屏蔽的思路 —— 用等效电路说明为什么接到 GND 才起作用

您是不是以为「装进铝壳里就算屏蔽了」？

实际上，金属外壳和屏蔽线不接到 GND 就没有效果。不仅如此，处于悬空状态的屏蔽层甚至会变成收集噪声的天线。本文从等效电路出发，讲解屏蔽起作用的原理。

屏蔽的三种类型

经由空间传播的噪声有三条路径，对应的屏蔽方式各不相同。

三者是不同的现象，但实际的金属外壳会同时承担这几项。下面从最基本的静电屏蔽开始说明。

静电感应是噪声通过杂散电容（寄生电容）传递的现象。若噪声源 A 与被影响电路 B 之间存在杂散电容 C1，A 的电压变化就会经由它传到 B。

那么在 A、B 之间插入屏蔽（导体板）会怎样？我们用等效电路来看。

接到 GND 的情况：A 的噪声经由 C2 传到屏蔽层，但屏蔽层接到 GND，电位被保持为零。屏蔽层电位为零，噪声就不会再经由 C3 传到 B。

屏蔽层悬空（未接 GND）的情况：A 的噪声经 C2 改变屏蔽层电位，再经 C3 传到 B。屏蔽层变成了「中继噪声的电容分压中点」，屏蔽效果为零，甚至可能更糟。

这就是「接到 GND 才开始起作用」的原因。

针对电磁波（高频）的屏蔽，靠的是金属对电磁波的反射与吸收。

空气中的波阻抗约为 377 Ω，金属的波阻抗则 ≪1 Ω。正是这一巨大的阻抗差，使电磁波的大部分在金属表面被反射。仅凭这一效应，薄金属板也能获得很大的屏蔽效果。

进入金属内部的电磁波会驱动电流（涡流）并转化为热。电磁波在金属内部前进时按指数衰减，到某一深度（透入深度，即趋肤深度）实用上已降为零。频率越高趋肤深度越小，因此在高频下即使薄金属也有足够的吸收效果。

实用结论：即使是薄金属箔，对高频电磁波也有足够的屏蔽效果。麻烦的是低频磁场（工频电源噪声等），这需要高磁导率的磁性材料（如坡莫合金）。

电磁屏蔽要完全发挥作用，前提是无缝隙地包围。然而现实的机壳上必然存在孔和缝：连接器开孔、通风口、线缆穿孔、面板接缝等。

关键不在于「孔的面积」，而在于「孔的长度（长边）」。电磁屏蔽依靠屏蔽材料上流过的感应电流起作用，而细长的孔会切断这条电流通路。即使面积很小，细长的孔也会造成很大的破坏。

对策：

屏蔽电缆的屏蔽层究竟只接一端，还是两端都接，是一个常见问题。

从静电屏蔽的角度看，屏蔽层接到 GND 就足够了，因此单端连接即可。两端都接会形成接地环路，外部磁场与该环路交链就会拾取噪声。

但对高频电磁感应而言，屏蔽效果来自屏蔽层上流过的电流。要有电流就需要环路，因此两端连接更有利。

实测结果也证实：低频时单端连接更优，高频时两端连接更优。根据所处理的频率区分使用，或采用两端连接并在设计上管理好环路，才是现实的做法。

在电路板设计中，不只是金属外壳，地平面本身就起到屏蔽作用。

让信号走线靠近 GND 平面，走线的电力线就会终止于 GND 平面，从而减少对相邻走线的串扰。这正是静电屏蔽的原理（GND 平面作为电位为零的导体发挥作用）。

在多层板中把 GND 平面放在中间层、将信号层夹在中间，就是使屏蔽效果最大化的结构。