5.6. Конструирование электромагнитных экранов

Для снижения уровней ЭМП и обеспечения ЭМС применяются следующие основные методы:

• рациональная компоновка (оптимальное пространственное размещение и ориентация);

• экранирование;

• фильтрация;

• заземление;

• компенсация.

К экранам, помимо требования обеспечения эффективности экранирования, предъявляются дополнительные требования, связанные с особенностями РЭС/8/:

• экран является внешним кожухом РЭС и, исходя из общего ТЗ, при его проектировании должны учитываться требования обеспечения нормального теплового режима, пыле- и влагозащиты, устойчивости к механическим воздействиям, эргономики, технологичности, ремонтопригодности и др.;

• при экранировании отдельных элементов и узлов форма и размеры этих элементов определяют конструкцию экрана. При этом экран должен компоноваться в общем устройстве и обеспечивать минимальную реакцию на экранируемый объект, а также нормальный тепловой режим элементов и узлов РЭС, ремонтопригодность и т.д.;

• экран проектируется как самостоятельное сооружение в случае защиты от внешних ЭМП или локализации излучений аппаратуры или целого радиоэлектронного комплекса, для специальных радиотехнических измерений, а также для настройки и регулировки аппаратуры (безэховые камеры).

Необходимо отметить, что экранирование является одним из эффективных средств защиты и повышения стойкости РЭС к действию мощного ЭМИ, возникающего при ядерных взрывах, а также грозовых разрядах.

5.6.1. Структура помехонесущих электромагнитных полей

Как известно, в РЭС применяются функциональные узлы (ФУ) различного назначения, которые могут работать в линейном и нелинейном режимах, различных частотных диапазонах, иметь различную мощность, восприимчивость, конструкцию и т.д. Это приводит к образованию ЭМП и их переносу электромагнитным и кондуктивным (гальваническим) путем. В этом случае ФУ, не предназначенные для генерации и излучения, могут иметь небольшие эквивалентные действующие высоты при рассмотрении их как передающих антенн. Действующие высоты этих источников ЭМП увеличиваются с ростом частоты.

В общем случае ФУ РЭС можно представить в виде совокупности элементарных электрических и магнитных излучателей (диполей), к которым относятся электрический вибратор (диполь Герца), электрическая рамка (магнитный диполь), элементарная щель и излучатель Гюйгенса. При этом электрическими диполями являются цепи аппаратуры с большим сопротивлением, высоким напряжением и малым током, а магнитными диполями - цепи с низким сопротивлением, большим током и малым перепадом напряжения.

На основании принципа суперпозиции можно считать, что все множество различных элементарных излучателей, в которых протекают случайные токи с различными временными параметрами, возбуждаются синусоидальными токами, являющимися гармониками общего тока, и действие каждой гармоники можно рассматривать отдельно.

Физические свойства помехонесущего электромагнитного поля различны в дальней и ближней зонах. В дальней (волновой) зоне (r >> ₀/2 ) структура поля элементарных электрического и магнитного излучателей совпадает со структурой поля однородной плоской волны, у которой в любой точке пространства векторы напряженности электрического и магнитного полей синфазны, ортогональны друг другу и направлению излучения, а характеристическое сопротивление среды (воздуха) Zc₀ = 120 .

В ближней зоне (на расстоянии r << ₀/2 ) отсутствует излучение, т.к. поле носит квазистационарный характер (см. раздел 5.5). В этом случае для элементарного электрического излучателя электромагнитное поле определяется (из уравнений Максвелла) /20/:

Е_r = -iI_e lcos /2 _ar³;

Е = -iI_e lsin /4 _ar³; (5.36)

H = I_e lsin /4 r²,

где I_e - амплитуда тока, протекающего вдоль вибратора;

l - длина вибратора;

r - расстояние от точки наблюдения до вибратора;

- угол между продольной осью вибратора и точкой наблюдения.

Используя принцип инвариантности (независимость представления от преобразования системы координат) уравнений Максвелла, можно показать, что поле магнитного излучателя в ближней зоне получается заменой Е, Н, _a и I_e на -Н, Е, _a и I_м cоответственно:

H = -iI_м lcos /2 _ar³;

H = -iI_м lcos /2 _ar³; (5.37)

Е = I_м lsin /4 r²,

где Iм - магнитный ток, величина которого определяется напряжением, действующим по периметру элементарного магнитного вибратора. Анализируя выражения (5.36) и (5.37), можно сделать следующие выводы:

• структура поля элементарных электрического и магнитного излучателей отличается взаимным изменением положения векторов Е и Н;

• поля ближней зоны элементарных электрических и магнитных диполей существенно неравномерны, а их интенсивности быстро убывают обратно пропорционально кубу и квадрату расстояния соответственно;

• составляющие напряженностей электрического и магнитного полей в ближней зоне сдвинуты по фазе на 90°. Поэтому вектор Пойтнинга  чисто мнимая величина с нулевым средним значением, а рассматриваемые поля являются реактивными. В результате перенос помех в ближней зоне происходит за счет электрической и магнитной индукции;

• вблизи элементарного электрического диполя создается электромагнитное поле, основная энергия которого сосредоточена в электрической составляющей (электрическое поле);

• характеристическое сопротивление среды полю элементарного электрического диполя в ближней зоне в соответствии с (5.36)

Z_e = E /H = 1/i _ar; (5.38)

• вблизи элементарного магнитного диполя создается электромагнитное поле, основная энергия которого сосредоточена в магнитной составляющей (магнитное поле);

• характеристическое сопротивление среды полю магнитного диполя в ближней зоне в соответствии с (5.37)

Z_H = E /H = -i _ar; (5.39)

• характеристическое сопротивление Z_е с увеличением расстояния от него уменьшается, а Z_н увеличивается, и оба стремятся к значению Zc₀ = 120 = 377 Ом, достигая его в дальней зоне при r >> ₀/2 .

График зависимостей Z_е и Z_н от расстояния приведен на рисунке 5.2.

Zc, Ом

3000

377

300

100

30

Рисунок 5.2. Зависимость характеристического сопротивления среды электромагнитному полю от расстояния до элементарного излучателя

1 - поле электрического диполя в ближней зоне; 2 - поле магнитного диполя в ближней зоне; 3 - поле электрического и магнитного диполей в дальней зоне

В соответствии с рассмотренными особенностями электромагнитного поля в дальней и ближней зонах экраны, предназначенные для его ослабления, делятся на электромагнитные (ЭМЭ), электростатические (ЭСЭ) и магнитостатические (МСЭ). Как мы уже отмечали, при расчете ЭМЭ используется теория электромагнитного поля, основанная на решении уравнений Максвелла. Для анализа экранов, предназначенных для работы в ближней зоне, т.е. существующих отдельно электрических и магнитных полей, применяют более простые методы (основанные на решениях уравнения Максвелла для частных случаев) с использованием представлений о взаимных емкостях и индуктивностях между экранируемыми друг от друга элементами.

В пределах одного устройства выполняется в большинстве случаев (исключение  ВЧ и СВЧ аппаратура) условие ближней зоны электромагнитного поля (r<< ₀/2 ).