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基础电路中的介绍无线电设备的电场屏蔽和磁场屏蔽
接线图
2023年10月21日 08:31 140
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无线电设备的电磁屏蔽简介
电磁屏蔽（electromagnetic shield ）是指利用导电材料或铁磁材料制成的部件对大容量汽轮发电机定子铁心端部进行屏蔽，以降低由定子绕组端部漏磁在结构件中引起的附加损耗与局部发热的措施。在通信方面屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。
我们在研讨无线电设备接收和发射的工作中，常常要用到屏蔽的概念，在将交流电变换为直流电的过程中也会经常碰到到屏蔽的问题，工业上用高频交流电加工零件和医学上用高频电流医治病人时也会涉及到屏蔽。有些专业书籍上介绍的屏蔽问题太笼统，遇到一些具体问题都绕开了，咱们还是从实用的角度来探讨一下。从广义上讲，所谓屏蔽就是：用技术手段将电磁能量限制在规定的空间范围内，这种限制就是用一切可能的方法来阻止电磁能量的向内部或向外部传播。
其实，在无线电技术中，屏蔽不属于电路设计，而是属于机器设备的结构设计。在专门生产无线电设备的大型企业里，结构设计是一个专门的部门，电路设计、结构设计、工艺设计等都服从于设备的总体设计，为设备的总体设计服务。尽管现在还不能用工程计算来直接决定一个无线电电路是否需要某种程度的屏蔽，以及确定某种屏蔽的类型是否足够（通常都是用实验的方式来最后 确定），但是了解屏蔽的物理作用并对它有一定性的认识，这对我们确定无线电设备性能的优劣、改进我们手头无线电设备的性能、尤其是设计制造新型的无线接收机时进行结构设计都是有帮助的，这一点对我们的网友——直流电大侠也许会有参考价值。
电磁屏蔽包括电场屏蔽和磁场屏蔽
一、 电场屏蔽
请看下图
若A点是无线电设备中某一工作在射频状态的点，B点是同一设备中需要屏蔽的点，Do点是该设备的零电位点，C1是A点对B
点的杂散寄生电容，C2是B点对Do点的杂散寄生电容，在A点电位Ua的作用下，B点产生的电位为 Ub Ub=Ua（C1/（C1+C2）),从公式中可以看出：减小C1或增大C2 都能使Ub的电位减少。这就是设计电场屏蔽的理论基础。（上面的分析应该是用容抗的概念，为了便于说明问题，这里就 直接用C1、C2代替了。）
在设计无线电设备时，我们可以增大A、B两点之间的距离来减小C1，或是减少A、B两点的元器件表面积来减少C1，但这两种措施都有一定的局限性，所以，我们可以采取下面的方法。
请看下如图
为了减小C1，我们在A与B之间加入一块金属平板J，这时，电容C1被分为两个串联的电容C3和C4，C5为金属板与参考点
Uo之间的电容，C'为A，B之间加入金属板之后的寄生电容，其值非常小，可以忽略不计。此时经过Y/△变换后，求得Bb电压
为：Ub=Ua(C3*C4)/((C3+C5)(C4+C2))
从上式可知：当加入金属板后，Ub电位可高于或可低于加入金属板前的电位，分析如下：当C3比C5大得多的时候，金属板电位大约等于Ua电位，而C4总比原来的C1大，这时的Ub反而比加入金属板前的电位高，这时加入的屏蔽体（金属板）不是有利，反而是有害的。若增大C5，则Ub电压会下降，当C5无限增大，变成屏蔽体接地，从公式可以看出：Ub≈0，也就是说，我们达到了屏蔽的目的。所以我们得到的结论是：
1、 为了屏蔽电场，屏蔽体必须妥善接地，可以是设备的机壳、底板或电路的零电位点。
2、 由于屏蔽体内的电流不大，所以电场屏蔽的效果不决定于屏蔽体的材料厚度。
3、 在屏蔽体上为了散热或调节元器件而加工的狭槽和小孔，只要其几何尺寸比设备工作的波长和屏蔽体本身的几何尺寸小得多，就不会影响电场屏蔽的效果。
4、 改变设备的工作频率不影响屏蔽体对电场屏蔽的效果，
5、 为了更好地屏蔽电场，最好将要屏蔽的电路、元器件、
设备用屏蔽材料包围或封起来。
二、磁场屏蔽
物理学中的焦尔——楞次定律告诉我们：在有电流流过的任合电路的周围空间都会产生磁场，如果这个电流是交变的，那么产生的这个磁场也是交变的。当这个交变的磁场通过某一个闭合的回路时，在闭合的回路中就会产生一个交变的电流，这就是磁场耦合。所谓磁场屏蔽，就是把这种磁场耦合截断，或是把这种磁场耦合降低到最小的程度。
工程上解决磁场屏蔽的方法有两种，就是“山海经”里面“大禹治水”的方法，一是“堵”，二是“疏”。所谓“堵”，就是用磁阻损耗大的导磁材料把磁场能量消耗掉，所谓“疏”，就是用磁阻特别小，而且导磁率特别高的导磁材料把磁场旁路掉。
1、利用涡流和磁滞的方法（“堵”的方法）
利用导磁材料的涡流损耗和导磁材料的磁滞损耗特性来达到磁场屏蔽。
见下图所示
电路A由于交变电流引起磁场变化对电路B有磁场耦合作用，为减少这种耦合作用，我们在A与B之间放置金属板J，见下图。
在电路A交变电流产生磁场的作用下，金属板J内部将感应出交变电流，我们把这个交变电流称为涡流，涡流产生的磁场与电路A产生的磁场正好相反，从而减小了电路A对屏蔽体J后面的电路B的磁场耦合，这样就达到了利用涡流来进行磁场屏蔽的目的。
从上面的物理分析可知：
1、 涡流越大，产生的反向磁场也越大，屏蔽的作用也越好。
2、 涡流的大小由屏蔽体的电阻率和厚度有关。
3、 金属板J中的微小磁极分子在交变磁场的反复作用下会产生磁滞损耗，也会消耗电路A产生的交变磁场的磁场能量，使磁场
屏蔽的效果进一步提高。
4、 磁滞损耗大的屏蔽材料，其屏蔽效果好，铁磁材料好于铜、铝材料。
另外，由于高频电流在导线中传播时会产生趋肤效应，同样，高频涡流在屏蔽体中也产生趋肤效应，此时的趋肤效应我们把它叫做“涡流透入深度”。如果屏蔽体的厚度小于涡流的透入深度，会减小屏蔽体中的涡流，使的屏蔽效果变差。工程上常常采用下面两个表示透入深度的参数。X0.1表示屏蔽体中电流密度和磁场强度减小到表面处1/10的数值，X0.01 表示屏蔽体中电流密度和磁场强度减小到表面处1/100的值
其表达式如下:
以金属铜为例，当频率为525KHz时（中波频率的下限），通过计算我们得知：X0.1≈0.2mm（毫米），X0.01≈0.4mm（毫米）铁（低碳钢）：X0.1≈0.7mm，X0.01≈1.5mm从上述计算可知：对于中波以上的高频信号，任何金属材料制成0.5～1.5mm厚的屏蔽物，其屏蔽效果都是十分好的。当我们要屏蔽的对象是电源变压器时，工作频率是50Hz，此时的铜材料：X0.1≈22mm , X0.01≈44mm 铁材料：X0.1≈32mm , X0.01≈65mm
从上面可以看出，这么厚的屏蔽材料是不可能用在机器上的，实际上也是行不通的，所以，这时必须采用下面的方法。
二、利用高导磁率材料的屏蔽（“疏”的方法）
利用高导磁材料μ特别大和磁阻远比空气小的特点，使磁力线的绝大部分都通过屏蔽体，形成磁回路的捷径（旁路磁力线），达到屏蔽低频磁场的目的。这样的高导磁材料常见到的有：
1、 热轧硅钢片，导磁率可达6000～8000左右
2、 冷轧硅钢片，晶粒有取向的导磁率可达12000～14000左右，晶粒无取向的导磁率可达16000～18000左右
3、 坡莫合金，导磁率可达12000～20000左右
硅钢片的机械特性不好，加工成型特困难，坡莫合金的机械加工比较容易，就是成本太高。
从磁场屏蔽的物理作用来看，屏蔽体的接地与否，对磁场屏蔽的性能是没有影响的，而电场屏蔽的屏蔽体必须要接地，为了使屏蔽体同时达到电场和磁场的屏蔽，屏蔽体还是要可靠接地。
来源:朦烟
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