5.2 屏蔽（Shielding）技术实施

5.2 屏蔽（Shielding）技术实施

本节摘要：SOURCE 5.2：屏蔽罩、导电 gasket 与腔体谐振；SE（Shielding Effectiveness）与缝隙/leak 控制。

故障场景：加屏蔽罩后 2 GHz 反而更高

腔体谐振 在罩内激发峰值；或罩与 GND 单点连接 不足，缝隙成 slot 天线。整改：罩内吸波材料、多点点焊、开 ventilation 孔避开谐振。

该案例的完整经过：某 WiFi 模块加装 0.2 mm 洋白铜屏蔽罩后，2.4 GHz 频段辐射反而升高 6 dB。近场扫描发现罩内 PCB 的 2.4 GHz 信号与罩体构成腔体谐振（罩体尺寸约 25 mm×20 mm×3 mm，主模谐振恰好落在 2.4 GHz 附近），谐振把本来辐射不出去的能量「激发」了出来。此外罩体只有四角焊接，长边中点未焊，缝隙形成 slot 天线。整改：在罩内粘贴 1 mm 吸波垫、长边加密点焊至 5 mm 间距、重排内部走线避免平行于腔体边。整改后 2.4 GHz 处比无罩时低 12 dB。教训：屏蔽罩不是「加上就屏蔽」，它本身就是一个谐振腔与缝隙天线的综合体，设计不当反而放大问题。

一、屏蔽效能

SE 取决于材料 μ,σ、厚度、频率与 缝隙最大尺寸（须 <λ/20）。PCB 级屏蔽罩常用 0.2 mm 洋白铜，多点焊接至 GND。

屏蔽效能由三部分构成：吸收损耗 A、反射损耗 R、多重反射修正 B：

• 吸收损耗 A\propto t\sqrt{\mu_r\sigma_r f}，随频率上升而增大，高频主要靠吸收；
• 反射损耗 R\propto 20\lg|Z_w/(4Z_s)|，低频主要靠反射，场阻抗（近场/远场）对 R 影响大；
• 多重反射修正 B：屏蔽体薄时多次反射泄漏不可忽略。

工程上最重要的不是材料参数，而是缝隙：即使材料 SE 高达 60 dB，一个 λ/20 的缝隙就能把 SE 拉到 20 dB 以下。缝隙主要来自罩体接缝、点焊间距、开孔与线缆入口。

import math

def seam_se_db(freq_mhz: float, max_dim_mm: float) -> float:
    """缝隙对 SE 的破坏：按 slot 天线模型估算，λ/20 为失效边界"""
    lam_mm = 299792.458 / freq_mhz  # 空气中波长
    if max_dim_mm > lam_mm / 20:
        return 20.0   # 缝隙超限，SE 被拉低到 ~20dB
    # 近似：SE 随缝隙尺寸下降
    return 20 * math.log10(lam_mm / (20 * max_dim_mm)) + 20

for dim in [1.0, 2.0, 5.0, 10.0]:
    print(f"最大缝/孔 {dim:>4.1f} mm @2.4GHz → SE 被拉低至约 {seam_se_db(2400, dim):5.1f} dB")
​

二、腔体谐振

屏蔽罩构成封闭腔体，在特定频率出现谐振（与第 3 章平面谐振同源）。矩形腔主模：

当 PCB 上的谐波频率与腔体谐振频率重合时，罩内场被放大，辐射泄漏反而增强。设计对策：

1. 算：在设计阶段估算罩体谐振频率，避免与板载时钟/数据谐波重合；
2. 吸：罩内贴吸波材料（磁损耗型），压低腔体 Q 值；
3. 改：调整罩体长宽比与高度，把谐振推离目标频段；
4. 接：罩体多点接地，让罩体与 PCB 地平面构成更小的有效腔。

def cavity_freq_ghz(a_mm, b_mm, h_mm, m=1, n=0, p=0) -> float:
    c = 299.792458  # mm/ns
    return c / 2 * math.sqrt((m/a_mm)**2 + (n/b_mm)**2 + (p/h_mm)**2)

for a, b, h in [(25, 20, 3), (30, 25, 3), (15, 10, 2)]:
    f = cavity_freq_ghz(a, b, h)
    print(f"罩体 {a}x{b}x{h} mm → 主模 TE101 ≈ {f*1000:6.0f} MHz")
​

三、屏蔽接地与结构件

• 点焊间距 ≤ λ/20（2.4 GHz 时约 6 mm，实际取 ≤5 mm 更稳妥）；
• 罩体固定脚：四角 + 每长边 2–3 个焊点，焊接面必须与参考地同层；
• **gasket（导电泡棉）**用于可拆卸结构，压缩率 20–30%，接触面须去氧化层；
• 通风开孔：圆孔优于长条缝，孔间距无关紧要，关键在单孔尺寸与等效面积。

四、何时不用屏蔽

SOURCE 医疗植入：面积不足指甲盖，屏蔽失效——须靠差分、匹配与 Stackup 编码抗扰，而非罩。

当板面积小到「罩体尺寸接近谐振波长」、或结构上无法保证多点接地时，屏蔽的负面效应（谐振放大、装配公差、成本）会超过收益。此时应回到第 1–3 章的手段：收紧差分对称、严格匹配、优化叠层与回流，把抗扰能力「编码」进电路本身。

⚠️ 常见坑：罩内不接地或仅一点——比无罩更差。

💡 关键直觉：屏蔽是 短路辐射场，不是「包住就行」。

五、屏蔽材料的工程选型

选型的核心矛盾是导电性与加工成本：屏蔽效能主要靠导电连续性，而缝隙与接缝恰恰是连续性最弱的环节。因此工程上「材料选对」只占三成，另外七成在「接地点密度、缝隙控制、装配工艺」。一块罩体如果只四角固定，无论材料多好，缝隙泄漏都会主导 SE。

六、屏蔽与滤波的联合使用

屏蔽与滤波不是二选一，而是互为补充的两道闸：

实践建议：先把滤波做足（成本低、易迭代），把屏蔽留给「滤波无法覆盖」的残余——如高功率 RF、电源模块的近场、以及对抗扰要求极高的医疗/车规场景。屏蔽一旦上线，维护与维修成本都会上升，必须确认其必要性。

要点速记

• 缝隙尺寸与 λ 关系决定 SE，λ/20 是硬边界；
• 注意罩体谐振与内部 Q 值，谐振点必须先算后布；
• 高密度板优先 Stackup，屏蔽作补充；
• 点焊间距 ≤5 mm、gasket 压缩率 20–30%，接地连续性优先于材料选择；
• 小板与无法接地场景果断放弃屏蔽，回到源头治理。