電磁屏蔽功能穩定性分析

前言
電子設備工作時產生的電磁能量發射會對周圍的設備產生干擾。隨著電子設備密集程度的增加，設備相互間的電磁干擾問題越來越嚴重。過去電子設備的電磁兼容性要求僅作為選擇性要求，而現在已經成為電子設備必須滿足的關鍵性指標之一。如何使電子設備具有良好的電磁兼容性是設計人員所面臨的重大挑戰和追求。
電磁兼容設計的目的有3個：首先，是使電子設備內部的電路互不產生干擾，這是最起碼的要求。由于現代設備工作的頻率越來越高，數字電路和模擬電路混合的場合越來越多，要使設備能夠可靠穩定地工作也是有一定難度的。第2，是使設備產生的電磁干擾強度低于特定的極限值。這對于計算機設備十分重要。計算機設備中的脈沖電流會產生較強的電磁輻射，干擾周圍的設備，特別是無線通信設備，如不采取有效的抑制輻射措施，計算機會嚴重影響系統的正常工作。第3，是使設備對外界的電磁干擾有一定的抵抗能力。
由于電子設備產生的電磁發射是設備內部的信號電流或電壓產生的，因此，這些發射中包含了電壓或電流的變化信息。當將這些信號中的信息提取出來時就獲得了設備所處理的信息。這是1個特殊的電磁兼容問題，即TEMPEST問題。TEMPEST技術是防止電子信息設備通過電磁能量發射產生信息泄漏發射。
實現電磁兼容和TEMPEST防護的重要手段之一是電磁屏蔽。電磁屏蔽的目的是切斷電磁波的傳播途徑。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題。它既能保證電子設備內的電路正常工作，又能保障設備的安全。屏蔽性能的好壞用屏蔽效能來表示。屏蔽效能表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度，通常用分貝（dB）來表示。一般商業設備的屏蔽體的屏蔽效能可達40dB；軍用設備屏蔽體的屏蔽效能可達60dB以上；TEMPEST設備的屏蔽效能可達到80dB以上。
但是，屏蔽體受各種因素影響，隨著時間的推移，屏蔽效能會發生變化。如何保持電磁屏蔽效能的穩定性是電子產品設計人員，尤其是從事電磁兼容技術和信息安全的專業人員要特別重視的課題。
一、 影響電磁屏蔽效能穩定性癥結分析
在電磁兼容（EMC）和TEMPEST防護產品研制設計實踐中，發現有諸多因素會造成電磁屏蔽系統不穩定或產生嚴重的電磁能量的發射和信息泄漏，而且這些因素是貫穿在由產品的設計到使用全過程的。有人認為電磁屏蔽效能穩定性只是指測試合格的產品交付使用后的問題，這是不全面的。僅舉1個實例加以說明：有1臺TEMPEST防護產品，在交付檢驗時測試指標非常好，時過半年復測時發現屏蔽效能下降10dB。經檢查發現屏蔽體搭接處的鍍鎳層有銹蝕現象，與電磁屏蔽密封襯墊壓接處的阻抗變大，造成縫隙泄漏。經查實是因為加工操作者未遵照設計圖紙的技術要求，用“強水”作錫焊助焊劑，在焊接時熱熔噴流到搭接口外，焊后沒有認真清洗而造成金屬表面銹蝕。
另外一個例子是焊縫的腐蝕問題。要保證屏蔽體的導電完整性，必須對結合處進行連續焊接。為了解決焊接長焊道變形的問題，通常在接合處采用點焊壓接后，再鍍鎳而后用錫焊封縫。由于在電鍍前要進行酸洗，往往這些酸洗液很難清洗干凈，而殘留在壓接縫中，造成慢延腐蝕現象。這些均屬于在生產加工過程中的質量控制環節問題而影響了電子產品在使用過程中電磁屏蔽效能的穩定性。
歸結起來，影響屏蔽效能穩定性的原因有許多潛在的因素，也有時效的因素。它貫穿在設計階段的設計觀念和屏蔽材料、材質和表面處理的選擇；生產、加工、裝配的質量控制；使用、維護操作的正確性和在惡劣環境下對屏蔽界面的防護等。往往潛在的因素易被忽視。
二、 解決電磁屏蔽效能穩定性的方法
1 根據技術性能要求正確選用屏蔽材料
屏蔽體的制造選材和表面處理是制約屏蔽體屏蔽效能穩定性的重要因素。
屏蔽體的屏蔽效能由2部分構成，吸收損耗和反射損耗。當電磁波入射到不同介質的分界面時，會發生反射，于是減小了繼續傳播的電磁波的能量。由于反射造成的電磁波的衰減，稱為反射損耗。當電磁波在屏蔽材料中傳播時，會產生損耗，這種損耗稱為吸收損耗。
電磁場的性質決定于源的特性、源周圍的介質特性、源到觀察點的距離。距離源較近時，場的特性由源決定；較遠時，由介質決定。由此，將源周圍的區域分為 2個，即近場和遠場。λ/2π以內的場叫近場或感應場。λ/2π以外的場叫遠場或輻射場。
近場時Eθ/Eφ稱為波阻抗。輻射源為大電流、低電壓時，波阻抗小于377Ω，磁場為主；輻射源為高電壓、小電流時，波阻抗大于377Ω，電場為主。遠場時E/H稱為波阻抗，等于377Ω。隨著距離的增加，電場中的電場分量衰減比磁場分量快，因此波阻抗下降；磁場波中的電場分量衰減比磁場分量慢，因此波阻抗增加。當電場波在介質中傳播時，它的幅度按照指數規律衰減：

　電磁衰減為原始強度的1/e或37%時，所傳播的距離稱為趨膚深度。趨膚深度的計算公式為：

　　趨膚深度的計算及概念是優選屏蔽材料的參考依據。常用金屬的趨膚深度如表1所列（單位：in）。
表1 常用金屬的趨膚深度

　　吸收損耗的計算公式:

　　式中d的單位為in；A的單位為dB。
從吸收損耗的公式可以得出以下結論：
屏蔽材料的厚度越大，吸收損耗越大。屏蔽材料的厚度每增加1個趨膚深度，吸收損耗增加約9dB。
屏蔽材料的磁導率越高，吸收損耗越大。
屏蔽材料的電導率越高，吸收損耗越大。
被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。
反射損耗與電磁波的波阻抗和屏蔽材料的特征阻抗有關。電場波的反射損耗大，磁場波的反射損耗小。屏蔽材料的導電性越高反射損耗越大。
綜合屏蔽效能:低頻時，由于趨膚深度很大，吸收損耗很小，屏蔽效能主要取決于反射損耗；而反射損耗與電磁波的阻抗關系很大，因此，低頻時不同的電磁波的屏蔽效能相差很大。高頻時，一方面反射損耗下降，另一方面由于趨膚深度減小，吸收損耗增加，屏蔽效能主要由吸收損耗決定；而吸收損耗與電磁波的種類無關。
當金屬較薄時，電磁波在金屬內的損耗很小，因此會在金屬的2個表面上多次反射；而每次到達界面時，都會泄漏一部分能量。因此，會造成屏蔽體的額外泄漏。當屏蔽體較厚時，能量在金屬內的損耗很大，多次反射造成的泄漏可以忽略。對于電場波，由于大部分能量在金屬與空氣的第1個界面反射，進入金屬的能量很小，因此可以忽略多次反射造成的泄漏。對于磁場波，多次反射造成的泄漏及其影響是必須考慮的。
低頻磁場由于其頻率較低，因此吸收損耗很小。又由于磁場的波阻抗很低，因此反射損耗也很小；而屏蔽材料的屏蔽效能由吸收損耗和反射損耗兩部分構成，當這兩部分都很小時，總的屏蔽效能也很低。為了提高屏蔽材料的屏蔽效能，必須想辦法提高吸收損耗和反射損耗。提高吸收損耗，可以使用導磁率高的材料；但是，導磁率高的材料通常導電性不是很好，這導致了反射損耗減小。為了增加反射損耗，可以在高導磁率材料的表面增加1層高導電率材料，如在鋼殼表面鍍1層鎳，對于頻率極低的磁場，即使使用較厚的高導磁率的材料仍達不到所需要的屏蔽要求。這時可以采用導磁率很高的材料，為磁場提供1條通路。使磁場繞過敏感器件。須要注意的是，高導磁材料容易發生飽和，其導磁率隨著頻率升高而降低；高導磁材料的導磁率對機械沖擊很敏感，當材料受到加工沖擊后，導磁率會大幅度降低，這在加工時要特別注意。通過適當的熱處理可以恢復材料的導磁率，但這種材料的價格很貴。
從磁屏蔽材料手冊上給出的導磁率數據大多數是直流情況下的。在1kHz時，鋼的磁屏蔽效能高于銅和鋁，低于μ金屬；在10kHz時，鋼反而優于μ金屬；而在100kHz時，鋼、銅、鋁等均優于μ金屬。這是由于頻率高時，磁導率下降的緣故。
總之用于作為屏蔽體的材料選用是保證屏蔽效能穩定性的關鍵。
2 屏蔽體接口良好的搭接工藝
電子設備屏蔽體金屬部件之間的低阻抗連接又稱為搭接。例如，電纜屏蔽層與機箱之間搭接、屏蔽體上不同部分之間的搭接、濾波器與機箱之間的搭接、不同機箱之間地線搭接等。
搭接通常是指在2種不同或相同金屬之間的低阻抗連接。這里值得注意的是，不同金屬搭接在一起時電位應盡量接近，以避免在惡劣環境中由于電位差造成金屬發生電化學腐蝕的現象。接觸面的腐蝕會導致接觸阻抗變大而使屏蔽效能下降，因此要采取相應、有效的措施。在接口法蘭處鍍1層相近電位且導電良好的涂層，如鋼制法蘭和鋁制蓋板分別鍍1層鎳，再進行搭接可以取得很好的效果，同時，能獲得錫焊的性能。對于長期固定的接口還可以用錫焊連接。
屏蔽體金屬部件之間的低阻抗連接的類型有多種，所采取的相應措施各不相同。處理不好潛在的因素，會直接影響屏蔽效能的穩定性，所以，屏蔽體接口處搭接技術及其工藝控制是非常重要的。

3 電磁密封襯墊的正確選用及安裝方法
正確地選用和安裝屏蔽性能好、抗鹽霧、耐電化學腐蝕的電磁密封襯墊是保證屏蔽體屏蔽效能穩定性的重要手段。常用的方法是在搭口縫隙處用電磁密封襯墊，利用其導電性和彈性好的特性實現縫隙電磁密封。
常用的電磁密封襯墊及其性能有以下幾種：
（1） 鈹銅指形簧片——高頻、低頻時的屏蔽效能都較高，并且適用于滑動接觸的場合。缺點是價格較高。
（2） 金屬絲網套橡膠芯襯墊——低頻時的屏蔽效能高，高頻時的屏蔽效能較低。一般用在1GHz以下的場合。
（3） 螺旋管襯墊——高頻、低頻時的屏蔽效能都較高，特別是鍍錫鈹銅制成的螺旋管襯墊，具有很高的屏蔽效能。缺點是受到過量壓縮時容易損壞。
（4）
導電橡膠——用不同導電填充物和橡膠制成，與金屬絲網相反，低頻時的屏蔽效能較低，而高頻時的屏蔽效能較高，并且能夠同時提供電磁密封和環境密封。缺點是較硬、彈性較差。新開發的雙層導電橡膠克服了這些缺點。
（5） 蜂窩屏蔽通風板——抑制電磁波的泄漏。
另外還有導電布襯墊，這種襯墊非常柔軟。適合不能提供較大壓力的場合使用。
電磁屏蔽密封襯墊的使用要點和方法是：必須具有足夠的形變才能提供足夠的屏蔽效能，因此，必須保證襯墊上有足夠的壓力。壓力太小，屏蔽效能低；壓力過大，會造成襯墊損壞。加固螺釘的間距要適當，壓力要均勻適度。因此在使用時要對壓縮量進行限位，其工藝手段有多種。安裝襯墊的不同方法如圖2所示。

圖2(a) 安裝襯墊的不同方法

圖2(b) 在機柜門壁上正確安裝襯墊的方法

圖2(c) 在薄板金屬盒上安裝導電襯墊的方法

圖2(d) 采用導電襯墊的開關
圖2 電磁密封襯墊的安裝方法
屏蔽襯墊安裝好后，電子設備經過測試合格交付使用。使用一段時間后進行復測（復測時間根據使用環境和使用要求決定）。如果發現安裝襯墊的接口處有泄漏應及時采取措施，當襯墊或金屬表面腐蝕污染不嚴重時，可以清洗金屬襯墊或金屬接觸表面；腐蝕情況嚴重的，立即更換電磁密封襯墊。

4 屏蔽界面的防護措施
電子設備的屏蔽體是用金屬材料制成的。在嚴酷的氣候條件下，特別是在高溫、高濕和大量工業氣體污染或鹽霧等惡劣環境中，金屬材料特別容易遭受腐蝕，從而嚴重影響電子設備的可靠性和它的屏蔽效能的穩定性，因此，在屏蔽設計中，對于屏蔽層的防護設計是一個很重要的環節。
由于金屬表面和搭接界面的腐蝕和氧化，電子設備的屏蔽效能隨著系統使用時間的推移而下降。很多例子表明金屬搭接表面的接觸阻抗和導電涂覆層表面阻抗會隨著時間的推遲而增大，其變化速度取決于設備長期所處工作環境的惡劣程度。設計人員要根據環境條件，開發用在腐蝕環境下的電磁密封裝置，包括綜合進行密封設計、凸緣表面處理和材料選擇；根據環境條件作防腐蝕、防潮濕、防鹽霧的有效技術設計。目前，最簡捷、可靠的辦法是采用表面噴涂一種耐蝕、防濕、防霉覆蓋層。將密封和隔離等防護舉措納入綜合考慮之中，方能保證屏蔽體在不同環境污染中保持屏蔽效能的穩定性。

5 克服屏蔽體的基本設計缺陷
電磁兼容和TEMPEST防護是一項實踐性很強的技術，決不是只了解有關理論就能解決實際問題的。具體地說電磁屏蔽設計的某些環節處理不好會給電磁兼容和 TEMPEST防護產品埋下潛在的不穩定隱患。
基本設計缺陷是設計人員不甚了解電磁屏蔽的原理，往往將靜電屏蔽的原理應用到電磁屏蔽上。在靜電屏蔽中，只要將屏蔽體接地，就能夠獲得較高的屏蔽效能；而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關，這是設計人員必須明確的。電磁屏蔽的關鍵是保證屏蔽體的導電連續性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導體。這一點實現起來是十分困難的。因為一個實際的電磁屏蔽體上有許多導致導電不連續的因素，如通風口、顯示窗口、操作器件開口、不同部分的結合處搭接口、穿出屏蔽體的各種電纜等，
正是這些因素的存在，使實際屏蔽體的屏蔽效能很難達到預期的效果。再有屏蔽體的接縫處理問題，永久性的接縫要求無阻抗連接，即不得有縫隙出現。這些因素使屏蔽體的設計成為一個較難的問題。在進行電磁屏蔽設計時，解決不好這些開口和貫通導體造成的屏蔽效能下降問題是基本缺陷。最可怕的是有時處理的不十分可靠：當檢測時還可以，但工作一段時間后，屏蔽效能將嚴重下降。
解決上述問題的基本舉措是：
通風口要安裝通風波導蜂窩板，抑制電磁波的泄漏；顯示窗口要安裝100至200目金屬網透明玻璃制成的屏蔽玻璃或透明的導電膜膠片；操作器件如按鍵、旋鈕、開關、提示燈等通過隔離層上串接穿心電容及濾波功能的接插件來實現；穿出屏蔽體的電源電纜和信號電纜，除自身要用屏蔽電纜外，與屏蔽體的接口要做專用的電源濾波和信號濾波裝置，其一是作好屏蔽，其二是抑制信號發射；不同部分的結合處要加屏蔽性能好、抗鹽霧、耐化學腐蝕的電磁屏蔽密封襯墊，以保證連續、可靠的導電性能。常用的幾種方法如圖4所示。
對于永久性的接縫，采用連續性焊接；對于長焊縫處理，為防止機殼由于焊接變形，可采用先點焊后鍍錫或鍍鎳處理后再進行錫焊的方法。使屏蔽體的幾面構成一個實際的連續導電的實體，不得有縫隙泄漏現象出現。采取這些措施后屏蔽體方能獲得較高的屏蔽性能和較長時期的穩定的屏蔽效能。
在干擾電平很高的環境中，由于設計缺陷，預計會發生大量的故障，在產品壽命初期可以通過工程的設計改進加以糾正。
結論
現代電子產品的一個主要特征是數字化、信息化、微處理器的應用十分普遍，而這些數字電路在工作時會產生很強的電磁干擾。因而，電磁干擾的問題呈現出前所未有的嚴重性。抑制電磁干擾及電磁能量泄漏的電磁屏蔽效能的長久性、穩定性是一項實踐性很強的技術，是軍事、航天、航空和信息安全部門特別關注的課題。EMI屏蔽材料的用戶在開發表征屏蔽系統穩定性的技術數據庫方面應起到積極的作用。這種數據庫可以比較不同的導電的電磁密封襯墊，屏蔽體及法蘭盤材料和涂覆層在不同環境下的性能?？紤]到導電涂層和EMI襯墊界面的防腐性能，設計者在其設計中至少應留有10~20dB的余量。設計者要特別注意控制和糾正基本設計缺陷，從設計到使用全過程都要關注電子設備電磁屏蔽效能的穩定性。