Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

Эффективность экранирования зависит от электрических па­ раметров материалов, размеров и формы экрана, наличия отвер­ стий и т.д. С позиции ЭМС существенно то, что любой реальный экран характеризуется конечной эффективностью экранирования. Рассмотрим кратко физические факторы, определяющие свойства электромагнитных экранов.

• Сплошные экраны (ближняя зона). Для частот, при которых размеры экрана значительно меньше длины волны, характерно за­ метное различие в ослаблении экраном электрического и магнитно­ го полей. Общий характер зависимости эффективности экранирова­ ния электрической составляющей электромагнитного поля можно по­ яснить следующим образом. Когда/= 0. т.е. в электростатическом поле из-за концентрации зарядов на внешней стороне проводника поле внутри экрана отсутствует: £ээ=°о, в переменном низкочастот­ ном электрическом поле на наружной поверхности экрана возника­ ют электрические токи, вызванные сменой знаков индуцированных зарядов. Их интенсивность возрастает по мере повышения частоты: i = dqldt Соответственно в стенках экрана увеличивается ток. обус­

ловленный сменой знаков индуцированных зарядов. Появление это­ го тока сопровождается возникновением элекгрического поля внут­

ри экрана вследствие конечной его проводимости (рис. 4.3 2-) Эф­ фективность экранирования при этом снижается. При дальнейшем росте частоты все больше проявляется влияние поверхностного эф­ фекта: токи концентрируются у внешней поверхности. В результате напряженность поля внутри экрана снижается, а эффективность эк­ ранирования возрастает: £ээ -» со при f -> со. Характерный вид час­ тотной зависимости £ээ показан на рис. 4.33.

Ток на внешней поверхности экрана

Рис. 4 32. Экранирование электрической составляющей ЭМП

241

Для экранирования электрической составляющей электромаг­ нитного поля наиболее характерно следующее:

-эффективность экранирования тем больше, чем толще эк­ ран и выше проводимость материала;

-существует область частот, для которой эффективность эк­ ранирования имеет наименьшее значение;

-наименьшее значение L_a обычно соответствует частотам по­ рядка 10... 100 кГц.

Рис 4 33 Суммарный эффект экранирования электрических

имагнитных полей:

-электрические поля.----------- плоские волны,------------ магнитные поля

Характер ослабления магнитного поля на низких частотах ока­ зывается иным. В постоянном магнитном поле действенны только

экраны, выполненные из материала с относительной магнитной про­

ницаемостью, большей единицы. Эффект экранирования обуслов­ лен преимущественным замыканием силовых линий маг-

242

битного поля в толще экрана. В переменном поле по мере роста частоты эффективность экранирования возрастает вследствие по­

явления вихревых токов. При дальнейшем увеличении частоты из-

за поверхностного эффекта экранирующие свойства резко улучша­

ются (рис. 4.33).

Для экранирования магнитной составляющей электромагнитно­ го поля наиболее характерно:

-эффективность экранирования L3K тем выше, чем больше толщина стенок и магнитная проницаемость материала;

-эффективность экранирования оказывается наименьшей на низких частотах (когда толщина экрана значительно меньше глу­ бины проникновения электромагнитного поля). Поэтому ослаб­

ление экранами низкочастотных магнитных полей представляет значительные трудности.

• Сплошные экраны {дальняя зона). На более высоких часто­

тах, когда размеры экрана гэ и расстояние г становятся соизмери­ мыми с длиной волны, различие в экранировании электрической и

магнитной составляющих поля исчезает. Вследствие малой глуби­ ны проникновения электромагнитного поля эффективность экра­

нирования сплошными экранами высока и быстро повышается

сростом частоты: L -> оо.

• Несплошные экраны. Практически в любой конструкции по­ верхность экрана не является сплошной. Экраны имеют зазоры, вен­ тиляционные отверстия, люки и т.д. Их наличие снижает эффектив­ ность экранирования. На низких частотах снижение эффективнос­ ти экранирования в первом приближении соответствует отношению площади металлической поверхности экрана к его общей площади. Поэтому на низких частотах несплошной экран может сохранять достаточно высокую эффективность экранирования.

На высоких частотах, когда размеры отверстий становятся со­ измеримыми с длиной волны, влияние отверстий имеет более слож­ ный характер. Внутренняя область экрана представляет собой резо­ натор объемный, обладающий собственными резонансными часто­ тами, и резонатор, возбуждаемый внешним полем через отверстия и зазоры. При резонансе напряженность поля увеличивается вблизи собственных частот этого резонатора, что резко снижает качество экранирования. При неблагоприятных условиях наличие

243

экрана может даже вызвать вблизи этих частот увеличение напря­ женности электрического и магнитного полей. Общий характер за­ висимости экранирующих свойств от размеров отверстий следую­ щий: большим отверстиям соответствует, в среднем, худшая эф­

фективность экранирования, меньшим - лучшая, но с более глубо­ кими выбросами в частной характеристике При отсутствии внутренних резонансов на рассматриваемой частоте значение L.

зависит от электрических размеров отверстия. Наименее благо­

приятен случай, когда размеры кратны половине длины волны. Тогда

указанные отверстия аналогичны резонансным щелевым антеннам, что приводит к значительному снижению качества экранирования.

• Экранирование фидеров. На высоких частотах, как уже от­ мечалось, сплошной металлической поверхностью осуществляется

высокоэффективное экранирование. Тем не менее в любых реаль­ ных фидерах часть мощности расходуется на излучение в окружа­ ющее пространство. Количественной мерой этих излучений явля­ ется эффективность экранирования элементов фидера Бэф (сино­ нимом этого понятия является термин «электрогерметичность»):

где Ро и - соответственно значения мощностей, проходящей через фидер и излученной.

Существуют две главные причины снижения эффективности

экранирования фидеров. Во-первых, некоторые типы волноводов обладают потерями на излучение. К ним относятся полосковые ли­ нии передачи, диэлектрические волноводы, гибкие коаксиальные волноводы с несплошной внешней поверхностью и т.д. Например, эффективность экранирования обычных коаксиальных кабелей в дециметровом диапазоне волн обычно не превышает 30...50 дБ. Во-вторых, различные разъемные соединения волноводов, коаксиа­

льные соединители, коаксиально-полосковые переходы и другие

не обеспечивают совершенного контакта в месте сочленения. Име­ ющиеся микрозазоры являются как бы щелевыми антеннами и обус­

ловливают потери на излучение. В обычных волноводных элемен­ тах, если не приняты специальные меры, L^ = 70 ... 90 дБ, а при использовании специальных конструкторских мер могут достигать

значения 110... 120 дБ.

244

• Экранирование проводников. Экранирование проводников

осуществляется с целью ослабления нежелательных электромагнит­ ных воздействий, возникающих из-за близкого расположения про­ водников различных электрических цепей. Электромагнитная связь указанных проводников существует вследствие того, что провод­

ник цепи рецептора находится в области, соответствующей ближ­ ней зоне электромагнитного поля, создаваемого электрической

цепью источника помех.

Эта связь обусловлена электромагнитными полями, создавае­ мыми токами в проводниках источников и наводящими токи по­ мех в проводниках электрических цепей рецепторов. На низких частотах, когда действующие помехи соответствуют ближней зоне источника, взаимодействие проводников определяется электричес­ кой (емкостной) и магнитной (индуктивной) составляющими связи.

Рассмотрим сначала способы ослабления электрической и магнит­

ной связи по отдельности.

• Емкостная связь обусловлена воздействием электрического поля, созданного с помощью проводника цепи источника помех,

на проводник цепи рецептора помех. Количественно значение ко­ эффициента переноса помех зависит от емкости между проводни­

ками (рис. 4.ЗА): Ln »(соС12Л2)'. Для ослабления связи следует

уменьшить либо сопротивление нагрузки рецептора R-, (что не все­ гда возможно), либо взаимную емкость проводников С12. Наибо­ лее эффективным способом уменьшения Ll2 является экранирова­ ние проводников. Рассмотрим сначала случай, когда проводник рецептора полностью заключен в незаземленный проводящий эк­ ран (рис. 4.34). Наличие экрана приводит к ослаблению электри­ ческого поля источника и, следовательно, к снижению связи. Это хорошо видно на эквивалентной схеме (рис. 4.34, б): эффект объяс­ няется уменьшением напряжения помехи на сопротивлении R2 по сравнению с отсутствием экрана.

Эффект ослабления связи оказывается более выраженным при заземлении экрана (рис. 4.34, а). В эквивалентной схеме этому со­ ответствует подключение заземляющего проводника с малым со­

противлением |z3|«1/юСэз параллельно емкости Сэз. Таким об-

245

разом, сплошной экран может обеспечивать значительное ослаб­ ление емкостной связи, причем тем большей степени, чем меньше полное сопротивление самого экрана и цепи заземления.

Рис 4 34 Схема

а- ослабление емкостной связи экранированием проводника, б - эквивалентная схема

Вбольшинстве реальных устройств не удается применить сплош­ ной экран, так как неизбежно наличие отрезков проводников, выходя­ щих за его пределы, а сам экран может иметь различные отверстия и зазоры. Влияние указанных факторов можно представить как наличие некоторой остаточной емкости С12 между проводниками источника и рецептора (рис. 4.34). Согласно эквивалентной схеме величина

Z/j, ~ '

Таким образом, для ослабления емкостной связи проводни­ ков необходимо их экранировать, обеспечивать малое сопротив­ ление заземления и электрическую однородность экрана, а также уменьшать длину проводников, выходящих за пределы экрана.

Индуктивная связь проводников обусловлена воздействием магнитного поля, созданного проводником цепи источника помех, на проводник цепи РП. Количественно коэффициент ослабления опре­ деляется значением взаимной индуктивности проводников

Д2 « (соД/12/27?2)2 . Эдс помехи U№ наводимой в цепи рецептора, про­

246

порциональна значению потока вектора индукции помехи через по­ верхность S, ограниченную контуром проводника рецептора:

где S' - проекция площади S на плоскость, перпендикулярную век­ тору индукции магнитного поля. Как следует из выражения (4.35), индуктивную связь можно ослабить, либо уменьшая напряжен­ ность магнитного поля помехи, либо сокращая поверхность S'. Экран из немагнитного материала, незаземленный или заземлен­ ный в одной точке согласно рис. 4.35’, не влияет на степень индук­ тивной связи, так как поток вектора индукции и площадь конту­ ра, охватываемого проводником, не изменяются. Поскольку, как уже отмечалось, ослабить напряженность магнитного поля на низ­ ких частотах с помощью экранов 1рудно, для ослабления индук­ тивной связи используют заземление экрана проводников и пло­ щади 5' и скручивание их.

В первом случае один из сигнальных проводников изолиру­ ют от земли так, чтобы обратные токи сигнала протекали по по­ верхности экрана (рис. 4.35, а). Площадь S' при этом существенно уменьшается, что и объясняет эффект ослабления взаимной связи.

Рис. 4.35. Ослабление индуктивной связи' а - заземление экрана, б - скручивание проводников

Во втором случае (рис. 4.35, б) ослабление связи достигает­ ся, во-первых, уменьшением площади S' при отсоединении одного из концов нагрузки от земли и, во вторых, тем, что эдс, наводимые-

247

в соседних петлях, противофазны и в значительной степени компен­

сируют друг друга. Заметим, что при заземлении экрана во второй

точке или второго вывода в скрученной паре проводников (пунктир­ ные линии на рис. 4.35) степень связи проводников возрастает, так как часть обратных токов будет протекать по земляной поверхно­ сти, что эквивалентно увеличению площади S'.

Оба рассмотренных способа обеспечивают значительное ос­ лабление индуктивной связи на низких частотах. Конкретное вы­ полнение экранирования проводников может быть различным. Варианты экранирования проводников, а также количественные оценки, показывающие ослабление связи с помощью указанных вариантов, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4 1

248

Как следует из приведенных данных, и экранирование провод­ ников, и их скручивание позволяют ослабить индуктивную связь на 60...70 дБ. На практике широко применяют оба указанных способа, причем скручивание проводников рекомендуется для более низких частот (от сотен килогерц до десятков или сотен мегагерц), а коакси­ альных кабелей — для более высоких вплоть до единиц гигагерц.

• Ослабление емкостной и индуктивной связи проводников. Тре­

бования к экранам проводников, ослабляющих индуктивную и емкостную связь, не совпадают. Например, в первом случае доста­

точно отсоединить нагрузку рецептора от земли и заземлить эк­ ран в одной точке (рис. 4.35). Но такая схема не обеспечивает зна­ чительного ослабления емкостной связи из-за протекания токов по возвратной цепи рецептора (см. рис. 4.34). Поэтому на низких частотах приходится использовать более сложные схемы экрани­ рования - коаксиальные кабели с двойной оплеткой (триаксиальные кабели) (рис. 4.36) или экранированные скрученные пары про­ водников. В этих случаях наружная проводящая поверхность изо­ лирована от цепи рецептора и играет роль экрана, ослабляющего емкостную связь, а внутренняя поверхность или второй провод­ ник скрученной пары используется в качестве возвратного про­ водника, что способствует ослаблению индуктивной связи. Заме­

тим, что на более высоких частотах, когда толщина экрана значи­ тельно превышает глубину проникновения поля, необходимость в двойном экранировании отпадает. В этом случае внешняя по­

верхность играет роль электрического экрана, а по внутренней по­ верхности протекают обратные токи.

Рис. 4.36. Ослабление емкостной и индуктивной связей: а - эквивалентная схема; б - двойной электромагнитный экран

249

• Экранирование протяженных проводников. В протяженных проводниках, длина которых соизмерима с длиной волны, прояв­ ляется резонансный характер токов, протекающих по наружной поверхности экрана. В результате для экранов, длина которых крат­ на четверти длины волны, может наблюдаться значительное воз­ растание амплитуды этих токов, уменьшающее эффективность эк­ ранирования. Во избежание этого протяженные экраны должны заземляться в нескольких точках (рис. 4.37), расстояние между ко­ торыми следует выбирать значительно меньшим длины волны помехи (практически порядка 0,1Л.П). Следует, однако, иметь в виду, что такое заземление экрана, как было показано, ухудшает его свой­ ства на низких частотах.

Рис 4 37 Схема экранирования протяженного проводника и распределение тока в нем

4 6.3. Заземления

Термин «земля» является неоднозначным понятием для инже­ неров различных специальностей. Так, для разработчиков схем - это общая точка данной схемы. Специалисты по антеннам интере­ суются главным образом тем, как влияет на соответствующие ха­ рактеристики антенны отражающая поверхность - «земля». В неко­ торых случаях общий корпус («земля») используется как обратный проводник.

Заземляющие устройства можно разделить на две категории: защитные и рабочие. Назначение защитных заземлений - обеспече­ ние эквипотенциальности элементов конструкции при потенциале, рав­ ном или близком к потенциалу «земли». Цепи заземления

250