лекции по НСТК Мищенко

экран из нескольких слоев металлов с большой магнитной проницаемостью (μ >>l). Немагнитные металлы (медь, алюминий, свинец) не способны

концентрировать магнитные силовые линии и не могут играть роль магнитостатического экрана.

Магнитостатические экраны эффективны лишь при постоянном токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты возрастает роль вихревых токов в экране, происходит вытеснение магнитного поля из толщи экрана и его повышенная магнитопроводность теряет свое значение. В области высоких частот магнитный (стальной) экран меняет режим своей работы с магнитостатического на электромагнитный, действующий по принципу возникновения вихревых токов в толще экрана. Немагнитный (медный) экран во всем диапазоне частот от нуля действует в электромагнитном режиме, поэтому его эффективность в области низких частот весьма мала.

11.3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ

Рассмотренные выше электростатические и магнитостатические экраны,

действующие по принципу замыкания соответствующих полей вследствие повышенной электро- и магнитопроводности их материалов, эффективны лишь в области низких частот. Действие электромагнитных экранов может быть

представлено как многократное отражение электромагнитных волн от поверхности экрана и затухание высокочастотной энергии в металлической толще экрана. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле. Отражение энергии связано с несоответствием волновых характеристик диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран.

Чем больше отличаются между собой волновые сопротивления диэлектрика и металла, тем сильнее эффект экранного затухания за счет отражения. Это

объяснение соответствует физической сущности рассматриваемого процесса экранирования.

Рис. 11.36. Прохождение электромагнитной энергии через экран: W - поле помех; W01 и W02 - отраженные поля; Wэ - поле за экраном.

Как видно из рис. 11.36, электромагнитная энергия W, достигнув экрана, частично проходит через него, затухая при этом в толще экрана, и частично

241

отражается от него W01 (первая, граница «диэлектрик — экран»). Ha второй

границе (экран-диэлектрик) энергия вторично отражается (W02) и лишь оставшаяся часть проникает в экранированное пространство. Следовательно, энергия при прохождении через экран уменьшается от W до Wэ, Нужно иметь в виду, что в данном примере явление отражения представлено несколько упрощенно. В действительности будет иметь место процесс многократного отражения энергии от границ (диэлектрик-экран-диэлектрик).

Электромагнитное экранирование может осуществляться с помощью немагнитных и магнитных оболочек, но из-за потерь, вносимых экраном в цепь передачи, немагнитным металлам (медь, алюминий) отдается предпочтение. В

определенной области частот наилучший эффект дают многослойные комбинированные экраны, состоящие из последовательно чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов.

Электромагнитное экранирование охватывает частотный диапазон от 103... 104 до 108...109 Гц. Для этой частотной области справедливы уравнения Максвелла в квазистационарном режиме (без учета токов смещения): rotH = σE и rotE = −iωμH .

Расчет электромагнитных экранов можно осуществлять по следующим

пренебречь и формула экранного затухания отражения упростится:

отражения (Ао).

В табл. 11.8 приведены результаты расчета (в децибелах) экранирующего действия оболочек из меди, стали, алюминия и свинца для различных типов

242

волн (магнитной, электрической и плоской).

11.3.5. ВОЛНОВОЙ РЕЖИМ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Волновой режим экранирования распространяется на диапазон сверхвысоких частот: от 109...1010 Гц и выше, охватывая область дециметровых,

243

сантиметровых и миллиметровых волн. Пределом разграничения

электромагнитного и волнового режимов является соизмеримость длины волны X с диаметром экрана DЭ. При λ ≤ DЭ наступает волновой режим

экранирования. В этом случае наряду с токами проводимости надлежит

учитывать также токи смещения и исходить из полных уравнений электродинамики: rotE = iωμH и rotH = σE + iωεE .

Если при рассмотрении электромагнитных экранов надлежит оперировать основной волной Т, то для экранов в волновом режиме необходимо учитывать волны высшего порядка Е и Н. Особенностью

волнового режима является колебательный волновой характер изменения экранного затухания от частоты. Это связано с природой электромагнитного поля сверхвысоких частот, когда λ ≤ DЭ .

Расчет экранов в волновом режиме относительно электрических и

электрического и магнитного полей. Экранное затухание отражения A0 за счет разницы в значениях ZДH и ZДЕ различно для электрического и магнитного полей. На рис. 10.37 приведены значения экранного затухания магнитного (АЭН) и электрического (АЭЕ) полей. Из приведенных данных видно, что изменения затуханий экранирования АЭ и отражения А0 в диапазоне свыше 109 Гц носят колебательный характер. Физически данное явление связано с резонансными явлениями при λ ≤ DЭ и свидетельствует о волновой природе

электромагнитного поля на СВЧ. Математически это обусловлено наличием в формулах расчета АЭ (СВЧ) цилиндрических функций первого (J1) и третьего (H1) родов. Они придают затуханию колебательный характер. При этом в определенных точках, соответствующих нулевым координатам функции J1 провалы характеристики достигают минус бесконечности.

11.3.6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ И НЕМАГНИТНЫХ

ЭКРАНОВ

Магнитные экраны при постоянном токе в области низких частот действуют как магнитостатические по принципу замыкания магнитного поля в толще экрана вследствие повышенной магнитопроводности последнего (μ=100 и выше). С ростом частоты возрастает роль вихревых токов, магнитное поле

вытесняется из толщи экрана и его повышенная магнитопроводность теряет свое значение. Экран переходит в электромагнитный режим работы и действует так же, как немагнитный экран, — за счет вихревых токов в толще экрана.

Немагнитные экраны во всем частотном спектре действуют как электромагнитные, т. е. по принципу возникновения в них вихревых токов. При

постоянном токе они не обладают электромагнитными экранирующими свойствами. С ростом частоты экранирующий эффект возрастает.

График частотной зависимости экранного затухания магнитного и

244

немагнитного экранов приведен на рис. 11.37.

Рис. 11.37. Эффективность экранирования немагнитных (1) и магнитных

(2) экранов.

На графике видны три характерные частотные зоны. В первой зоне от 0 до f = 3 ... 10 кГц магнитный экран работает в магнитостатическом режиме и обладает лучшими экранирующими свойствами, чем немагнитный экран. Во второй и третьей зонах оба экрана находятся в электромагнитном режиме. Но во второй зоне от f1 до f2=106 Гц немагнитный экран имеет больший экранирующий эффект, чем магнитный, а в третьей зоне от f2>106 Гц и выше из графика явно видно превосходство стального экрана. Это обусловлено тем, что

магнитные экраны хорошо поглощают энергию и очень плохо отражают ее (AП> АО). У немагнитных материалов, наоборот, АО>АП. Частота 0,8 ... 1 МГц является частотой раздела, ниже которой преобладает затухание отражения над затуханием поглощения (АО > АП), а выше — наоборот (АП>АО). Поэтому в нижней области частот, где экранирующий эффект определяется затуханием отражения, медный экран заметно эффективнее стального. В области высоких частот (0,8...1 МГц и выше), где начинает преобладать затухание поглощения, лучше применять стальной экран. Это положение наглядно иллюстрируется рис. 10.41, где приведен расчет значений АП, АО, А3 для медного и стального экранов толщиной 0,1мм.

245

Отличие процесса экранирования при непосредственном влиянии от влияния через третьи цепи заключается в следующем: в первом случае в экране происходят микропроцессы — наведение вихревых токов, поэтому несущественны условия нагрузки и заземления экрана; во втором случае в экране происходят макропроцессы — наведение продольных токов в цепях экран (оболочка) — земля, поэтому здесь весьма существенны параметры цепей, их нагрузки и условия заземления.

Следует различать эффективность экранов, предусмотренных для защиты от внешних источников помех и от взаимных влияний между цепями, расположенными в общем кабеле. При защите от внешних помех существенное значение играют третьи цепи (оболочка — земля). Здесь велика роль

составляющей продольных токов и надо учитывать действие как вихревых (АЭ), так и продольных (АПР) токов. Для цепей, расположенных в общем кабеле, превалирует эффект вихревых токов, и в первом приближении он и определяет защитное действие экрана.

В общем случае к третьим цепям относятся не только экраны и оболочки, но и тросы, рельсы, соседние проводники и другие протяженные металлические устройства. Схематично принцип действия третьих цепей состоит в следующем. Ток помех I1, протекающий в первой цепи, индуцирует во второй цепи ток I12 и в третьей цепи ток I13. Последний в свою очередь индуцирует во второй цепи ток обратного направления I32. В результате во второй цепи будет действовать разностный ток I12 - I32, который меньше, чем ток без третьей цепи

(I12).

Следует иметь в виду, что в общем случае третьи цепи могут как уменьшать, так и увеличивать мешающее влияние. Это зависит от соотношения фазовых параметров, с которыми складываются токи в цепи, подверженной влиянию (I12 и I32). Как правило, положительный эффект экранирования

третьих цепей для защиты от внешних помех достигается при их хорошем заземлении, малом электрическом сопротивлении и наличии Хорошей взаимной индуктивности между цепями. Установлено, что кабельные оболочки всегда улучшают экранирующий эффект, и тем больше, чем меньше величина сопротивления связи Z12 и чем лучше выполнено заземление оболочки по длине. Таким образом, результирующее экранное затухание АЭ.рез определяется экранированием от вихревых (Аэ) и продольных (Апр) токов, протекающих в оболочке кабеля. Формулы расчета Аэ приведены выше. Величина Апр, дБ,

247

немагнитных экранов примерно до 10 кГц, а для магнитных — до 1 кГц.

Рис. 11.40. Экранирующее действие поперечных АЭ и продольных АПР токов.

На рис. 11.40 приведены расчетные значения экранного затухания продольных токов Апр. Здесь же для сравнения даны значения Аэ для медного экрана. Из рисунка видно, что с увеличением частоты величины Арез и Аэ возрастают, а АПР медленно уменьшается и по абсолютной величине составляет

16...20дБ.

Расчеты показывают, что примерно до частот 15... 20 кГц превалирует затухание за счет продольных токов Апр, выше этого диапазона — вихревых

токов Аэ.

Учитывая, что защита от внешних помех определяется результирующим экранирующим эффектом Aрез=AЭ+AПР, а при защите от взаимных помех достаточно в первом приближении учитывать лишь Аэ, можно признать, что экранирующая оболочка в режиме защиты от внешних помех эффективнее, чем

врежиме защиты от взаимных помех.

11.3.8.ЭКРАНИРУЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСЛОЙНЫХ

ЭКРАНОВ

Электромагнитные экраны комбинированной многослойной конструкции применяются в том случае, когда необходимо высокое экранирующее действие.

Они состоят преимущественно из последовательно чередующихся немагнитных (медь, алюминий) и магнитных (сталь, пермаллой) слоев. Особенностью таких

экранов являются высокая экранирующая эффективность и сравнительно малые потери энергии в экране. Эти преимущества объясняются следующим.

248

При рассмотрении электромагнитного действия однородных экранов было установлено, что экранирующий эффект определяется совместным

действием экранирования поглощения Ап и экранирования отражения Ао на границах диэлектрик—металл—диэлектрик. Эффект отражения обусловлен несоответствием волновых характеристик сопрягаемых сред (ZД и ZM), и чем больше это несоответствие, тем больше экранирующее действие. В данном случае энергия помех, встречая на своем пути такое электрическое несоответствие (ZД ≠ ZM), частично отражается и лишь частично проходит в экранированное пространство. Это явление послужило исходным моментом для конструирования и применения многослойных комбинированных экранов. В многослойном экране, составленном из металлов с различными волновыми сопротивлениями ZM, действует целая система таких многократных отражений от границ электрических несоответствий (ZM1 ≠ ZM2 ≠ ZM3 ≠ ZM4 и т. д.). Поэтому экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов,

будет обладать большей эффективностью экранирования по сравнению с однородным экраном эквивалентной толщины.

Рис. 11.41. Эффект отражения в экранах: а — однослойном; б — трехслойном.

Как видно из рис. 11.41, в однослойном экране имеются две границы отражения (воздух—металл и металл—воздух), а в трехслойном таких границ четыре, добавляются еще две границы между различными металлическими слоями. Существенными являются порядок расположения слоев, их электрическое сочетание, соотношение толщин слоев, а также место по отношению к влияющей цепи. Так, сочетание сталь—медь—алюминий дает

249

заметно меньший эффект, чем медь—сталь—алюминий. Если внешние слои многослойного экрана выполнены из немагнитных материалов, то потери в нем сравнительно невелики.

Для двухслойного экрана с коэффициентами экранирования слоев S1, S2 и коэффициентами реакции P1, P2 экранирующий эффект определится

формулой

S12=S1S2/(l - P1P2). (11.31)

Аналогично характеристики трехслойных экранов определятся формулой

Частотные зависимости экранного затухания трехслойных экранов для различных сочетаний металлов (меди, стали, алюминия, свинца) приведены на рис. 11.45. Толщина слоев 0,1 мм. Из графиков видно, что наибольший эффект дает экран, составленный из немагнитных и магнитных материалов. Лучшие результаты имеют сочетания медь—сталь—медь, затем алюминий—сталь— алюминий и на последнем месте свинец—сталь—свинец.

Рис. 11.42. Частотная зависимость экранного затухания трехслойных экранов: 1 — медь-сталь-медь (μ = 200); 2 — медь-сталь-медь (μ = 100); 3 — алюминий-сталь-алюминий; 4 — медь-свинец-медь; 5 — медь-алюминий-медь; 6 — свинец-сталь-свинец.

250