在電磁環(huán)境復雜區(qū)域,屏蔽層通過反射、吸收電磁波以及均化電場、提供接地保護等機制,有效抑制外部干擾并防止內部信號泄漏,但其性能受材料、結構、頻率及接地質量等因素影響。以下從原理、作用及影響因素三方面展開分析:
屏蔽層在復雜電磁環(huán)境中的工作原理
當電磁波進入金屬導體(如屏蔽層)時,會產生兩種能量損耗:
反射損耗:電磁波照射到金屬表面時,部分能量被反射回來。反射衰減的大小取決于屏蔽層與周圍介質之間的阻抗匹配情況。金屬導體的波阻抗遠小于空氣阻抗,因此大部分入射波能量會被反射,從而衰減進入屏蔽層的電磁場強度。
吸收損耗:電磁波進入金屬屏蔽體后,因電磁感應在金屬表面產生感應電流。在趨膚效應作用下,電流集中在導體表面,并因金屬的非理想導電性(存在電阻)而產生熱損耗,使電磁波幅度以指數方式衰減。高頻條件下,電磁場在金屬中的穿透深度很淺,設計厚度大于穿透深度的金屬板可有效抑制高頻輻射。
屏蔽層在復雜電磁環(huán)境中的核心作用
防止外部電磁干擾進入:屏蔽層通過反射和吸收機制,有效隔離外界高頻干擾信號,確保電纜內部信號傳輸不受其他設備或環(huán)境電磁噪聲影響,保持信號完整性與準確性。例如,在艦船平臺上,艙室天線系統(tǒng)的饋電線纜可能通過天線耦合或艙室壁上的窗、孔、縫等結構耦合外部電磁干擾,屏蔽層可阻斷這些干擾路徑。
阻止內部信號能量泄漏:屏蔽層將電纜內部傳輸的信號能量限制在絕緣層內,防止電磁場對外界環(huán)境造成干擾。例如,高壓電纜可能對周圍通信線路和敏感設備產生電磁干擾,屏蔽層可將其束縛在電纜內部。
均化電場,減少局部放電風險:在高壓電纜中,導體通電后周圍會形成集中電場。屏蔽層包裹在絕緣層外,強制電場均勻分布在絕緣周圍,避免電場畸變導致絕緣局部過熱或過早老化。同時,若電纜芯受損,流出的電流可通過屏蔽層流入接地網,起到安全保護作用。
提供電容電流通路與短路電流通道:電纜相當于圓柱形電容器,屏蔽層構成外極板,為電容電流提供回流路徑;當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,巨大的短路電流通過屏蔽層導通,快速觸發(fā)繼電保護裝置動作,切斷故障。
影響屏蔽層在復雜電磁環(huán)境中表現的因素
屏蔽層材料與結構:
金屬板 vs. 金屬網:金屬板的電磁屏蔽效能顯著,但工程中常因不便采用金屬網。金屬網的屏蔽效果主要來自電磁波反射,空隙率50%、每個波長上有60根以上網絲的金屬網,反射衰減可接近金屬板。實際中難以實現時,可采用雙層屏蔽。
編織型屏蔽層的縫隙:若屏蔽層有縫隙(如編織型),轉移阻抗公式中將包含互感項,考慮電磁場穿越孔隙后的影響及屏蔽層環(huán)流分量。低頻時,轉移阻抗主要由電纜屏蔽層的擴散作用決定;高頻時,主要由透射場決定。
頻率特性:
低頻干擾:屏蔽層對低頻干擾的抑制主要依賴吸收損耗,需足夠厚度以產生顯著熱損耗。
高頻干擾:屏蔽層對高頻干擾的抑制主要依賴反射損耗,因高頻電磁場在金屬中的穿透深度很淺,設計厚度大于穿透深度的金屬板可有效反射高頻波。
接地質量:
主動場屏蔽:當干擾輻射源集中時,屏蔽體需接地以消除感應電荷,否則屏蔽效率大幅降低。例如,未接地的屏蔽體周圍仍存在輻射電磁場,無法保護周邊電子設備;接地后,屏蔽體電勢與大地等同,感應電荷消失,輻射場被消除。
被動場屏蔽:適用于輻射體分散、需保護設備位置固定的場合。理論上屏蔽體可不接地,但實際中為防止靜電耦合,常要求接地。
接地方式選擇:高頻接地需限制接地線長度在波長的1/4以內,避開波長的1/4奇數倍,防止駐波產生高電壓;接地線宜采用多股銅線或多層銅皮,減小自感和渦流損耗。接地方式包括單點接地和多點接地,實際中根據頻率折中選擇。
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