EMC(5)——磁场的屏蔽

磁场的屏蔽

磁场，一般我们分为低频磁场，频率在100kHz以内，另外，还有高频磁场，这个其实是平面波里面的磁场分量。
先来看低频磁场的屏蔽。

低频磁场的屏蔽

根据电磁屏蔽的基本原理，低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，另由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此通过吸收和反射很难达到所需的屏蔽效能。
所以，对于低频磁场，靠吸收和反射，都不可能，那么，低频磁场怎么屏蔽呢？
对低频磁场，要利用高导磁材料具有低磁阻的特性，利用磁旁路来实现屏蔽。

看这个图，使用高磁导率材料，那么磁阻很小，低频磁场入射到屏蔽体，屏蔽体的磁阻比空气还低，所以，主要通过屏蔽体，而穿透到屏蔽体内的部分很少。
就是这个效果，基本上通过屏蔽体导走了，不会进入屏蔽体内部！

屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，此时空间的磁场会集中在屏蔽材料中，通过空气的磁通极小，从而使屏蔽体内敏感器件免受磁场干扰。

看这个仿真，横轴频率，纵轴幅度，对于低频磁场，铝板的屏蔽效能极低，因为铝板的磁导率很低，所以，磁阻相对比较大，起不到磁屏蔽的作用。
下面我们来看低频磁场，屏蔽效能计算，主要是看低频磁场屏蔽效能决定因素。

这是低频磁场磁屏蔽的效果图。
Hi，屏蔽体内的磁场强度；
H0，屏蔽体外的磁场强度；
Rs，屏蔽体的磁阻；R0，空气的磁阻；
mr，屏蔽材料相对磁导率；
p，屏蔽体厚度；
b，屏蔽体与保护位置距离。
我们可以用两个并联的电阻分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻，用电路分析的方法来计算磁场的分流。

就是这个，入射磁场，有两个路径，一个是磁性材料路径，一个是空气路径。
根据电路原理，Hi = H0Rs/（Rs + R0）
此时屏蔽效能：
SE = H 0 / H i
SE = 2mrp/π*b
从屏蔽效能公式，我们可以看出，低频磁场，与屏蔽体磁导率、屏蔽体厚度是成正比的，与屏蔽体与保护位置距离成反比。

这是常用的机箱屏蔽材料！
一般，我们屏蔽低频磁场，都是使用第二行的高磁导率材料屏蔽，比如硅钢，碳钢，坡莫合金等。
银铜金铝这类高电导率材料对低频磁场没有屏蔽作用！
因为这类材料磁导率很低，磁阻很大，起不到磁旁路作用。
总结下，磁导率μ越高，屏蔽罩越厚，则磁阻Rm越小，低频磁屏蔽效果就越好。
再来看下高磁导率材料特性。
随场强的变化，外加磁场强度较低时，屏蔽材料磁导率随外加磁场的增加而升高，当外加磁场强度超过一定值时，磁导率急剧下降，这时材料发生了磁饱和。

看这个图，磁导率是图中的斜率，低频时随频率升高，斜率一直是增大的，即磁导率增大。
在达到饱和的时候，磁导率基本为0了，而材料一旦发生磁饱和，就失去了磁屏蔽作用。
材料磁导率越高，越容易饱和。
那么，强磁场时，磁性材料会饱和，那么对强磁场如何屏蔽呢？
解决方法就是，强磁场单层屏蔽容易发生磁饱和，采用双层屏蔽，将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内，中间留有气隙，气隙可以填充非导磁材料做支撑。
先用不容易发生磁饱和的磁导率低的材料将磁场衰减到一定程度，然后用高磁导率材料将磁场衰减到满足要求。

看图，双层屏蔽，第一层，低磁导率材料先衰减，第二层，高磁导率材料进一步屏蔽，这样，就避免了屏蔽材料在强磁场时磁饱和，从而失去屏蔽作用。
下面来看，低频磁场屏蔽设计要点：
（1）选择相对磁导率较高的材料做屏蔽体；
（2）选择足够的屏蔽体厚度，厚度越大磁阻越小；
（3）减小屏蔽盒接缝的磁阻；
屏蔽盒子接缝处，如果接触不良那么就会增加磁阻，所以要降低接缝的磁阻，就要加类似的高导磁率材料填充。
（4）屏蔽孔缝等尽量不切断磁路，尽量沿磁场方向分布。

看这个，屏蔽体开口时要注意磁场方向，这个图磁场方向和缝隙垂直，那么，就会导致这个磁路的阻抗增加，降低磁场屏蔽的效果。
改进的方式，就是让缝隙的方向，和磁场方向一致。

像这个图，两个方向一致，那么磁路上的阻抗会降低，对磁屏蔽的效果比垂直这种情况效果更好。

看图，这是低频磁屏蔽的产品，一般都是硅钢、碳钢、坡莫合金这类材料！
最后一点，也要说下磁屏蔽材料一个特性，就是其很容易消磁，磕磕碰碰等等，都会导致磁屏蔽材料褪磁。
解决方法就是重新加磁，这是一种工艺，所以，后面大家做低频磁场屏蔽，所用的材料，使用时尽量轻拿轻放，避免褪磁。
看案例：
早期的CRT显示器，应用很多，最近几年才被液晶替代。
CRT的特点是电子在磁场中运动轰击荧光屏，所以这种显示器容易受磁场的干扰。
受干扰后发生图像扭曲、失真、滚动等现象，因此，最有效的方法是对显像管进行磁屏蔽。

这种罩子就是用在CRT显示器上用来磁屏蔽的罩子！

高频磁场的屏蔽

高频交变磁场指的是高频电磁场中的磁场分量，平面波电场和磁场其实一直在相互转化！
对高频磁场的屏蔽，原理，是利用电磁感应现象在低电阻良导体表面所产生的涡流反磁场来达到屏蔽的目的。

看这个，一般，电磁场在导电回路会感应电压和电流，那么，对屏蔽体来说，屏蔽体的面其实就是无数个闭合回路，那么，电磁场就在这些回路里面感应出电流，这个就称为涡流。
这些涡流电流，由于屏蔽体阻抗很低，涡流电流很大，此时，涡流电流又会产生一个反磁场，这个反磁场，和入射磁场方向相反，那么，就可以相互抵消。
也就是利用涡流反磁场对原干扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。

看图，磁场产生涡流，涡流又产生反向磁场，高频情况下，感应涡流产生的反磁场足以排斥原骚扰磁场，从而起到磁屏蔽作用。
所以，导电材料适用于高频磁场屏蔽。因为导电材料，电阻很小，涡流电流很大。
频率低时，产生的涡流也小，涡流反磁场也就不能完全排斥原骚扰磁场，所以该屏蔽方法主要用于高频磁场屏蔽。
屏蔽体电阻越小，产生的涡流越大，因此高频磁场的屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料，例如铜、铝、铜镀银等。
这个和低频磁场完全不一样了，低频磁场，要用高磁导率材料，但高频磁场，是要高电导率的材料屏蔽！
铁等磁性材料的电阻率一般都较大，产生的涡流小，屏蔽效果差；另磁性材料的高频功率损耗大，因此屏蔽高频交变磁场时不采用磁性材料。
下面，来看下，高频磁场屏蔽设计要点：
（1）选择相对电导率高的材料做屏蔽体，屏蔽盒电阻越小，产生的涡流越大；
（2）高频磁屏蔽屏蔽体无需很厚（0.2-0.8mm），趋肤效应涡流仅在屏蔽体表面薄层流过，屏蔽体内层被表面涡流屏蔽；
（3）屏蔽体在垂直涡流方向不应开孔或有缝隙，否则将切断涡流，削弱反磁场对原干扰磁场的抵消作用，使屏蔽效果变差，若缝隙或者开口沿着涡流方向，则对屏蔽效果影响很小。


看图，增大了表面电阻，涡流电流减小，反向抵消效果变差。

这个是改变了开口方式，降低了表面电阻，涡流影响不大。
所以开口方向也很重要，典型的，垂直于导体表面的涡流方向。

这样开孔就是不对的，开孔的方向，和电流方式一致，如果一圈圈开环形的口影响就小。

这样开槽影响要小。

来看这个高频电磁场的屏蔽！
金属外壳，使用铝铣外壳，对于高频磁场，表面电阻很小，有很好的屏蔽作用。
上下壳体，中间填充导电橡胶条等，低阻抗导电搭接。
磁场屏蔽，分为低频磁场和高频磁场两种情况，屏蔽方式也不一样！需要根据低频和高频磁场的情况，采取相应的屏蔽手段。