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屏蔽罩

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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 δ、谐振频率 fres
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=20log10(E0E1) 或 20log10(H0H1)

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 377Ω)不匹配,电磁波在界面处发生反射。其简化计算公式为:

R=168+10log10(σrμrf)

其中:

  • σr:材料相对于铜的电导率。
  • μr: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 δ 有关:

A=8.686tδ(dB)

其中趋肤深度 δ 的公式为:

δ=1πfμσ

3. 多次反射修正项 (Multiple Reflection, B)

当吸收损耗 A<10dB 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 fmnp 取决于腔体的长(a)、宽(b)、高(d):

fmnp=c2ϵr(ma)2+(nb)2+(pd)2

其中:

  • c:光速。
  • m,n,p:模数(整数,如 TE101 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 f101

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:

SEslot20log10(λ2L)

其中 λ 为干扰信号的波长。

  • 工程规则:为了保持 20dB 以上的屏蔽效能,孔径或缝隙长度必须小于 λ/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<λmin20
  • 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>60dB 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