ファラデーケージとしてのアルミ箔：シールド効果、表皮深さ、および実用限界

フォイルエンクロージャーの物理学

ファラデーケージは、導電性表面での入射波の反射と、透過するエネルギーの吸収という 2 つのメカニズムによって機能します。シールド効果は、反射損失、吸収損失、および多重反射補正の合計であるデシベル単位の SE として表されます。反射損失は、低インピーダンスまたは平面波フィールドの薄い導体で支配的ですが、吸収損失は厚さと周波数とともに増加します。導電率約3.77×10のアルミニウムの場合⁷S/m および比透磁率 1 の両方のメカニズムは、数マイクロメートルの厚さの材料で利用できます。

表皮深さ: 箔の厚さが低周波でのみ重要となる理由

表皮深さは、電流密度がその表面値の 1/e に低下する深さであり、角周波数、透磁率、および導電率の積で割った 2 の平方根によって与えられます。アルミニウムの場合、結果の値は次のようになります。

吸収損失は、厚さの 8.7 倍を表皮の深さで割った値 (デシベル単位) と推定されます。表は実際の境界を示しています。厚さ約 10 ～ 15 マイクロメートルの標準的な家庭用フォイルは、約 10 MHz 以上では電気的に厚いシールドとして機能しますが、主電源および可聴周波数では 1 表皮深さよりもはるかに薄く、減衰のほとんどは反射とエンクロージャの接地から生じます。これが、ホイルラップが屋内で携帯電話の信号を遮断し、低周波磁気シールドとしては十分に機能しない理由です。

本物のファラデーケージの漏れ箇所

フォイルエンクロージャにおけるシールドの主な損失は、フォイルではなく不連続部分です。波長の約 20 分の 1 より大きい開口はスロット アンテナとして機能し、効率的に漏れます。 1 GHz では、1 つの波長は約 300 mm であるため、15 mm のギャップはすでに深刻なラジエーターです。他の漏れ経路は継ぎ目の重なりです。これは少なくとも 10 mm で、単に突き合わせるのではなく接着または折り畳む必要があります。ケーブルの入り口。フィルタをかけるか、エンクロージャの壁に終端する必要があります。アルミニウム上の酸化膜は、空気中ですぐに 2 ～ 4 nm に成長し、接合部が機械的に結合されているか、導電性化合物で補助されていない限り、整流性の高抵抗接触を生成します。

材料、形状、施工方法

アルミ箔、金属化フィルム、導電性布地はすべてシールド製品に使用されます。フォイルは最も高い導電率と最も安定した長期性能を提供しますが、しわや穴が開きやすく、しわによって非常に薄い層に亀裂が入る可能性があります。金属化フィルムは、導電性が低くなりますが、柔軟性が高く、屈曲疲労に対する耐性が優れています。静電気放電も制御する必要があるパッケージの場合、通常の構造は金属層の上に静電気散逸ポリマーの外層があり、そのようなバッグは静電気放電に敏感なデバイスの保護に関する ANSI/ESD S541 の認定を受けています。構築された筐体の継ぎ目は、折り曲げ、導電性粘着テープ、または溶接によって作成され、継ぎ目の連続性は継ぎ目全体の抵抗測定によって検証する必要があります。

シールド効果のテスト

材料レベルのシールドは、ASTM D4935 のフランジ同軸伝送線法によって測定され、定義された周波数範囲 (通常は 30 MHz ～ 1.5 GHz) にわたる平面波に対するシールド効果が得られます。エンクロージャ レベルのパフォーマンスは、エンクロージャの内側と外側で校正されたアンテナを使用し、定義された周波数での減衰を報告する IEEE 299 の方法によって測定されます。どちらの方法でもデシベルが報告されますが、900 MHz で 60 dB を測定するフォイル ケージが 50 Hz では数デシベルしか測定できない可能性があるため、周波数範囲、テスト方法、およびフィールドの種類がなければ、引用された数値は無意味です。

限界とよくある誤解

3 つの点がよく誤解されています。まず、ファラデーケージは電場と電波を遮断しますが、静磁場は遮断しません。第二に、アルミ箔はアースだけではシールドしません。エンクロージャは電気的に連続している必要があり、フローティング ラップは規定の電位に接続されている場合にのみ電荷を排出します。第三に、独自の信号を送信するデバイスをラップしても、あらゆる状況で信号を沈黙させるわけではありません。これは、アンテナに近い箔層がアンテナを離調させ、単に信号を吸収するのではなく、放射スペクトルを変化させる可能性があるためです。認定製品に影響を与えるシールドの適用は、仮定ではなく測定によって検証する必要があります。

よくある質問

Q:携帯電話の信号を遮断するには、アルミホイルはどのくらいの厚さでなければなりませんか?
A: 厚さ約 10 ～ 15 マイクロメートルの通常の家庭用ホイルの 1 層で、数百メガヘルツ以上では通常十分ですが、結果は商品がどの程度完全に包まれているかによって異なります。 2 番目のレイヤーを追加するよりも、カバー範囲と縫い目の重なりが重要です。

Q:アルミホイルは磁場を遮断しますか？
A: 交流磁場のみ、その厚さが 1 表皮深さに近い範囲に限ります。静磁場は減衰せず、50 または 60 Hz ではアルミニウムの表皮深さは 10 mm 程度で、どの箔よりもはるかに厚いです。

Q:ホイルのラップは、密閉されているように見えても、シールドできない場合があるのはなぜですか?
A: 隙間、しわ、継ぎ目が目立つ。波長の約 20 分の 1 より大きい開口部は強く放射し、接合部が接着されていない限り、アルミニウム上の自然酸化膜により継ぎ目に高抵抗の接触が生じます。

Q:シールド効果の測定にはどの基準が使用されますか?
A: ASTM D4935 は、定義された周波数範囲にわたるフランジ同軸ホルダーを備えた平らな材料のシールド効果を測定し、IEEE 299 はエンクロージャのシールド効果を測定する方法を定義しています。

Q:ホイルシールドバッグと金属化フィルムバッグの違いは何ですか?
A: 箔層は導電率が高く、減衰がより安定しますが、しわができたり、亀裂が入ったりする可能性があります。金属化フィルムは柔軟性が高く、繰り返しの折り曲げにも耐えられますが、導電性は低くなります。静電気に敏感なデバイス用のバッグは、ANSI/ESD S541 の認定を受けています。

Q:アルミホイルは部屋全体を遮蔽するために使用できますか?
A: 減衰を提供できますが、これは 6 つのサーフェスすべてが連続しており、すべてのケーブル エントリが境界でフィルタリングされている場合に限られます。実際の室内シールドには、緩いフォイルではなく、硬いフォイルに面したパネル、接着された継ぎ目、およびフィルター付き貫通部が使用されます。