- 電磁干擾的屏蔽問題
- 屏蔽殼體的設計問題
- 合適殼體的尺寸
- 減小縫隙的影響
- 接縫的密封嚴密
到了20 世紀40 年代中期，出現了大量的與軍事有關的射頻干擾（RFI）規范需要滿足，射頻襯墊也開始被使用（鈹銅、銀填橡膠、蒙乃爾導線紡織網）。1956 年頒布了用于三軍的屏蔽殼體測量規范，即MIL-STD-285。50 年后，這個規范仍然被用于對屏蔽殼體的評價。盡管最初是被設計用來測量屏蔽殼體衰減的（源位于殼體之外），但該標準還是被用于幾乎任意一種屏蔽殼體的測量。如何測量殼體非常重要，測量技術應該反映殼體實際的使用情況。
同樣的道理也適用于殼體的設計。因此某些很可能出現的問題作為影響因素必須在殼體的設計過程中予以考慮。設計者需要處理輻射發射、輻射敏感度、感性或者容性串擾以及這些問題的組合嗎？另外，這些問題是源自平面波、電場或者磁場耦合嗎？如果被保護的設備僅對磁場敏感或者只產生磁場，那么為向其提供120dB 的電磁衰減而擔心就顯得毫無意義。因為屏蔽殼體是被設計用來包圍或排斥電磁能量的，所以要理解屏蔽殼體的設計過程就必須討論輻射的電磁場和電磁波的特性。
場和波
一個靜電荷可能會通過對設備中相似電荷所施加的排斥力而導致該電子設備的重新啟動（半導體尤其如此）；但如果靜電荷保持不變，它是不會產生電磁場的。相反，由運動電荷組成的電流會產生磁場。如果電流是穩態的，磁場也將是穩態的。一個穩態磁場是不會產生輻射電磁場的。
如果電荷作加速或減速運動或者電流增大或減小，就會產生變化的磁場。如此一來就會產生變化的電場，源就會輻射出電磁能量了。電磁能量既可以產生于高阻抗的電場源（高電壓－小電流）也可以產生于低阻抗的磁場源（大電流－低電壓）。如圖1 所示的單極天線和環天線就是這兩種源的典型代表。
在靠近源的區域，電場和磁場的關系非常復雜；盡管既有電場又有磁場，但該區域要么基本體現為電場要么基本體現為磁場。在遠離源的區域，電場和磁場的關系變得穩定了，即E/H=120π。電場和磁場的這種關系如圖2 所示。EMC從業者通常采用簡化和近似的距離，即R=λ/2π，并認為場在該處出現從近場到遠場轉變。這個公式的前提假設是源結構的尺寸小于半個波長。天線的設計者們所尋求的更加精確的表達式可能會成為上述觀點的一個例外情況。[page]
屏蔽效能模型
用于屏蔽效能分析的典型模型有三個，其中一個僅適用于低頻段（包括直流），其它兩個適用于射頻。在低頻段，材料的感抗小于材料的電阻，屏蔽效能基本取決于材料的電導率（對電磁場而言）和磁導率（對磁場而言）。這種經驗常常會導致一個錯誤的認識，即材料的電阻決定了屏蔽效能。各種射頻襯墊的制造廠商們試圖利用材料的體電阻來明確表示其屏蔽效能，然后將這些數值應用于全頻率范圍，但這些數值在這些頻率范圍內是無效的。如果在從直流一直到很寬頻率范圍內研究電容的特性顯然就會發現：同一個結構在直流情況下雖然具有很高的直流電阻，但其在高頻情況下的射頻阻抗會非常低。反之對電感同樣成立。反射型屏蔽既需要低電阻又需要低的射頻阻抗。僅僅通過測量電阻是無法決定射頻阻抗的。
電路法
在大概300kHz 到3GHz 的中間頻率范圍內，可以利用電路法對屏蔽效能建模。在這個頻段范圍內，屏蔽取決于材料的轉移阻抗。這一方法是Wheeler 在20 世紀50 年代中期為估計殼體的磁場屏蔽而提出的。這種技術后來被擴展到包括磁場、電場和電磁場的屏蔽。電路法將屏蔽殼體描述為一個短的環路天線（磁場）或者一個粗的電振子天線（電場和平面波）。
通過將殼體建模成一個天線的電路法所提供的答案考慮了殼體的整體尺寸和屏蔽材料的特性等因素。該方法的本質是確定殼體表面感應的射頻電流（和給定尺寸的天線結構類似），殼體內的場是利用通過轉移阻抗得到感應電流，并分析這些感應電流在殼體內產生的電場而得到的。相對于后續將要介紹的傳輸線法而言，通過改進，電路法很容易用于分析殼體上的縫隙和不連續，但它同樣也有一些不足。如果殼體的尺寸（相對于頻率而言）允許出現駐波，即如果殼體的最大尺寸等于半個波長，則殼體就會變成一個射頻腔體，此時就需要選擇傳輸線法來分析了。
傳輸線法
傳輸線法是20 世紀40 年代由Schelkunoff 提出的。簡而言之，輻射場和屏蔽體之間在阻抗上的差別會導致一部分入射到殼體上的能量在殼體表面被反射（R），一部分能量在穿過屏蔽材料時被吸收（A）。如此一來，屏蔽效能就可以按各種引起場強變化的貢獻因素來分別加以表述。屏蔽效能的這種表述容易形象化，在屏蔽理論中經常被采用。對于那些大的、沒有不連續部分的均勻殼體，如果波長比殼體的尺寸長，Schelkunoff 的方法就會特別合適。
該方法沒有考慮殼體的尺寸，而且因為有平面波的假設前提，所以它無法對低頻情況下（殼體的尺寸和波長相比很小）的磁場、電場衰減做出準確的估計。作為MIL-STD-285 的作者，Richard Schultz 對Schelkunoff 的方法進行了修改， 形成了Schelkunoff-Schultz 綜合分析方法。盡管該方法有很大的改進，但在估計磁場衰減的問題上它仍然不是完全有效。用于磁場屏蔽分析的最準確的方法是King 在1933 年基于麥克斯韋方程組提出的一種方法。John Quine 等人在這方面做了大量的工作，在RADC 他們利用傳輸線法對屏蔽殼體上諸如縫隙和射頻襯墊的不連續部分進行了分析。
盡管本文會涉及這些方法中的每一種的要素，但討論還是會主要集中在傳輸線方法上。另外，本文還會采用一些教學法上的簡化，盡管這可能會給一些讀者帶來困難，但我們還是會對一些基本概念作闡述的。
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研究對象可以分成兩種：在第一種情況下射頻源處于殼體之外，而在第二種情況下射頻源處于殼體之內。上述兩種情況如圖3 所示。
在兩種情況下都有，
其中，F1 和F2 分別表示靠近射頻源一側和相反的另一側的殼體表面處磁場、電場或者平面波的場強。
在第一種情況下，源在殼體外部，整個屏蔽效能（單位為dB）可以近似歸納為
其中
A= 吸收損耗（單位為dB）
R()= 反射損耗（并非真正的損耗而是射頻能量朝反方向傳輸。因為射頻源處于殼體外部，所以朝反方向傳播的能量就可以被視為是一種損耗。）
B= 對內部多次反射的修正系數。只有吸收損耗小于10dB 的非常薄的材料，該參數才會顯著。本文對該參數將不予討論。
在更高的頻率上，殼體的屏蔽效能取決于吸收。吸收和入射到殼體上的波的種類無關，它由如下所示的表達式給出：
射頻能量之所以在殼體表面被反射是因為入射波的阻抗（Zw）和屏蔽材料的阻抗（Zs）不匹配。對于那些遠處的源，無論其初始源的阻抗和間隔距離如何，只要其間隔距離等于或大于d=λ/2 或者1/6 波長，其波阻抗就會穩定在Z0=120π歐姆上。另外，對于那些附近的源，其波阻抗會隨初始源阻抗以及源和屏蔽材料之間的間隔距離而變化。低阻抗源（磁場）的波阻抗會小于120π（即377）歐姆，而且它會隨著間隔距離的增大而逐漸增大，直到極限值。
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高阻抗源（電場）的波阻抗會大于120π 歐姆，而且它會隨著間隔距離的增大而逐漸減小，直到極限值。由此，有三個等式被用于計算屏蔽體表面的反射。這些等式假設Zw/Zs 或Zs/Zw >10。當λ/2πr或2πr/λ=1 時，電場和磁場等式就變得和平面波的等式一致了。
平面波：
需要注意的是Zs 會隨頻率的上升而增大，這會導致反射系數數值的減小。圖4 給出并對比了銅和鐵的屏蔽效能。
在第二種情況下，整個屏蔽效能（單位為dB）可以近似歸納為
SEdB ≈ AdB
其中
A = 吸收損耗（單位為dB）
R()
在這種情況下，之所以沒有將反射R() 當作一種損耗來考慮是因為被內部墻體反射（方向改變）的能量仍然處于殼體內部。盡管必須承認R() 不嚴格等于0，但其影響仍然非常小。這些殼體內部的反射可能會導致和產生干擾的信號不同相的衰減波。它們要么可能會對產生它們的電路的操作形成干擾，要么可能會和正常波疊加從而導致電磁場的增大。即使這些可能發生的事情都沒有發生，反射波還可以和正常波一起通過縫隙同時泄漏出殼體，從而導致整個場強的增大。當殼體的尺寸增大到駐波可以存在的時候，諧振放大也
開始出現了。由此，殼體內的電場強度一般會增大30dB 到40dB，大大超出了前面一些問題的影響。即使是非常好的殼體，這個問題同樣存在。例如，大多數軍用航空電子設備的殼體都是由30 到40 密耳厚的鋁板制成的。
雖然我們無法測量、也不可能實現這么高的衰減，但從中顯然可以發現：不考慮反射對問題的分析沒有影響。[page]
殼體的尺寸
我們不經常討論屏蔽殼體的尺寸對屏蔽效能的影響。而尺寸之所以會有影響是因為殼體的Q 值與儲存在腔體空間中的和消耗在內表面區域中的能量的比值成正比。屏蔽效能和殼體的體積直接成正比，和Q 值成反比，而Q 值會因為任意一個損耗部分而改變，例如射頻襯墊、接縫、材料的變化、安裝的元件等等。如果有讀者想了解更多關于這方面的信息，可以參考John Quine 等人在RADC，Rome，NY 所做的大量的有關這方面的研究（論文）。
尺寸也決定了殼體的諧振頻率。諧振使得SE 隨頻率波動。雖然衰減可能保持不變，但殼體內的場強在諧振頻率處會增大。內部場強增大，看上去就好像殼體SE 性能惡化一樣。因為諧振而造成的等效SE 損失的典型值為30 到40dB。但是Georgia Tech 所做的研究顯示對于Q 值極高的殼體，損失最高會到60 dB。
對于一個簡單的矩形殼體（尺寸為L，W，H，單位是米），各諧振頻率可以通過下面的表達式計算得到
令l 和m 等于1，而且n 等于0，則我們可以計算TE110模對應的腔體的最低諧振頻率。
場強的增大是非常顯著的！根據USN Dahlgren，VA，[M.Hatfield 等] 為MIL-STD-461 所做的混響室諧振腔體方面的研究可知，一個不加負載（空）的反射腔體內的平均電場強度可以計算如下：
峰值場強比平均值要高6 到8dB，而且整個殼體的場強分布并不是均勻的。既然腔體的Q 值與儲存在腔體空間中的和消耗在內表面區域阻抗中的能量的比值（Vol/As）成正比，而且使用磁導率相同的材料，那么對同樣的腔體結構，其Q值將和腔體表面電導率成正比。空的銅殼體在2000MHz 頻率下，如果沒有加載則其Q 值約為26,000；如果加載則其Q值約為2600。下面是2000-MHz、10 瓦信號在殼體內所產生的場，其中天線系數取為0.9：
諧振帶來的影響是個主要問題，對航天器的設計者和制造者尤其如此。
一般來說，加載一些導電或者吸波的材料會減小殼體的體積，并增加內表面的面積。隔板和區域劃分會提高諧振頻率，減小Q 值，并對元件/ 模塊提供局部屏蔽。
既然沒有考慮縫隙和其它不連續所帶來的影響，那么上述計算得到的這些高屏蔽效能的數值代表的就是屏蔽效能的最佳情況了。不幸的是，建造一個完全理想焊接的殼體是無法實現的。大多數殼體都要求開口以方便控制、面板的嵌入，通風和觀察等。這些縫隙和不連續就會形成主要的屏蔽殼體的泄漏。
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縫隙的影響
雖然縫隙的形狀各異，但如果能夠將屏蔽效能視為和等效形狀縫隙天線的輻射效率相反的問題，就可以得到一個簡單的模型來計算最壞情況下縫隙的屏蔽效能。雖然這種假設也會導致一些錯誤，但對設計而言就足夠了，因為實際的屏蔽效能會高于計算給出的結果。最大開口尺寸為D 的單縫隙的屏蔽效能由下面等式的第一部分給出。等式的第二部分是對多個同樣尺寸縫隙情況的修正。
這個等式可以根據尺寸（D）決定究竟采用何種形狀的接縫才能滿足給定的衰減，但一般來說接縫最大不能超過D=λ/50。這將造成非常小的開口！例如，為了在10GHz 的頻率（1000MHz 時鐘頻率的10 次諧波，在高速數字設備中并不少見）下獲得可以接受的衰減值，接縫不能超過0.6 毫米。這就要求在制造過程中采用連續焊合。
接縫的密封
雖然屏蔽面板或外殼可以采用各種材料，但殼體的屏蔽效能主要取決于面板和外殼與殼體之間連接的密封情況，即接縫密封處的射頻搭接的質量。任何獨立的面板或外殼，如果沒有充分接地或者和殼體充分搭接，就會成為一個發射天線。如果將面板單點接地會降低天線的效率并防止其成為天線，但這不會消除通過其它縫隙的泄漏。
考慮到其有效性，屏蔽接縫周邊密封的最好方法依次是電焊、銅焊、錫焊和鉚接（例外：在高振動環境中鉚接優于錫焊）。不幸的是，這些方法很難實現保養和維修上的便利。盡管允許緊密安裝螺絲釘或者卡釘，但現場移除還是不方便。因此，殼體通常采用主動接觸設計以提供并保持接觸面之間的低射頻阻抗連接。可供該設計采用的密封方式包括凸起、分段互鎖密封刀邊、表面交迭和射頻襯墊。依靠密封的設計，這些方法都可以完全免除使用緊固件；但在任意情況下，它們都允許在間隔更遠的情況下使用緊固件。基于不同材料和結構的組合，有超過2000 種不同的射頻襯墊設計。在好的印刷電路板設計中，至少60dB 的衰減
對大多數商業應用而言就足夠了。軍用設備的典型要求是80到100dB。不同的射頻襯墊材料在其電氣特性、機械特性和腐蝕特性上都有實質上的差別。而且，每種襯墊都有相對于其它種類襯墊更為適宜的應用。具體選用哪種取決于使用襯墊的殼體的密封種類。僅僅根據衰減量，在要求超過80dB衰減的情況下，鈹銅、錫、鍍銀金屬或者填充金屬的人造橡膠襯墊都很常用；在要求60 到80dB 衰減的情況下，還可以選擇蒙乃爾合金、鎳、錫銅鐵和鍍銀的織物；在要求60dB及以下衰減的情況下，任何材料都可以選用。
接縫的構造
有四種不同構造的接縫形式可供選擇，即(1) 單獨接縫，(2) 壓縮接縫，(3) 剪切或摩擦接縫，(4) 絕緣或阻塞抑制接縫。這些接縫的結構如圖5 所示。最能夠代表單獨接縫的是搭板對接。示例中的頂部和底部接縫處于安裝在機架上的空白面板或活頁抽屜之間。因為沒有交疊，所以很難應用傳統的襯墊材料。此時傾向使用的密封方法是在接縫處使用帶背襯粘合的導電薄片或織物帶。
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這種靜態（固定）的結構經常被使用在重量較輕的航天器和衛星上，但這也不意味著它就是一種永久的解決方法，而且它也不能反復的打開和關閉。壓縮密封往往是最常使用的密封形式。它雖然不是最好的，但它確實有效。這種結構也是希望形成一種靜態的連接。在這種應用中，面板和縫隙的周邊交迭。如果接觸表面是導電的，通過螺絲（尤其是大扭矩型）的密集使用一般會滿足60dB 的商業要求。對于更高水平的衰減要求，接縫設計可以使用任意類型的射頻襯墊材料來密封。
既然襯墊材料的壓力是垂直于面板的，那么就必須在其周邊均勻使用螺紋緊固件或卡釘以保證射頻密封。如果選擇的是低壓力的襯墊，就可以使用更輕質的殼體材料和更寬的緊固件間隔。隨著殼體結構的小型化和復雜化，襯墊的選擇就會受到限制，可以使用現場成型的、印刷的或者硬化人造橡膠的襯墊。剪切密封是唯一的一種動態結構，它的處理和其它兩種不同。這種類型的接頭有幾種不同的結構，即平口、刀口、改進刀口和/ 或者縱向的。這些設計中的機械力都一致地和面板表面平行，因此無需緊固件或者卡釘來支持屏蔽。
顯然，這種設計可以不用緊固件。無需對接或者分段邊沿就可以使用平面板蓋，因此很難確認它和周邊的良好接觸。如果對衰減的要求很高需要采用射頻襯墊，通常采用帶金屬簧片的襯墊；但是也有用泡沫織物結構的。如果使用的是織物襯墊，就要留心密封設計以保證織物不會被磨損。如果使用的是簧片襯墊，這種結構在最寬的頻率范圍內具有最好的屏蔽效果，而且它還是自清潔的。因為改進這種結構的樣式以適應既有產品是非常困難的，所以在產品設計之初就應該考慮這種設計。這種設計如果在最初就被加以考慮，一般會以最低的代價獲得最好的性能。
絕緣（阻塞抑制）接縫和上述三種密封方法有很大的差別。對那些實現寬帶射頻密封的結構而言，它們依靠的是接觸表面之間金屬與金屬的低阻抗射頻連接。而阻塞抑制接縫針對的是那些無需在寬頻帶上實現射頻密封的高頻設備。有些設備還要求蓋子和基座之間必須絕緣。而實際上，還有些甚至要求金屬蓋子必須覆蓋塑料以減小其腐蝕、方便其清潔。如果只是要求在高頻窄帶的情況下實現衰減，用微波阻塞抑制密封接縫就可以實現了。這種接縫實質就是一個射頻濾波器。接縫的每個邊都被加工成四分之波長或者二分之一波長的槽以反射形成一個相位不同的信號分量，該分量和原信號疊加從而實現衰減。通過使用階梯結構，開槽可以被調諧以增加帶寬，但不幸的是，它無法獲得和前面三種設計一樣的帶寬。
屏蔽設計的過程
本設計過程并不總是有效，但它提供了一種初始的方法。首先規定待測設備的輻射要求。該規定的確定可以通過測量電磁環境（EME）或者參考目前軍事或商業上對需要屏蔽設備所適用的規定就可以了。一旦這一工作完成，就可以確定待測設備的輻射發射和敏感度水平了。即這可以通過計算，也可以通過測量或者預測分析（P&A）來完成。有三個頻段需要分析：
（1）100kHz 以下，
（2）100kHz 和100MHz之間以及
（3）100MHz 以上。
隨后通過將這些輻射發射和敏感度水平做相互的比較、并與規定的環境要求做比較就可以確定所需的最差屏蔽效能了。（注：雖然不經常發生，但有時會出現輻射發射水平超過輻射敏感度水平的情況。這表明有一個主要的潛在自兼容問題，它必須和環境電磁兼容分開解決。）為了顧及某個系統和另外一個系統之間電磁特性的差異，必須添加電磁兼容的安全裕量（EMCSM）。如果發射和敏感度水平是通過測量得到的，這個電磁兼容安全裕量取為6dB，如果是通過預測分析得到的，就取為12dB。
頻率低于100kHz
發射和敏感度問題的頻率低于100kHz 就意味著這是一個磁場（HF）耦合問題。在這種情況下，屏蔽效能主要取決于殼體材料的類型。不管材料如何選擇，首先必須決定最高頻率情況下對屏蔽效能（SE）的要求，然后加上適當的電磁兼容裕量。
然后，假設使用的是一種便宜的導磁材料，通過令其吸收損耗（A）＝ SE+EMCSM 來計算其所需的厚度（t）。
如果計算得到的厚度（t）小于設計的最大允許厚度，則本過程結束。否則，增加厚度并/ 或者改用更高磁導率的材料，重復計算。冷軋鋼作為設計開始選用的材料非常合適，如果需要可以再選擇熱軋鋼，然后是純鐵。
如果對厚度和磁導率兩方面的要求迫使你必須選擇一個非常高磁導率的材料時，例如納米金屬，conetic 或者超透磁合金，你可以在決定選擇使用這些材料之前再次考慮一下設計中對材料厚度的限制問題。對磁場屏蔽而言，為了接縫兩邊磁通的過渡，需要采用交迭接縫（氣隙最小）。交迭長度的要求是材料厚度的10 倍到100 倍，但通常采用0.5 英寸。其中不采用射頻襯墊，也不要采用搭板對接。
頻率高于100kHz
頻率高于100KHz的發射和敏感度問題既可能是一個磁場耦合問題也可能是一個電場耦合問題。在這種高頻下，任何一種情況都能夠使用導電材料。設計的步驟取決于射頻源是在屏蔽內部還是外部，取決于所需的衰減量是多少（即大于或者小于60dB），取決于頻率是大于還是小于100MHz。設計中，首先確定最高率下對屏蔽效能（SE）的要求，然后加上適當的電磁兼容裕量。
如果源在殼體內部，假設使用的是一種便宜的導電材料（例如鋁），通過令其吸收損耗（A）＝ SE+EMCSM 來計算其所需的厚度（t）。如果計算得到的厚度（t）小于設計的最大允許厚度，則本過程結束。否則，增加厚度并/ 或者改用導磁材料，重復計算。冷軋鋼作為設計開始選用的材料非常合適，如果需要可以再選擇熱軋鋼，然后是純鐵。如果源在外部，假設使用的是一種便宜的導電材料（例如鋁），先計算屏蔽材料的反射。
在這種情況下，反射（R）所要求的材料厚度約為集膚深度，因此它和材料的厚度基本無關，尤其是在更高的頻率上。如果較低頻率上的反射已經足夠，則材料選擇結束。如果不夠，就可以通過令其吸收損耗（A）滿足A+R ＝ SE+EMCSM 來計算其所需的厚度（t）。如果計算得到的厚度（t）小于設計的最大允許厚度，則本過程結束。否則，增加厚度并/ 或者改用導磁材料，重復計算。最后，只要材料的特性確定，就可以根據表1 所總結出的衰減與頻率之間的關系來選擇接縫設計和射頻襯墊，并完成整個設計。
