屏蔽罩

技术词条：屏蔽罩 (Shielding Can)

英文名称	Shielding Can / Shielding Case
物理基础	法拉第笼原理、电磁波反射与吸收
核心指标	屏蔽效能 $SE$ (dB)
关键参数	趋肤深度 $\delta$、谐振频率 $f_{res}$
根本目标	隔离电磁干扰 (EMI)、实现系统级 电磁兼容

概述

屏蔽罩（Shielding Can）是电子设备中用于电磁兼容（EMC）设计的核心物理器件。它利用导电或导磁材料制成的屏蔽体，将特定的电路区域（如射频前端、高速处理器）封闭，以阻断电磁波在空间上的耦合路径。

在现代硬件设计中，屏蔽罩不仅是解决辐射发射（RE）超标的最后防线，也是保障敏感电路（如低噪声放大器 LNA）抗扰度（RS）的关键手段。

核心原理与屏蔽效能公式

屏蔽罩的总屏蔽效能 $SE$（Shielding Effectiveness）定义为无屏蔽时空间某点的场强与加屏蔽后该点场强的比值，通常以分贝（dB）表示：

$SE=20{\log }_{10}\left(\frac{E_0}{E_1}\right)\text{ 或 }20{\log }_{10}\left(\frac{H_0}{H_1}\right)$

根据谢昆诺夫（Schelkunoff）理论，总屏蔽效能由以下三部分组成：

$SE=R+A+B$

1. 反射损耗 (Reflection Loss, $R$)

由于屏蔽材料的阻抗与自由空间的波阻抗（约 $377\Omega$）不匹配，电磁波在界面处发生反射。其简化计算公式为：

$R=168+10{\log }_{10}\left(\frac{{\sigma }_r}{{\mu }_{r}f}\right)$

其中：

• ${\sigma }_r$：材料相对于铜的电导率。
• ${\mu }_r$：材料的相对磁导率。
• $f$：电磁波频率。

2. 吸收损耗 (Absorption Loss, $A$)

电磁波穿透屏蔽体时，由于感生涡流产生的热损耗。它与材料的厚度 $t$ 和趋肤深度 $\delta$ 有关：

$A=8.686\cdot \frac{t}{\delta }(\text{dB})$

其中趋肤深度 $\delta$ 的公式为：

$\delta =\sqrt{\frac{1}{\pi f\mu \sigma }}$

3. 多次反射修正项 (Multiple Reflection, $B$)

当吸收损耗 $A<10\text{dB}$ 时，需考虑电磁波在屏蔽体内壁间的多次反射。在大多数高频工程应用中，若屏蔽体较厚，该项常被忽略。

腔体特性与谐振公式

屏蔽罩内部形成的金属腔体在特定频率下会产生谐振，谐振时屏蔽效能会大幅下降。

1. 腔体谐振频率

对于矩形屏蔽腔，其谐振频率 $f_{mnp}$ 取决于腔体的长（$a$）、宽（$b$）、高（$d$）：

$f_{mnp}=\frac{c}{2\sqrt{{ϵ}_r}}\sqrt{{\left(\frac{m}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n}{b}\right)}^2+{\left(\frac{p}{d}\right)}^2}$

其中：

• $c$：光速。
• $m,n,p$：模数（整数，如 $T{E}_{101}$ 模）。
• 设计准则：应确保屏蔽罩内电路的工作频率远低于最低阶谐振频率 $f_{101}$。

2. 孔缝泄漏损耗

屏蔽罩上的散热孔或缝隙会降低屏蔽效能。对于最大长度为 $L$ 的缝隙，其引起的 SE 恶化可估算为：

$S{E}_{slot}\approx 20{\log }_{10}\left(\frac{\lambda }{2L}\right)$

其中 $\lambda$ 为干扰信号的波长。

• 工程规则：为了保持 $20\text{dB}$ 以上的屏蔽效能，孔径或缝隙长度必须小于 $\lambda /20$。

PCB 协同设计指标

• 接地过孔间距：为了防止屏蔽罩底部与 PCB 接地层之间形成缝隙天线，接地焊盘上的过孔间距 $s$ 应满足：

$s<\frac{{\lambda }_{min}}{20}$

• 直流阻抗：屏蔽罩与主地平面之间的直流接触电阻应控制在毫欧级，以确保高频回流路径通畅。

常见应用场景表

应用类别	关注指标	推荐方案
RF 射频电路	$SE>60\text{dB}$	洋白铜材料，双件式结构，内部填充吸波材料。
高功率开关电源	磁场吸收、散热	镀锡钢或硅钢材料，多散热孔设计（注意孔径控制）。
敏感模拟采样	极低频干扰隔离	选用高磁导率材料（如坡莫合金），减少开孔。

参见

• 电磁兼容 (EMC)
• 法拉第笼
• 信号完整性
• 趋肤效应