。严格说来，它是分析电磁屏蔽原理和计算屏蔽效能的经典理论，但是由于 电磁场的边界问题，使得分析复杂，解算烦琐。 （3）传输线理论。它是根据这样一个事实：电磁波在金属屏蔽体中传播的过程与行波在传输 线中传输的过程很相似。因此，可用传输线方程来对电磁屏蔽机理作等效分析计算。利用这一理 论和方法，不仅可简明地分析屏蔽机理，而且能便捷地计算屏蔽效果。 我们不妨用传输线理论来分析一下电磁屏蔽原理。图 2.8 给出的是按传输线理论分析电磁屏 蔽原理的示意图。当干扰电磁波入射到厚度为 d 的金属板屏蔽体时，假设金属板两侧均为空气介 质，则在金属板入射界面（第一边界面）上，由于波阻抗突变，必将有一部分被反射回空气中， 而其余部分透射到金属板内。从电磁屏蔽的机理看，被反射的这部分电磁波能量，就是屏蔽体对 干扰电磁波造成的第一次衰减，通常称之为表面反射损耗，用 R 表示；透射进金属板内的这部分 电磁波能量，在板内继续传播时，还会衰减，通常将这个衰减过程带来的损耗称为吸收损耗，用 A 表示。经过吸收损耗后，剩余的电磁波能量到达金属板的另一界面（第二边界面）时，又要产 生反射，并在金属板内两个界面之间多次来回反射，最后真正能透过第二界面进入被屏蔽空间的 电磁波能量已很小。通常将在金属板两个界面之间来回反射所带来的电磁波能量损耗叫作多次内 反射损耗。可见，电磁屏蔽的作用就是体现在表面反射损耗、吸收损耗和内反射损耗上，所以我
们不妨将这三者分别称为电磁屏蔽效能的第一机理、第二机理和第三机理。上述电磁波在金属屏 蔽体内的传播过程可用麦克斯韦方程来进行定量分析。鉴于篇幅，这里就不一一介绍。 图 2.8 电磁屏蔽原理示意 2.4.5 几种实用屏蔽技术 1．多层实心体屏蔽 在有些情况下，为了得到全频段屏蔽良好的特性，可采用双层甚至三层屏蔽材料作成屏蔽体。 有三种类型的多层实心体屏蔽：电磁屏蔽、多层电屏蔽、多层磁屏蔽。表 2.1 给出了双层主动磁 屏蔽（辐射磁场源位于屏蔽箱里面）的内、外层参数。 表 2.1 双层主动磁屏蔽参数 参数名 内层材料 外层材料 材料类型 Netic S36 CoNetic AA r m 起始值 300 20000 0.02T 时 mr 500 80000 磁饱和值（T） 2.2 0.75 由表 2.1 可见，在靠近磁场源的第一层屏蔽中，材料的磁饱和值（对 Netic S36 而言）为 2.2T， 磁导率 m 为 500，经过它的屏蔽作用，可将场强降至足够低。这样，在第二层屏蔽处，场强将不 r 会达到饱和值 0.75T。又由于第二层材料具有比第一层高得多的磁导率 m ，所以可提供十分良好 r 的屏蔽效果。 2．孔隙屏蔽 如前所述，屏蔽体上不可避免地会存在或多或少的孔隙结构，如通风散热孔、接缝中的缝隙、 各种显示观察窗口、控制调节旋钮安装孔、接插件安装孔、窗盖或活动盖体的链接件，以及信号
缆线的出入口等等。为了最大限度地减小孔隙结构对屏蔽效能的影响，实际中应努力寻求改进孔 隙结构、提高孔缝屏蔽效果的方法。根据孔隙的屏蔽原理分析，工程实例中可采取以下一些实用 的方法。 （1）增加缝隙深度。缝隙深度主要取决于屏蔽体的壁厚。此外，在接缝处加上傍边（如图 2.9 所示）和增加接缝处的重叠量（即接合面的搭接宽度），也是增加缝隙深度的重要途径。 图 2.9 接缝外加傍边 （2）提高接合面加工精度。这是减少漏缝的有效方法。采用精密加工方法固然可提高加工精 度，但这样会使成本骤增。通常更可行的办法是利用铸造成型、端口切削磨平和电焊接等加工方 法来提高接合面加工精度。例如在航天领域的机载设备，为提高屏蔽效能，其中不乏使用整体精 密铸造和焊接连接的机箱的。 （3）加装导电衬垫。一般用薄板材料以钣金加工制成的屏蔽盒箱，其结合面很难做到不留缝 隙，因而只有通过在缝隙中加装导电衬垫来提高屏蔽效果。导电衬垫是一种夹衬在两层接合端面 处的导电材料，它富有弹性，易于变形，通过压紧变形可以填满缝隙，使两个结合表面有良好的 电气接触。同时，要求导电衬底应有良好的导电性和机械弹性，而且耐腐蚀，还应耐高低温变化， 在工作温度范围内不致发生老化。常用的导电衬垫材料有编织金属网线、软金属、导电橡胶、橡 胶外包裹金属箱和梳状簧片等。 （4）填抹导电涂料。常用的导电涂料有导电胶、导电填胶和导电脂。导电胶是用环氧树脂和 银粉混合配制而成的，它能牢固粘附在金属、塑料、陶瓷表面，可用于粘结屏蔽箱体永久性接缝， 减小缝隙电磁泄漏。导电胶在固化前是液体状，流动性好，容易渗透进入结合面以填充缝隙；固 化后（常温下固化）却很坚固，难以拆卸，成为永久连接。导电填胶是一种不固化的导电胶，呈 粘稠糊状。主要用于作为各种屏蔽体的非永久性接缝的密封填充。它可用专门注射器注入缝隙中， 也可用刮刀将它嵌入缝隙。导电脂是一种银－硅粘液，可用于涂抹在屏蔽箱体的活动端面接触处 的铰链轴承中，改善活动接触缝隙的电接触，减小电磁泄漏。 （5）调整紧固钉间距。使用螺钉、铆钉来紧固结合面是屏蔽箱体制作中常用的紧固方法。每 两个钉之间距离决定了缝可能的最大长度。从提高屏蔽效能的角度看，要求紧固钉间距越小越好， 但从机械强度角度看，间距又不能太小。因此，应在这两者之间很好地寻找折衷点。总的原则应 是： 在结构设计允许的条件下尽量减小紧固钉间距； 该间距决定的缝隙长度 l 应小于电磁波波长l， 一般不能大于l/20。理论和实践表明，当 l>l/100 时，就会产生电磁泄漏，且泄漏随着 l 增大而增 大，当 l 增至l/10 以上时，泄漏便显著增加，使屏蔽效能显著降低。 （6）在通风孔上加装金属丝网罩。这样做的好处是将原本大口径、大面积的通风孔通过网丝 划分成许多小孔来减少电磁泄漏。金属丝网的屏蔽作用主要靠反射损耗。实验证明，对于孔隙率 不小于 50%、在所需衰减的电磁波的每个波长上有 60 根以上金属网丝的网罩，可得到与金属板大 t t
体相同的反射损耗（当然，金属丝网的吸收损耗远比金属板的小，所以总的屏蔽效能肯定是前者 比后者低）。 金属丝网的网孔越密（孔径越小） ，网丝越粗，材料导电性越好，其屏蔽性能就越好。但网孔 过密，网丝过粗，对空气的阻力就越大，通风效果就越不好。金属丝网的安装可采用周边焊接或 螺钉压紧两种方式，关键是使丝网与屏蔽箱体接触良好。 （7）用打孔金属板做通风孔。这也就是用孔径较小的多孔阵列来代替面积较大的通风孔。其 结构形式，可以直接在屏蔽体的壁上打孔，也可将打好孔阵列的金属板安装在屏蔽体的通风孔上。 孔眼的形状常用的有方形和圆形两种。 （8）采用波导衰减器式通风孔。波导衰减器简称波导管，它是由铜、铝等良导体做成的空心 圆形、六角形或矩形导管。根据波导理论，波导管在引导电磁波在其中传输的过程中，当电磁波 频率低于波导管截止频率 f 时，电磁波在传输中将产生很大的衰减。 c 正是利用波导管的这一特性， 可做成波导衰减器式通风孔来减小电磁泄漏。设计波导管衰减器式通风孔时，应根据要屏蔽的电 磁波的最高频率 f ，首先确定波导管截止频率 f ，再选择波导管形状，确定其口径尺寸和长度。 c 为使波导管对电磁波有足够的衰减（即有良好的屏蔽效能） ，由波导管传输特性知，应使 f >> f ， c 工程上一般取 f =(5~10) f 。 c 通风孔口径尺寸，根据不同波导管形状,可按下列一组公式计算： 对圆形孔， D (35.5 ~ 17.6) 1 f = （2.11） 对矩形孔， W (15 ~ 30) 1 f = （2.12） 对六角形孔， M (75 ~ 30) 1 f = （2.13） 波导管的长度 l 则由衰减损耗设计指标 SA 和已确定的孔口径尺寸计算： 对圆形波导管， 2 3.2 10 (cm) l= ´ - D SA × （2.14） 对矩形波导管， l=3.7 10´ - 2 W SA × (cm) （2.15） 对六角形波导管， 2 3.7 10 (cm) l= ´ - M SA × （2.16） 由此可见，当 SA 设计值在 100dB 以上时，一般要求波导管长度必须为波导管口径的三倍以 上。单管结构的波导管，如图 2.10（a）所示。实际中，在一些要求屏蔽性能高、通风散热量大的 大型设备或屏蔽室的通风孔设计中， 常将很多个波导管排列成蜂窝状的通风孔阵列， 如图 2.10 （b） 所示。 （a）单管结构 （b）蜂窝状孔陈列结构 图 2.10 波导管通风孔结构
这种蜂窝状通风孔的屏蔽效能可用下式估算： 27l 20 lg SE N g = - (dB) （2.17） 式（2.17）中，l 为波导管长度（cm） ，g 为波导管通风口径（cm） ，N 为波导管数目。 采用蜂窝状通风孔陈列与用穿孔金属板作通风孔或在通风孔上覆盖金属丝网相比，具有工作 频带宽、对空气阻力小、风压损失小、机械强度高和工作稳定可靠等优点。 蜂窝状通风孔阵列有普通型和高性能型两种。 普通型在 1GHz 频率时可提供 60dB 以上的屏蔽 效能；高性能型能满足军标和 TEMPEST、NEMP 等标准的要求，并能满足湿热、盐雾、高低温、 冲击振动等环境要求，在 1GHz 频率时可达到 120dB 的屏蔽效能。 3．电缆及接口屏蔽 实践证明，对于由多台设备构成的电气、电子系统，即使每个单台设备都进行了完美的屏 蔽设计，具有良好的屏蔽性能，但若设备间连接电缆的屏蔽层不理想，或电缆两端的连接器不 能提供连续的屏蔽或滤波，仍有可能为电磁干扰的辐射/接收提供路径，导致系统整体电磁兼容 性的降低。 （1）电缆屏蔽。 电缆可以等效为电偶极子发射/接收天线，电缆屏蔽层上流过的干扰电流能在电缆内导体上感应 出干扰电压，同理，电缆内导体上干扰电流的变化也会在电缆外部产生辐射场，其辐射场强是干扰 电流、电缆长度和距离的函数。由于电缆总有一定长度，其接收/辐射的能力往往比机箱内部各种引 线和 PCB 板走线更强。因此，电缆是现代电子系统中仅次于天线，且令人烦恼的辐射/接收器。另 外， 在同一电缆内导线之间或不同电缆之间也存在串扰引起的电磁耦合现象。 当耦合长度不超过 1/16 波长时，属低频耦合。这时，若与电缆两端相接的电路工作于低阻抗，则以线间互感引起的低频磁 场耦合为主，耦合强度与电磁干扰频率、导线间距、离地面高度、耦合长度、线路阻抗和电缆屏蔽 层的接地方式有关；若与电缆两端相接的电路工作于高阻抗，则以线间互电容引起的低频电场耦合 为主，耦合强度与电磁干扰频率、导线间距以及屏蔽、滤波的措施有关。当电缆长度大于 1/4 波长 时，串扰引起的耦合属高频耦合，由于这时电缆中会出现电压和电流的驻波，所以会使耦合增强。 抑制电缆辐射/接收能力的主要手段是屏蔽和滤波。所谓屏蔽就是采用屏蔽电缆。屏蔽电缆的 常见结构有：①单层编织丝网电缆。这种屏蔽电缆能提供 80%～95%的覆盖率，能对低阻抗干扰 源提供防护，例如对来自电动机控制电路、磁性线圈、过程控制设备和一般家用电器的干扰提供 防护。②双层编织丝网电缆。这种屏蔽电缆具有比单层编织丝网电缆更好的高频屏蔽效能，对来 自计算机、CAD/CAM 系统和局域网系统等的较高干扰或泄露，能提供较好的防护。③编织丝网 和金属箔组合封装电缆。这种屏蔽电缆使高频特性得到更大改善，能对工作频率接近 1GHz 或需 要全屏蔽的设备提供防护，常用于军事通信和安全部门。④软管屏蔽电缆。这种屏蔽电缆性能在 干扰波长接近于连接之间的缝隙尺寸时会降低，这种缝隙的作用就如缝隙天线一样。当出现这种 情况时，可对内部的导线进行个别屏蔽。⑤硬管屏蔽电缆。硬管电缆与软管电缆的屏蔽性能相似， 主要是适应的环境、场合不同。两者的屏蔽效果与实心金属板的相同。⑥缠绕的高导磁金属片屏 蔽电缆。当屏蔽材料采用高导磁率金属片时，由于它在冷处理时会降低导磁率，不能拉成管状结 构，所以必须螺旋缠绕。为可靠起见，有时还需要加一保护性的橡胶覆盖层。 值得一提，要使电缆获得良好的屏蔽效果，不仅电缆本身需要屏蔽好，而且电缆终端及接口 处也要屏蔽好。
（2）电缆屏蔽终端的处理。 一般说来，针对不同电路与电缆，可有以下几种屏蔽终端处理方法：①对于传输高频信号的 同轴电缆屏蔽的终端处理，其多点屏蔽的系统应在电缆的信号传输线两端接地，如方便的话，最 好在传输线中间的接口处也接地。②对于音频敏感电路的屏蔽终端处理，其屏蔽接地只需在一端 进行。③对于同时具有音频和射频敏感特性的电路，应使用具有屏蔽的绞线，并在屏蔽两端都接 地。④对于同轴电缆和音频敏感引线以外的其他屏蔽电缆，通常均可通过一个共同的卷边圆环或 等效装置进行终端屏蔽，如图 2.11 所示。其中共同的卷边环或等效装置采用了两个地线：一个从 卷边环到连接器外壳，另一个通过接线器的接地针脚。 无论采用上述哪种屏蔽终端处理方法，有几点是要共同注意的：所有电缆屏蔽与被屏蔽的信号 线都应当是绝缘的，以防止出现信号线接地；二是所有屏蔽不应该作为四路导线；三是屏蔽终端与 接口（连接器）周围必须有完全的搭接。另外，当不只一个屏蔽的接口必须与一根电缆及接口相连 时，为确保每个屏蔽都完好无损，对穿过多个针脚同轴接口导线的每个屏蔽应分别进行终端处理。 图 2.11 通过公共卷边环进行终端屏蔽 卷边环 应力减压器 接线器壳 接线器壳内的屏蔽条带 通过接线器的 卷边环地线 与应力减压器相 连接的卷边环 屏蔽发辫线折回到卷边环 （a）接线器外壳的公共卷边屏蔽终端 接线器隔板 卷边环 壳接地 在两端屏蔽接地 （b）屏蔽终端处理 卷边环在接线器 应力减压器接地 屏蔽条带通过 接线器
（3）屏蔽电缆终端连接器。 为了进一步抑制电缆及连接器的干扰辐射/接收能力， 还必须阻止干扰电流流入/流出电缆的芯 线和屏蔽层，一种简单可行的办法就是采用滤波器连接器。滤波器连接器是一种在每个插孔中安 装了低通滤波器的带屏蔽壳连接器，如图 2.12 所示。插孔中安装的低通滤波器有电容型、电感型、 LC 型、p型、T 型等。 图 2.12 滤波器连接器 滤波器连接器按性能高低可分成以下 4 种类型：①普通经济型 D 型滤波器连接器。适用于电 磁兼容性要求不高的一般民用电子产品。②高性能、高密度 D 型滤波器连接器。适用于电磁兼容 性要求较高的产品，如欲销往欧洲市场的民用电子产品、工业控制设备和军用设备等。还适用于 个人计算机、图形工作站、蜂窝式移动通信系统和医学电子设备等。③超高性能 D 型滤波器连接 器。适用于高速脉冲信号系统或对电磁兼容性要求特别高的场合，如需要满足军用标准和 TEMPEST 标准的设备。这类连接器为获得理想的干扰抑制效果而多采用p型滤波器。⑤军用滤波 器连接器。这是专为军用装备生产的一类高性能连接器。 值得指出，无论哪种滤波器连接器，使用时最重要的是要保证良好接地，而为了保证它能良 好接地，在连接器与屏蔽机箱之间一定要有良好接触，最好使用焊接方式或射频密封衬垫。 综上所述可以看出，屏蔽与滤波、接地实际中是不可分割的。
2.5 滤波技术
2.5.1 滤波器的特性与分类 滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，以这两种不同功能为目标而设计的网络分别称 为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器（EMI 滤波器）。 实践表明，即使一个经过很好设计并且具有合适的屏蔽与接地措施的系统，也仍然会有传导 干扰发射或有传导干扰进入此系统。滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法，当干扰频谱的成 分不同于有用信号的频带时，就可以用滤波器将无用的干扰过滤减小到一定程度，使传出系统的 干扰不至于超出给定的规范，使传入系统的干扰不至于引起系统的误动作。滤波器将有用信号和 干扰频谱隔离得越充分，它对减小有用信号回路内干扰的效果就越好。因此，恰当地设计选择和 多层陶瓷盘状阵列电容器 铁氧体磁珠正确地使用滤波器对抑制传导干扰是极为重要的。实际中，电磁干扰滤波器（EMI 滤波器）主要 应用于以下一些场合： ① 在高频系统中，用于抑制工作频带以外的任何频带上的干扰； ② 在各种信号电路中，用于抑制频谱成分不同于有用信号频谱的干扰； ③在电源电路、操纵电路、控制电路和转换电路中，用于抑制沿这些电路的干扰。 但有一点要说明，滤波器在许多情况下只是作为一种临时的措施，用于弥补先前设计不周所 带来的缺陷。在设计初期进行周密考虑，往往可以避免使用这类临时引入的滤波器。例如，充分 地满足电路的线性要求有可能避免使用谐波滤波器，改进延迟电路的隔离性可以避免使用瞬变抑 制滤波器，等等。由于电磁干扰滤波器的可靠性一般低于屏蔽和接地，加之成本因素的考虑，实 践上应尽量减少使用作为临时措施的干扰滤波器，只有在绝对必要时才引入它。 滤波器的设计既可以用电抗组件实现，也可以用吸收组件实现，前者将不需要的干扰信号反 射回去，后者将不需要的干扰信号吸收掉。 滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、输入输出阻抗、插入损耗、功率损耗、相位 延迟、重量大小、可靠性、工作温度和其他环境条件等。其中最重要、最有意义的是作为频率函 数的插入损耗。插入损耗定义为： 1 2 20 lg in V L V = （2.18） 式（2.18）中， V 和 V 1 2 分别为接入和不接入滤波器时信号源在接收端（负载阻抗上）建立的 电压。插入损耗的大小是随工作频率的不同而变化的，通常把插入损耗随频率的变化曲线称为滤 波器的频率特性。按频率特性，可以把滤波器大体分为低通、高通、带通、带阻 4 种类型滤波器， 如图 2.13 所示。 图 2.13 4 种滤波器的频率特性 （a）低通滤波器 （b）高通滤波器 （c）带通滤波器 （d）带阻滤波器 f fc fc f fc1 fc2 fc1 fc2 f f
当然，滤波器也可以按其他原则分类。例如，按滤波机理分，可分为反射型滤波器和吸收型 滤波器，其中反射型滤波器按结构形式又可分为 T 型、p型、C 型、L 型等；按频率动态响应特性 分，可分为巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器、巴特沃斯－汤普森滤波器和椭圆响应滤波器等；按 滤波器应用目的分，可分为电源滤波器、EMI 滤波器和信号选择滤波器等。 2.5.2 EMI 滤波器的特点 EMI 滤波器相比于信号选择滤波器，在技术要求上有其明显特点： （1）EMI 滤波器往往工作在阻抗不匹配的条件下，干扰源的阻抗特性变化范围很宽，其阻抗 通常是整个频带的函数。由于经济和技术上的原因，不可能设计出全频带都匹配的滤波器，因此 在设计或选用 EMI 滤波器时， 应首先明确工作频率和所要抑制的主要干扰频率， 如两者非常接近， 则需应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两者分离开来。所采用的 EMI 滤波器应在宽频带范 围内，对共模和差模干扰均有很大的插入损耗，以抑制所有的乱真信号。 （2）干扰源的电平变化幅度往往比较大，因此 EMI 滤波器必须有足够高的耐压（额定电压）， 以保证在输入电压为脉冲电压或变化范围较大时，其内部部件不会出现饱和效应，更不会被击穿 或烧毁，仍能可靠的工作。 （3） EMI 滤波器连续通以最大额定电流时， 其温升要低， 以保证在该额定电流下连续工作时， 不降低滤波器中器件的工作性能。 （4）为使在线工作的 EMI 滤波器的频率特性与设计值相符，要求与它连接的信号源阻抗和 负载的数值等于设计时的规定值，若干扰源输出阻抗未知，或其值在一个很大范围内变化，则可 在滤波器的输入端和输出端同时并接一个固定电阻以使它具有比较稳定的滤波特性。 （5）EMI 滤波器在阻带内应对干扰，有足够的衰减量，而对有用信号的损耗则应降低到最小 限度，以保证有用电磁能量的最大传输效率。 （6）EMI 滤波器必须具有屏蔽结构，且屏蔽箱盖和本体应有良好的电接触。滤波器的电容引 线应尽量短，最好选用引线电感小的穿心电容器。 （7）EMI 滤波器的故障往往比系统中其他元器件的故障更难检测和诊断，所以要求他比其他 元器件有更高的工作可靠性。 （8）EMI 滤波器的安装质量对其滤波效果影响很大，只有安装位置恰当，安装方法正确，才 能对干扰起到预期的滤波作用。安装时要注意以下几点： ① 安装位置要依据干扰的侵入途径确定。当只有一个或很少几个干扰源影响多个敏感设备 时，应在干扰源一侧接入滤波器，这样不仅可以减少使用滤波器的数目，而且可以使干扰局限于 干扰源附近，降低对低电平线的屏蔽要求。反之，当只有一个敏感设备而有多个干扰源时，则滤 波器应安装在敏感设备一侧。而如果干扰来自电源线辐射，则应在电源出口处安装滤波器，否则 辐射干扰将通过各种途径侵入敏感设备。 ② 滤波器的输入配线和输出配线应尽量远离，且屏蔽隔离，以最大限度地减小输入输出之间 的耦合电容，减小其旁路作用引入的传导干扰与辐射干扰。 ③ 滤波器必须设有良好的高频接地，否则，当滤波电容与地线阻抗谐振时，将产生很强的干 扰，降低高频滤波效果。为此，滤波器多采用机壳直接接地。 ④ 滤波器的所有连线特别是地线应尽量短，并按顺序布置，如图 2.14 所示。
