第四章 电磁屏蔽材料的使用

1. 电磁密封衬垫
1. 1 什么是电磁密封衬垫
     许多人不了解电磁屏蔽的原理，认为只要用金属做一个箱子，然后将箱子接地，就能够起到电磁屏蔽的作用。在这种概念指导下结果是失败。因为，电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系。真正影响屏蔽体屏蔽效能的只有两个因素：一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。屏蔽体上有很多导电不连续点，最主要的一类是屏蔽体不同部分结合处形成的不导电缝隙。这些不导电的缝隙就产生了电磁泄漏，如同流体会从容器上的缝隙上泄漏一样。解决这种泄漏的一个方法是在缝隙处填充导电弹性材料，消除不导电点。这就像在流体容器的缝隙处填充橡胶的道理一样。这种弹性导电填充材料就是电磁密封衬垫。
1. 2 什么时候考虑用电磁密封衬垫
    在许多文献中将电磁屏蔽体比喻成液体密封容器，似乎只有当用导电弹性材料将缝隙密封到滴水不漏的程度才能够防止电磁波泄漏。实际上这是不确切的。因为缝隙或孔洞是否会泄漏电磁波，取决于缝隙或孔洞相对于电磁波波长的尺寸。当波长远大于开口尺寸时，并不会产生明显的泄漏。因此，当干扰的频率较高时，这时波长较短，就需要使用电磁密封衬垫。具体说，当干扰的频率超过10MHz 时，就要考虑使用电磁密封衬垫。
1. 3 电磁密封衬垫的种类
    凡是有弹性且导电良好的材料都可以用做电磁密封衬垫。按照这个原理制造的电磁密封衬垫有:
    导电橡胶：
    在硅橡胶内填充占总重量70～ 80％比例的金属颗粒，如银粉、铜粉、铝粉、镀银铜粉、镀银铝
镀银玻璃球等。这种材料保留一部分硅橡胶良好弹性的特性，同时具有较好的导电性。
    金属编织网：
    用铍铜丝、蒙乃尔丝或不锈钢丝编织成管状长条，外形很像屏蔽电缆的屏蔽层。但它的编织方法与电缆屏蔽层不同，电缆屏蔽层是用多根线编成的，而这种屏蔽衬垫是由一根线织成的。打个形象的比喻，就像毛衣的袖子一样。为了增强金属网的弹性，有时在网管内加入橡胶芯。
    指形簧片：
    铍铜制成的簧片，具有很好的弹性和导电性。导电性和弹性。
    多重导电橡胶：
    由两层橡胶构成，内层是普通硅橡胶，外层是导电橡胶。这种材料克服了传统导电橡胶弹性差的缺点，使橡胶的弹性得以充分体现。它的原理有些像带橡胶芯的金属丝网条。
1. 4 不同种类的电磁密封衬垫的特点
    选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。不同衬垫材料的特点比较：
    衬垫种类优点 缺点 适用场合
    导电橡胶 同时具有环境密封和电磁密封作用 高频屏蔽效能高 需要的压力大 价格高 需要环境密封和较高屏蔽效能的场合
    金属丝网条 成本低 不易损坏 高频屏蔽效能低，不适合 1GHz 以上的场合 干扰频率为1GHz 以下的场合 没有环境密封作用
    指形簧片 屏蔽效能高 允许滑动接触 形变范围大 价格高 没有环境密封作用 有滑动接触的场合 屏蔽性能要求较高的场合
    螺旋管 屏蔽效能高 价格低 复合型能同时提供环境密封和电磁密封 过量压缩时容易损坏 屏蔽性能要求高的场合 有良好压缩限位的场合 需要环境密封和很高屏蔽效能的场合                        多重导电橡胶 弹性好 价格低 可以提供环境密封 表层导电层较薄，在反复磨擦的场合容易脱落
需要环境密封和一般屏蔽性能的场合 不能提供较大压力的场合
    导电布衬垫 柔软，需要压力小 价格低 湿热环境中容易损坏 不能提供较大压力的场合
1. 5 使用电磁密封衬垫应注意的问题
    首先要注意衬垫的压缩限位问题，任何衬垫受到过量压缩时，都会损坏。衬垫损坏后，弹性变得很差，失去有效的密封作用。其次，要注意接触面的清洁，否则接触面的导电性降低，屏蔽效能降低。最后，防止衬垫的腐蚀。电磁密封衬垫与屏蔽体基体之间发生电化学腐蚀一个必要条件是潮气和腐蚀性气体。因此防止腐蚀的一个方法是用一层环境密封将电磁密封衬垫与环境隔离开。
1. 6 市场上常见的衬垫规格
1）.金属编织网屏蔽衬垫
    富有弹性的金属编织屏蔽衬垫由标准的编织金属网制成，主要有矩形、圆形、带鳍双芯，及"P"型衬垫。由一根金属丝编织的网是由许多连续的环构成，它充当了缩小的弹簧，使衬垫保持着优良的弹性。全金属编织网屏蔽衬垫不能提供环境的密封，压缩必须控制在一定的范围内以防永久变形。通常推荐压缩比例是厚度的38%。温度限制在该金属的软化点范围之内。
2).环境密封的金属网屏蔽衬垫
    由橡胶芯编织网屏蔽衬垫和橡胶组合构成了环境密封的屏蔽衬垫。橡胶可以是氯丁橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM 橡胶）、硅橡胶等。另外，全金属编织网的矩形衬垫可以由氯丁橡胶用胶粘贴以达到防水。该产品既能很好地屏蔽，又能对尘土/液体起到密封作用，而且能被压缩到衬垫高度的50%。
3）.橡胶芯编织网屏蔽衬垫
　　橡胶芯编织网屏蔽衬垫由编织屏蔽网包在弹性橡胶芯上组成。屏蔽网通常只是单层的，我们也可提供多层的屏蔽网以满足特殊屏蔽的需求。橡胶芯可以是发泡氯丁橡胶，EPDM 橡胶，硅橡胶发泡实芯体及空芯体。该产品特别适合机壳的门的周围。正常的压缩是衬垫名义厚度的35-40%。可供的衬垫剖面有圆形，矩形,"P"形，及带鳍双芯。
2. 高导磁率材料
2.1 使用场合
　　当干扰电磁波是频率为1kHz 以下的磁场时，要使用高导磁率材料来进行屏蔽。例如CRT显示器的图象在外界磁场的作用下发生抖动或颜色失真时，就需要对显示管或整个显示器进行屏蔽。马达或变压器产生的低频磁场对周围电路产生影响，就需要将马达或变压器屏蔽起来。
2.2 使用时应注意的问题
　首先加工会降低高导磁率材料的导磁率，导致屏蔽效能下降；因此屏蔽体加工后要进行热处理，恢复导磁率，并且在安装、搬运屏蔽体时要避免敲击、振动等操作。另外，高导磁率材料的焊接要使用母料做填充料，以保证焊缝的导磁率。屏蔽体越小，屏蔽效能越高。因此在容积足够的前提下，屏蔽体的体积要尽量小。
3. 截止波导板
3.1 定义
电子设备要在复杂的电磁环境中正常工作，满足日益严格的电磁兼容标准，电磁屏蔽是十分必要的。有一点需要注意的是屏蔽体的总体屏蔽效能是由屏蔽体中最薄弱的环节决定的，要使屏蔽体的屏蔽效能达到某一个值，屏蔽体上的所有部位都要达到这个值。例如要求屏蔽系统在 10GHz 时获得大于或等于100dB 屏蔽水平，则屏蔽体上的所有组成部件，均应达到这个水平的屏蔽效能；假如其中某一部分在组装时只达到了60dB，则整个屏蔽系统的屏蔽效能将降到60dB。因此，屏蔽系统的各个组成部分，其屏蔽性能水平的匹配是十分重要的。屏蔽体上的电磁屏蔽薄弱环节是由于各种原因需要保留的孔洞和不同部分的连接形成的缝
隙。解决孔洞电磁泄漏的一个方法是截止波导。
波导是简单的管状金属结构，它在电气上呈现高通滤波器的特性。波导允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减，这与高通滤波器的频率特性相似。利用这个特性，我们可以设计波导的截止频率使干扰信号的频率落在波导的截止区内，这样干扰信号就不能穿过波导，换言之，波导起到了电磁屏蔽的作用。工作在截止区的波导称为截止波导。
波导的截止频率可应用下列公式计算：
对于圆形截面的波导： fcutoff ＝ 6900 / D
式中：D －直径（英寸）；fcutoff －频率（MHz）
对于矩形截面的波导： fcutoff ＝ 5900 / L
式中：L －矩形截面的对角线长度（英寸）；fcutoff －频率（MHz）
要保证波导对电磁波有较大的衰减，应使波导的截止频率为要屏蔽的电磁波频率的5 倍以上。当满足这个条件时，长度为 T 的波导对电磁波的衰减 S 为：
对于圆形截面的波导： S = 32 T / D （dB）
对于矩形截面的波导： S = 27 T / L （dB）
3.2 截止波导通风板的特点
截止波导通风板广泛应用于设备的通风口处，既解决了设备的散热通风问题，又具有较高的屏蔽效能，一般采用导电衬垫一体化端接方式，安装与维护极为方便。
特点：采用进口钢制蜂窝板材制作；
具有良好的通风性能和屏蔽性能；
配装导电衬垫；
螺钉安装方式，安装与维护方便；
3.3 截止波导板的应用
　　当屏蔽体上需要有物理实体的连通，并且这种连通不能造成电磁泄漏时，可以考虑使用截止波导管，例如，供暖、通风、观察孔、显示孔、器件调节孔等情况。在将截止波导应用到屏蔽体上时，要注意以下几个问题，这些问题往往被设计人员所忽视。
    1) 波导管必须是截止的：许多设计人员在使用截止波导衰减公式计算衰减时忽略了这个条件。波导管对于频率在截止频率以上的电磁波没有任何衰减作用。要应用上面的衰减计算公式，至少要使波导的截止频率是所屏蔽频率的 5 倍。在一些特殊的场合，如果作为截止波导使用的金属管道的直径超过所设截止频率对应的最大直径时，可以在波导管上加装一段蜂窝板材料。安装蜂窝板后，金属管道的直径可以增加到你所希望的任何尺寸，并还能保持高的屏蔽效能；并且对整个金属管道来说，不必要求其直径与长度之比，因为蜂窝板本身已保证了直径与长度比。
    2) 不能有金属材料穿过截止波导管：有些设计人员虽然注意了波导截止的问题，但是常常将金属材料穿过波导管，这些金属材料包括器件的调节杆、电缆等。当有金属材料穿过截止波导管时，会导致严重的电磁漏需要注意的是有些光缆的内部加有金属加强筋，这时将光缆穿过截止波导时也会引起泄漏。
   3) 波导管的安装：波导与屏蔽体基体之间的连接也是一个潜在的泄漏源。最可靠的方法是焊接，在屏蔽体上开一个尺寸与波导管截面相同的孔，然后将波导管的四周与屏蔽体连续焊接起来。如果波导管本身带法兰盘，利用法兰盘来将波导管固定在屏蔽体上，需要在法兰盘与屏蔽体基体之间安装电磁密封衬垫在屏蔽设计中使用最多的截止波导要数蜂窝板了。蜂窝板的原理是将大量的截止波导焊接在一起，构成截止波导阵列，这样可以形成很大的开口面积，同时能够防止电磁波泄漏。由于这里的截止波导截面是六角形的，形成阵列后很象蜂巢，因此称为蜂窝板。
3.4 蜂窝板的应用
     蜂窝板材料有铝箔粘接和金属板（钢板、铜板等）焊接两种。铝箔粘接的蜂窝材料是将铝箔一层一层按照一定规律粘接起来，然后拉开形成的。这种材料以往用在飞机的机翼中，因此国内很多地方都可以生产。但是值得注意的是这种材料不能直接用于电磁屏蔽。因为每个蜂窝的周边导电不连续。在实际工程中，看到很多情况是将这种材料直接应用。这样使用时屏蔽效果是很差的。因为这种原始的蜂窝材料，蜂窝单元之间的电气连接是靠在加工过程中由于“失误”造成蜂窝单元之间的“短路”形成的，它的随机性很大。要将这种材料用到电磁屏蔽上，必须进行金属涂覆处理，利用金属涂层在每个蜂窝周边形成连续导电层。一般采用的金属涂层工艺是化学镀，金属材料一般是镍。这种化学镀的成本较高，往往经过化学镀的蜂窝的成本已经接近金属板焊接蜂窝板。美国 SPIRAL 公司发明了一种特殊加工工艺，能够解决铝箔蜂窝导电性的问题，同时保持较低的成本，在下一期我们将提供这篇文章。铝箔粘接的蜂窝板的另一个问题是强度，当有较强的外力作用到蜂窝材料上时，会损坏蜂窝。因此在使用这种材料时要注意在蜂窝外安装适当的防护网。金属板焊接的蜂窝板是一种较理想的屏蔽材料，它没有铝箔蜂窝板的缺点，屏蔽效能高。虽然国外很多文献指出这种材料成本高的问题，但鉴于国内铝箔化学镀的成本也较高，与铝箔蜂窝板相比这个缺点还不是很突出。科力亚特公司制造的金属焊接蜂窝板在成本上已经接近铝箔蜂窝板。常用的蜂窝板的厚度为1/2 英寸，蜂窝单元的对边尺寸一般为l/8"(3.18mm),3/16"(4.76mm).
　使用蜂窝板材料时需要注意的问题同样是蜂窝板周边与屏蔽基体的搭接问题。这涉及到两个搭接点，一个是蜂窝板芯与边框的搭接，另一个是边框与屏蔽体基体的搭接。对于成品的蜂窝板，蜂窝板芯与边框之间的搭接是焊接好的，不需要使用者考虑（但不排除有些低质产品没有焊接，而采用压接的可能性，压接连接是不允许的，使用者在采购时要特别注意这个问题）。使用者需要处理好的是蜂窝通风板边框与机箱之间的搭接问题。由于成品的蜂窝通风板边框已经制作成法兰盘，有些已经配好电磁密封衬垫，这时蜂窝板可以直接安装在机箱上。如果成品蜂窝板的边框上没有配好电磁密封衬垫，则需要使用者自己配上，决不能不用电磁密封衬垫直接安装。当然最好的安装方法是将蜂窝板直接焊接到屏蔽壳体上。如果采用直接焊接的方法，可以使用没有配边框的蜂窝板芯，这样可以降低成本。