印刷电路板射频屏蔽：方法、材料和接地

射频屏蔽是指利用导电屏障（例如屏蔽罩、溅射涂层或接地过孔墙）来限制电路的电磁能量或阻挡外部场。其工作原理是形成一个接地的法拉第笼，反射和吸收射频信号。屏蔽效果很大程度上取决于接地质量和孔径大小。本指南将解释屏蔽的工作原理、主要方法（板级屏蔽罩、共形屏蔽和板载屏蔽技术）、如何正确接地以及如何选择合适的材料。

什么是射频屏蔽？

射频屏蔽是在电磁能量源与其他物体之间设置一道导电屏障。它有两个互补的作用。

• 遏制。 它可以防止无线电发射器或快速时钟等噪声电路的辐射逸出并干扰其他部分。
• 保护。 它可以防止外部磁场影响敏感电路，例如低噪声接收器或精密模拟电路。

无论从哪个角度来看，屏蔽层都是实现电磁兼容性这一更广泛目标的工具之一。它起到辅助而非取代良好布局的作用，并且最常用于高速射频电路板的射频或无线电部分周围。

射频屏蔽的工作原理

屏蔽的工作原理是形成法拉第笼：一个连续的导电表面，可以反射和吸收入射的电磁能量。

反射、吸收和皮肤深度

当电磁波照射到导体上时，一部分会被反射，一部分会被吸收。在射频范围内，电流只在极薄的表面层中流动（趋肤效应），因此即使是很薄的金属也能有效地阻挡电磁场，前提是表面连续且导电。屏蔽层减弱电磁场的程度用屏蔽效能来衡量，通常以分贝（dB）为单位。

为什么连续性最为重要

因为能量绝不能穿透，所以连通性至关重要。一个完全导电的盒子是理想的屏蔽层，但实际的屏蔽层会有接缝、开口和接地连接，而这些正是性能成败的关键所在。本指南的其余部分主要讨论如何保持连通性和接地，这两点是使实际屏蔽层接近理想状态的关键。

PCB屏蔽罩（板级屏蔽）

最常见的PCB屏蔽罩是一个焊接在电路板某一部分的小型金属罐。

该保护罩焊接在接地环上，接地环是由连接到接地层的焊盘组成的环状结构，环绕着受保护的电路，形成一个接地盒。两件式设计很受欢迎，因为盖子可以拆卸进行返工或调整，而框架则保持焊接状态。接地环和保护罩安装位置的焊盘在布局阶段添加，并在PCB组装阶段放置，因此保护罩必须在设计阶段就规划好，而不是后期用螺栓固定。

模块共形屏蔽

另一种替代封装方式是在封装好的模块上直接涂覆一层薄导电层。

共形屏蔽层是一种导电涂层，通常采用溅射或喷涂工艺，涂覆在模制封装或模块上，并连接到其内部接地端。它紧贴封装轮廓，高度增加极少，常用于紧凑型模块和系统级封装器件中，因为在这些应用中，金属外壳会显得过于笨重。

权衡之处在于，共形屏蔽是一种封装级别的工艺，应用于元件本身，而不是在电路板上添加屏蔽层。对于您自行设计的电路板上的某个区域的屏蔽，使用屏蔽罩或板载屏蔽技术是更实际的选择；而共形屏蔽通常是您购买的元件自带的特性。

板载射频屏蔽（过孔栅栏和保护走线）

在添加任何外壳之前，铜本身就已经内置了许多屏蔽层。

• 通过栅栏（缝合）。 一排紧密排列的接地过孔形成一道包含场的墙，用于射频走线周围和电路板边缘。
• 地面浇筑。 用接地铜填充未使用的区域，并通过过孔将其连接到平面上，从而形成局部屏蔽面。
• 守卫痕迹。 放置在敏感线路旁边的接地线有助于将其与邻近线路隔离。

过孔栅栏尤其有效：围绕射频走线排列的接地过孔栅栏状结构，能够有效地在电路板内部构建屏蔽通道。过孔间距相对于波长而言要小，这样就能保证屏蔽层与射频场保持连续性。这些技术与可控阻抗以及用于低损耗电路板和高频设计的材料完美契合。

射频屏蔽方法比较

这三种屏蔽技术满足不同的需求，许多产品都将它们结合起来。

板载屏蔽技术成本几乎为零，应作为第一道防线；屏蔽罩可在屏蔽不足的情况下提供强大的局部法拉第屏蔽层；而保形涂层则主要用于预屏蔽模块。一种常见的做法是使用过孔栅栏和接地层作为基础，然后在射频前端添加一个两件式屏蔽罩，以便仍可进行调谐。尽早确定方案可简化组装过程中的封装尺寸和步骤，高频射频布局审查也验证了该方案的有效性。

如何将射频屏蔽罩接地

这一步骤往往是决定屏蔽是否有效的关键所在。

屏蔽层必须通过低阻抗路径连接到电路板的地线，理想情况下，其周边应有多个连接点。将屏蔽层焊接在连续的接地环上即可实现这一点；过孔栅线则沿其全长连接到地层。原因是屏蔽层会承载由其截获的电场感应出的电流，而这些电流必须能够便捷地返回地线。

浮动屏蔽层或仅在一个点接地的屏蔽层不仅无效，甚至比没有屏蔽层更糟糕，因为它会产生谐振并重新辐射电磁波。实用的原则很简单：确保屏蔽层良好接地，并经常接地。正确连接接地环、过孔和平面连接是PCB制造过程中电路板设计的一部分。

屏蔽孔、接缝和泄漏

即使接地良好的防护罩也会从开口处漏气，因此控制开口至关重要。

• 保持开口较小。 泄漏量取决于开口的最大尺寸与波长的比值；许多小孔的泄漏量远小于一个大孔。
• 注意接缝。 盖子或接缝处的缝隙就像槽口一样会辐射热量；紧密接触或导电垫圈有助于散热。
• 观察槽形天线。 在某些频率下，细长的缝隙可以起到有效天线的作用，因此要避免使用过长的连续缝隙。

这就是为什么带有整齐通风孔的防护罩性能优于只有一个大开口的防护罩，以及为什么罩盖的接触面和接缝设计至关重要。开口（而非金属本身）通常是防护罩的薄弱环节，因此，通风孔的设计与防护罩本体的设计同等重要。

射频屏蔽材料

屏蔽硬件的选择需考虑导电性、可焊性、耐腐蚀性和成本。

对于大多数板级屏蔽罩而言，镍银合金或镀锡钢等可焊合金是默认选择，而用于保持接触的卡扣和垫圈则采用弹性材料。这种选择很少会显著改变屏蔽物理特性；导电性和连续性比具体的合金更重要，因此通常由可制造性和成本决定。这些选择与设计评审一样，都属于前期规划的范畴。

射频屏蔽利用接地导电屏障来限制或阻挡电磁能量，这种屏障可以是屏蔽罩、保形涂层或铜中的过孔栅栏。如果接地良好且开口较小，就能接近理想的法拉第屏蔽罩。您可以阅读更多关于Highleap Electronics及其射频和高频技术的信息。

常見問題解答

什么是射频屏蔽？它的作用是什么？

射频屏蔽是一种接地的导电屏障，用于屏蔽电路的电磁辐射或阻止外部电磁场到达电路。它形成一个法拉第笼，可以反射和吸收射频能量。射频屏蔽通常用于发射机、高速时钟等噪声源周围，以及接收机、精密模拟电路等敏感电路周围。

什么是板级屏蔽罩？

这是一个小型金属外壳，焊接在电路板的一部分上，并通过接地环连接到接地层。它可以是一体式（结构简单，不可拆卸），也可以是两件式，由焊接的框架和卡扣式盖子组成，方便返工和调整。封装尺寸必须在电路布局中规划好。

过孔栅如何屏蔽线路？

过孔栅栏是由一排紧密排列的接地过孔组成，形成导电屏障，有效地在射频走线周围或电路板边缘构建屏蔽通道。过孔间距相对于波长而言要小，这样可以保持屏障与场的连续性，从而限制能量并减少与相邻过孔的耦合。

为什么屏蔽罩必须接地？

屏蔽层会承载由其截获的电场感应产生的电流，这些电流需要低阻抗地线回流。多点接地的良好屏蔽层可以安全地释放这些电流。而悬空或单点接地的屏蔽层则可能发生谐振并重新辐射电磁场，使其失效，甚至比没有屏蔽层更糟糕。

屏蔽层上的小孔会导致泄漏吗？

泄漏量取决于开口最大尺寸与波长的比值，因此许多小孔的泄漏量远小于一个大开口，而细长的缝隙则可能起到天线的作用。应尽量缩小开口尺寸，避免过长的连续缝隙，并在接缝处使用良好的盖子接触或导电垫圈。

什么是保形屏蔽？它与罐式屏蔽有何不同？

共形屏蔽是一种薄的导电涂层，通过溅射或喷涂的方式涂覆在模制封装或模块上，并与其内部接地。它高度增加很少，适用于紧凑型模块。与屏蔽罩不同，共形屏蔽是一种封装级工艺，应用于元件本身。因此，如果您需要屏蔽电路板上的某个区域，屏蔽罩或过孔栅栏才是更实际的选择。

射频屏蔽罩使用哪些材料？

镍银合金和镀锡钢等可焊合金常用于罐体，不锈钢适用于对耐用性要求较高的场合，而铍铜合金则用于弹簧夹和密封圈。导电性和连续性比具体的合金种类更重要，因此，可制造性和成本通常是选择合金的主要因素。

我总是需要防护罩吗？还是机载技术就足够了？

通常情况下，通过板载屏蔽技术，例如栅栏、接地层和保护走线，就足以限制或隔离射频信号，而且成本几乎为零。当仅靠布局不足以达到目的时，例如在灵敏的接收器或噪声较大的发射器上，屏蔽罩可以提供更强大的局部保护。许多设计将两者结合起来，以铜箔作为基础，并在需要的地方使用屏蔽罩。

射频屏蔽能否弥补电路板布局不合理的问题？

并非总是如此。屏蔽层可以容纳一些即使布局合理也无法有效管理的能量，但它无法弥补过大的电流回路、分割的参考平面或不良的连接器连接。最经济有效的方案是首先进行合理的布局，确保可靠的接地、较小的回路、可控的阻抗，然后通过添加屏蔽层来处理剩余的问题。

如何安装和拆卸护罩以便进行返工？

一体式屏蔽罩焊接在接地环上，不可拆卸。两件式屏蔽罩由焊接的框架和单独的卡扣式盖子组成；盖子可以取下进行检查或调整，而框架则保持固定。从一开始就选择两件式设计是保持屏蔽部分返工的实用方法。