你知道屏蔽罩为啥能屏蔽么？

说起屏蔽罩，做射频的肯定再熟悉不过了。

板子很容易受别人影响啊，加个罩子吧；板子很容易影响别人啊，加个罩子吧。

可是屏蔽罩到底是基于一个什么原理呢？今天，我就试着来扒一扒。

静电屏蔽

所谓静电屏蔽，指的是屏蔽静电场。静止的电荷产生静电场；运动的电荷产生电场和磁场，即电磁场。

静电屏蔽，大概情形是这样的。

有一个中空导体，比如说有一个铁房子，而你站在铁房子里面，铁房子周围有很强的静电场或者被闪电击中带了电，你在铁房子里，啥也感觉不到。

同样的，如果你站在铁房子里，兜里还揣着个电量为q的电荷，则在外面的人看来，铁房子外表面也会有电量为q的电荷，而不管你揣着电荷走到铁房子的哪个角落，对外界看来，铁房子外表面的电荷分布都不会变。如果这种情况下，把铁房子外表面接地，那么不管你铁房子内部的电场如何分布，都不会影响到外界的电场。

因此，静电屏蔽可以总结为：

一个接地的中空导体，可以使得腔体内外的电场互不影响。

这个现象，可以通过高斯定理来推导出来。

上图说明，如果在壳体外面放电，壳体里面什么也感觉不到。

上图说明了，当壳体外导体接地时，壳体内部电场的变化，壳体外部也感受不到。

电磁场屏蔽

如果涉及的不是静电场，而是快速变化的电场的话，而快速变化的电场会产生磁场。所以屏蔽罩对电磁场屏蔽的机理又是什么呢？

先甩一个定义，就是屏蔽罩的屏蔽有效性。

将入射到屏蔽罩表面的电/磁场与进入到屏蔽罩里面的电/磁场的比值，称为屏蔽有效性(shielding effectness)。

假设干扰源为远场源，因为如果是近场干扰源的话，分析方法又会有点不一样。

一般屏蔽罩都符合以下两个条件：

(1) 良导体，所以，其中

为屏蔽罩的本征阻抗( intrinsic impedance)。

为自由空间的本征阻抗。

(2) 屏蔽罩的厚度t>>δ,其中δ为在入射频率下，屏蔽罩的趋肤深度。

电磁波入射到屏蔽罩表面时，有一部分会被反射，一部分入射进入屏蔽罩。

一般屏蔽罩都是良导体，因此进入到屏蔽罩的电磁场会以e^-z/δ的速度衰减。其中，δ即是指趋肤深度(skin depth)。也就是说，如果屏蔽罩的厚度远大于趋肤深度δ的话，那进入到屏蔽罩的电磁场会大幅度的衰减。

所以，屏蔽罩的屏蔽有效性，主要取决于反射损耗，入射衰减(其实还有一个，就是多次反射损耗，这个暂时不考虑)。

如下图所示，假设屏蔽罩的厚度为t，当电磁波打到屏蔽罩的左侧面时，有一部分波被反射，有一部分波进入屏蔽罩内（注意，这里说的屏蔽罩内，是指金属厚度t内，不是屏蔽罩中空的那部分），然后该部分波经过一定的衰减后，再打到屏蔽罩的右侧面（下图以及以下计算，是先假设入射衰减为0），然后入射到屏蔽罩中空的部分。

反射损耗

   可以从电场和磁场两个方面看一下反射损耗。

   电场的反射损耗

由上图可知，因为η1≪η0，所以电场在屏蔽罩左侧面传输系数要远小于右侧面的传输系数。

由上图可知，电场在屏蔽罩的左侧面和右侧面都基本全反射，类似电路中的短路和开路。

但是，因为Ei进入到屏蔽罩内的E1本身就已经很小了，所以就算电场在右侧面会全反射，也影响不了什么。

磁场的反射损耗

所以，磁场和电场在入射到屏蔽罩上时，在完全穿过屏蔽罩的厚度时，两者的反射损耗相等；但是呢，电场的反射损耗主要发生在屏蔽罩的左侧，磁场的反射损耗主要发生在屏蔽罩的右侧。

也就是说，当电磁波打到屏蔽罩上时，电场大部分被反射了，能进入屏蔽罩内部的只是少数；但是磁场呢，是大部分进入到屏蔽罩内部，然后想从屏蔽罩到其中空内部时，才会反射大部分。再次强调一下，这边的屏蔽罩内部是指其金属厚度内，如下图所示。

吸收损耗

上面计算反射损耗时，计算左侧面和右侧面的传输系数时，用的都是E1，是假设电磁波在屏蔽罩金属内部是没有衰减的。

但其实电场是会以e^-t/δ的速度衰减。其中，δ是屏蔽罩的趋肤深度。

所以，吸收损耗为：

总体损耗

不考虑多重反射损耗的影响，则屏蔽罩的有效损耗为：

LOSS(dB)=reflection loss(dB)+absortion loss(dB)

屏蔽罩的反射损耗随着频率的升高而降低；屏蔽罩材料的导电性越高，隔离效果越好；磁性材料会降低屏蔽罩的反射损耗。

频率升高，屏蔽罩的厚度增加，屏蔽罩的导电率的提高以及磁性材料，都能增加屏蔽罩的吸收损耗。

以下两副图，给出了导体材料和磁性材料，在不同频率下的不同损耗的数值。

由上面两幅图可知:

对于铜(σr=1,μr=1)来说,

1. 在频率<2MHz左右时，reflection loss>absortion Loss

2. 在频率>2MHz左右时，reflection loss<absortion loss

对于钢来说(σr=0.1,μr=1000)

1. 在频率<20KHz左右时，reflection loss>absortion Loss

2. 在频率>20KHz左右时，reflection loss<absortion loss

所以，在低频的时候，普通的导体和磁性材料的屏蔽罩，都是反射损耗起主要作用；而在高频后，磁性材料的吸收损耗快速增加，从而使得屏蔽罩的屏蔽性能提高。

参考文献：

1. Introduction to electromagnetic compatibility   CLAYTON R. PAUL

2. 网易公开课，《电与磁》