电磁屏蔽理论简单分析.doc

电磁屏蔽理论分析 随着现代科学技术的发展，各种电子电气设备为人们的日常生活及社会建设提供了很大帮助，同时由此产生的电磁辐射与干扰问题又制约着人们的生产和生活，它不仅影响通讯甚至直接威胁到人类的健康及我们赖以生存的自然环境，因此有关电磁屏蔽问题受到人们的极大关注。 所谓电磁屏蔽就是利用导电或导磁材料将电磁辐射限制在某一规定的空间范围内，按其原理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。 一、静电屏蔽 1、外电场屏蔽 下图1为利用导体空腔屏蔽外部静电场的原理示意图。A 为需要屏蔽的物体，S为导体屏蔽空腔，在静电平衡条件下空腔外表面两侧感应出等量异号的电荷，电力线终止于导体外表面上，整个腔为等位体，腔内无电力线，因而实现腔内物体不受外电场影响的目的。 图1 2、内电场的屏蔽 当屏蔽带电体的电场时，除了要用导体空腔将带电体屏蔽起来外，还必须将屏蔽空腔接地。图2为屏蔽腔不接地状态下的电力线分布情况，屏蔽腔的内表面感应出于带电体等量的负电荷，外表面感应出等量的正电荷。若将屏蔽腔接地，如图3所示屏蔽空腔外表面所感应的电荷将通过接地线流入大地，外部电场消失，电力线被限制在屏蔽空腔内部起到屏蔽作用。 图2 图3 二、稳横磁场的屏蔽 静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域，其依据的原理是利用高导磁材料所具有的低磁阻特性，使磁感线大部分从磁性介质中穿过，从而导致磁场在磁性介质中明显加强, 而在磁性介质所包围的区域内则明显减弱，起到屏蔽作用。如图4所示。 图4 定量分析 如下图 n为界面法线单位矢量，从介质1指向介质2，由边界条件 (1) （2） 其中为面电流密度，对于稳恒磁场，=0 （3） 由（2）（3），得 （4） （5） 又，得 （6） 由（5）（6）得 （7） 由（7）可知当时，得，从而由得。由此知大部分磁场能量并没有进入磁导率为的介质中，而是存在磁导率为的介质中。假如磁导率为的介质做屏蔽体，磁导率为的介质2所在空间为所要屏蔽的空间，那么介质2所在空间磁场强度大大减弱，起到屏蔽作用 三、电磁屏蔽理论分析 首先我们引入几个量方便我们解决问题： 一、1、电磁波的阻抗 具有电阻的量纲，经进一步整理， ，特别的在真空中=377; 这是一个很关键的中间量，在以下的计算中我们会一直借助这个量来详细的讨论平面垂直入射的电磁波的屏蔽情况。 假设 是屏蔽层外、中、腔内的波阻，屏厚L， 分别是屏外的电磁场的电场和磁场的分量， 分别是屏内的电磁场的电场和磁场的分量（由于屏腔内电磁波的多次反射效应较弱， 在此我们就将其忽略不计） 2、反射系数 3、传输系数 ， 设电磁波的传播方向与屏蔽层表面法线成θ角， 表示入射波、反射波、传输波的传送方向， 表示入射波入射角、传输波的出射角和传输波的折射角； 利用电场和磁场分量在界面切线方向连续的原理： 所以 当=0时，我们便可以得到： （ρ+τ=1） 对于电磁波在介质中的传播规律的方程组如下： 设 解为 其中 良导体时 （） 电介质时 二、电磁波传输系数的一阶近似： 电磁波在穿过一介质是必遇到两个界面如下图， 它在此两个界面处的传输系数分别为 所以总的传输系数是 三、电磁波在介质中的多次反射而形成的多次反射效应： 波由Z1进入Z2的反射系数，传输系数： 波由Z2进入Z3的反射系数，传输系数： = 界面2 反射波在界面1的反射系数： 4、 波进入Z2为到界面2时 5、当反射到界面1时 6、电磁波再经界面1反射后 如此反复经过一定时间稳定后，Z2中的正向电场强度为 可以看出这是一个等比数列，且公比小于1 所以 E穿出右界面2的强度为 总的传输系数为 同理：仿照以上电场的分析，在磁场中的总的传输系数为 其中 由于在空气中 经计算得且令 可以得出 定义屏蔽效率 令 分别命名 吸收损耗 反射损耗 多次反射效应 下面分别对这三个量进行分析讨论： 吸收损耗 （金属，） 可以看出其频率越高吸收损耗越厉害； （2）反射损耗 其中 在实际应用中Z1通常是空气， Z2通常是金属 在低频时（） 可见对于反射损耗其频率越低损耗越大 （3）多次反射效应 在金属