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1、电磁屏蔽理论简单分析 1/12 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与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与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
2、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，电磁屏蔽理论简单分析 2/12 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
3、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。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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图为屏蔽腔不接地状态下
4、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电磁屏蔽理论简单分析 3/12 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 12uu (1)210nBB （2）其中sJ为面电流密度，对于稳恒磁场，sJ=0 120nHH （3）由（2）（3），得 2211sinsinHH （4）2211coscosBB （5）又BHu，得 212121sinsinBBuu （6）由（5）（6）得 分界面 n 2u 1u 22H B 2 1 11H B 设提供了很大帮
5、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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽
6、理论简单分析 4/12 1122tantanuu （7）由（7）可知当12uu时，得12，从而由1221coscosBB得12BB。由此知大部分磁场能量并没有进入磁导率为2u的介质中，而是存在磁导率为1u的介质中。假如磁导率为1u的介质做屏蔽体，磁导率为2u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 EZH 具有电阻的量纲，经进一步整理，Z，特别的在真空中000Z=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
7、设 123ZZZ、是屏蔽层外、中、腔内的波阻，屏厚 L，iE iH分别是屏外的电磁场的电场和磁场的分量，tE tH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）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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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
8、物体不受外电场影必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 5/12 2、反射系数riEE 3、传输系数tiEE ，设电磁波的传播方向与屏蔽层表面法线成角，iv rv tv表示入射波、反射波、传输波的传送方向，i r t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 coscoscosiirittEEE irtHHH 1iiEZH iE iH iV i r rE r
9、V rH tH tV tE t 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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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所示屏蔽空腔外表面所感应的
10、电荷将通过接地线流入大地外部电场消失电电磁屏蔽理论简单分析 6/12 12rrttEZHEZH r21r1121coscoscoscosiiriiiitEZZEZHEEHZZZ t2t222112112coscoscostiiiiitEZEHZZZEEHZZZZZ 当=0 时，我们便可以得到：2121221ZZZ+Z2ZZ+Z（+=1）对于电磁波在介质中的传播规律的方程组如下：yxxyxHEEztHEzt 设0jtxEE e 解为0tj txEE ee 0tj tyHE eej 其中 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
11、与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 7/12 2221()121()12jj tj 良导体时2 1j（2）电介质时00
12、,j ()()jZ 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2123,22312312231223()()LLLoutinoutininEEEeEeEe 所以总的传输系数是 1223inrLouteffEeE 三、电磁波在介质中的多次反射而形成的多次反射效应：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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空
13、腔在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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 8/12 1、波由 Z1 进入 Z2的反射系数12，传输系数12：21122121221ZZZ+Z2ZZ+Z 2、波由 Z2 进入 Z3的反射系数23，传输系数23：23=3223ZZZ+Z 323322ZZZ 3、界面 2 反射波在界面 1 的反
14、射系数：122112ZZZ+Z 4、波进入 Z2 为E in到界面 2 时 2inEE Le（1）5、当2E（1）反射到界面 1 时 1223EELe（1）（1）6、电磁波再经界面 1 反射后 1Z 2Z 3Z 212311 22 33 L Z 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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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
15、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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 9/12 221212123EEE Line（2）（1）如此反复经过一定时间稳定后，Z2 中的正向电场强度为 2222221232123E EEE 1LLininEee（2）（3）可以看出这是一个等比数列，且公比小于 1 所以122221232123E 11inLLEEee E穿出右界面 2 的强度为Eout 23ELout
16、Ee 总的传输系数为 122322123EE1LouteffLinee 同理：仿照以上电场的分析，在磁场中的总的传输系数为 12232123HH21HHLHeffLee 其中 21H2121ZZZZ 23H2323ZZZZ 121212HZZZ 232322HZZZ 由于在空气中31ZZ 经计算得且令 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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在电平衡条件下空腔
17、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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 10/12 12231223122221441HHEEEHZ ZkpppZZk 212321232221HHEE222111EHZZkqqqZZk 可以得出 21LHEeffeffLp eTqe 定义屏蔽效率1220lgEESEE 1220lgHHSEH EHSESE
18、SE 1220lg20lg20lg20lg 1LLSETepqe 令SEA RB 分别命名 吸收损耗20lgLAe 反射损耗120lgRp 多次反射效应220lg 1LBqe 下面分别对这三个量进行分析讨论：（1）吸收损耗20lgLAe 21112jjjj （金 属，2）20lg20lg8.6859()LLLAee 02=8.68591312rrcurrfALLf 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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部
19、电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析 11/12 可以看出其频率越高吸收损耗越厉害；（2）反射损耗120lgRp 21120lg20lg4kRpk 其中12ZkZ 在实际应用中 Z1 通常是空气10377ZZ，Z2 通常是金属 212mjZZ
20、j 7023.69 10rrcumrcufZf 在低频时（0mZZ）7437720lg20lg168.1451-10lg4 3.69 10Rpfkf 可见对于反射损耗其频率越低损耗越大（3）多次反射效应220lg 1LBqe 22(1)22120lg 120lg 11LjLkBqeek 在金属中 01mZkZ 2(1)20lg 1LjBe当L时，有0B可以忽略不计。因此 SE=A+R=168.1451131-10lgrrLff 下面我们主要针对一定厚度特定rr的材料其屏蔽效果随电磁波频率的变化 我们取r=1 r=1 f=1 到 1M Hz的变化范围中 L=10cm 设提供了很大帮助同时由此产生
21、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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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电磁屏蔽理论简单分析
22、12/12 图像变化是 从图像上可以看出当电磁波的频率达到 100kHz 时，其屏蔽效果是很好的。小结：通过 SH的最终公式我们可以知道屏蔽效果与屏蔽层厚度，电磁波频率，磁导率成正相关的。参考文献：杨士元电磁屏蔽理论与实践 刘顺华等电磁波屏蔽与吸波材料 杨世平等电动力学 频SH 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与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屏蔽下图为利用导体空腔屏蔽外部电场的原理示意图为需要屏蔽的物体为导体屏蔽空腔在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必须将屏蔽空腔接地图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