МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра радиотехнических устройств и систем

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 3 по курсу

«Техническая электродинамика» для студентов

специальности 211000.62 «Конструирование и технология

радиоэлектронных средств» дневной и заочной форм

обучения

Воронеж 2014

Составитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Ю.В.Худяков

УДК 621.382+621.396.69(075)

Устройства для экранирования электромагнитных волн методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по курсу «Техническая электродинамика» для студентов специальности 211000.62 «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» дневной и заочной форм обучения./ Воронеж. гос. тех. ун-т. Сост. Ю.В. Худяков; Воронеж, 2014. 20 с.

В работе изложены методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 «Устройства для экранирования электромагнитных волн», главным содержанием которой является изучение принципа действия, конструкций и методов экспериментального исследования основных типов устройств для экранирования электромагнитных волн. Даны изучаемые при выполнении работы задания, методические указания к ним и перечни контрольных вопросов.

Методические указания выполнены на магнитных носителях объемом файла 292 KБ, наименование файла ЛР2 ТЭ. doc

Табл. 6. Ил. 2. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент канд. техн. наук А.В.Турецкий

Ответственный за выпуск зав. кафедрой РЭУС

Ю.С. Балашов

Издается по решению редакционного совета Воронежского государственного технического университета.

 Издательство Воронежского государственного

технического университета, 2014

1. Общие указания 1.1 Цель работы

Цель работы - обучение студентов практическим навыкам расчета с помощью электронно-вычислительной техники параметров экранирующих устройств, методике их измерения и анализа величин этих параметров при изменении частоты сигнала (или помехи), формы, размеров и материалов

экранов и т.п.

Основным содержанием практической части лабораторной работы является измерение эффективности экранирования катушек индуктивности плоскими и цилиндрическими экранами, отличающимися друг от друга формой, габаритами и материалами, из которых они изготовлены.

Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляется:

1) лабораторный стенд с двумя катушками индуктивности: подвижной и неподвижной;

2. набор плоских и цилиндрических экранов;

2. штангенциркуль и линейка для измерения геометрических размеров экранов;

2. генератор сигналов типа ГЗ - 33;

3. милливольтметр типа ВЗ - 3.

1.2. Основные сведения об экранирующих устройствах

При работе радиотехнических устройств и систем в реальных условиях, как правило, неизбежно возникают паразитные связи и наводки, борьба с которыми является существенной частью при проектировании радиоэлектронного прибора, так как недостаточное подавление указанных связей и наводок резко снижает надежность аппаратуры и значительно ухудшает электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств.

На возрастание актуальности проблемы электромагнитной совместимости влияют следующие основные факторы:

1) непрерывное увеличение радиоэлектронных устройств и усложнение их функций и состава;

2) увеличение излучаемых мощностей передатчиков и наличие у них внеполосных и побочных излучений;

3. повышение чувствительности приемных устройств;

4. недостаток радиочастотных каналов, свободных от помех.

Многие вопросы электромагнитной совместимости радиоизделий решаются с помощью экранирования, которое является конструктивным средством локализации электромагнитного поля помех в пределах определенного пространства.

Экранирование применяется как для отдельных элементов, функциональных узлов, блоков радиоэлектронной аппаратуры, так и радиоэлектронных устройств в целом, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами (приемниками) помех. Таким образом, в зависимости от типа экранируемого изделия экранирование можно разделить на три вида: поэлементное, блочное и общее (все устройство помещают в кожух).

Для количественной оценки действия экрана используется либо эффективность экранирования, либо коэффициент экранирования.

Эффективность экранирования представляет собой отношение напряженности поля (электрического или магнитного) в какой - либо точке экранируемого пространства при отсутствии экрана к напряженности поля в той же точке при его наличии, т.е.

(1)

где , - напряженности полей в исследуемой точке без экрана; - напряженности полей в этой же точке при наличии экрана.

Коэффициентом экранирования принято называть отношение напряженности поля в какой - либо точке экранированного пространства к напряженности поля в той же точке при отсутствии экрана, т.е.

(2)

Нетрудно установить, что эффективность и коэффициент экранирования есть величины взаимно обратные. Поэтому

Иногда для усиления экранирующего действия применяются двойные, и даже тройные экраны.

Коэффициенты , , и являются комплексными величинами, поскольку между внутренним и внешним полями имеется фазовый сдвиг.

На практике эффективность и коэффициент экранирования часто выражают в логарифмических единицах, т.е. в децибелах (дБ)

(4) (5).

В общем случае и так как один и тот же экран может неодинаково экранировать электрическое и магнитное поля.

Для работы радиотехнических экранов характерными считаются четыре режима: электростатический, магнитостатический, электромагнитный и волновой.

Электростатический экран используют для экранирования электрических полей в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. Суть экранирования состоит в том, что электрические силовые линии замыкаются на металлическую массу экрана, электрически соединенного с землей или корпусом радиоэлектронной аппаратуры, вследствие чего происходит стекание зарядов.

Электростатические экраны изготовляют из меди, латуни, алюминия, свинца и других металлических материалов. Тип металла существенного значения не имеет.

Магнитостатические экраны применяют для экранирования магнитных полей в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. Сущность такого экранирования заключается в том, что магнитные силовые линии проходят через толщу магнитного экрана, минуя при этом экранируемое устройство. Эффект экранирования тем лучше, чем меньше диаметр экрана, чем больше его толщина и магнитная проницаемость.

Для изготовления магнитостатических экранов используют магнитные материалы: никель, карбонильное железо, ферриты, альсифер, пермаллой, пермендюр, гиперсил.

Экраны в электромагнитном режиме работы экранируют оба поля (электрическое и магнитное) в диапазоне частот приблизительно от 10 кГц до нескольких десятков мегагерц, причем электрическое поле экранируется так же, как и электростатическим экраном, т.е. замыканием силовых линий поля на металлическую массу экрана. Для экранирования магнитного поля используются вихревые токи, наводимые в экране магнитным полем.

По закону электромагнитной индукции вихревые токи создают свое магнитное поле, направленное встречно помехонесущему полю, в результате чего происходит компенсация полей, чем и достигается эффект экранирования. Для изготовления электромагнитных экранов наиболее часто используют алюминий, медь, латунь и другие металлы.

Установлено, что электрическое поле экранируется существенно лучше, чем магнитное. Поэтому конструктивно сложнее обеспечить защиту от воздействия магнитных полей.

Волновой режим работы экранирующего устройства в основном наблюдается на сверхвысоких частотах. Эффект экранирования достигается за счет многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитных волн происходит по причине существенного различия характеристических сопротивлений среды, в которой расположен экран, и материала, из которого изготовлен экран.

Эффективность экранирования в данном случае определяется формулой

(6)

где - составляющая, обусловленная отражением волн от границы раздела сред (металл - диэлектрик); - составляющая, определяемая затуханием энергии волн в металлической толще экрана;

- составляющая, характеризующая ослабление поля волны за счет внутреннего отражения в самом экране.

В радиотехнических устройствах очень часто приходится экранировать катушки индуктивности, поскольку их магнитный поток может пересекать витки других катушек или монтажные провода, расположенные поблизости, в связи с чем велика вероятность возникновения паразитных наводок, нарушающих нормальную работу аппаратуры.

Кроме индуктивной связи, между катушкой и соседними элементами возможно возникновение и паразитной емкостной связи. Так, например, поднесение руки человека к колебательному контуру, в который включена катушка, изменяет величину емкости контура и тем самым нарушает его

настройку. С целью экранирования катушку помещают в экран цилиндрической или прямоугольной формы. Экран, с одной стороны, ограничивает магнитное поле самой катушки, т.е. защищает от ее воздействия расположенные рядом детали и провода; с другой стороны, экран защищает и помещенную в него катушку от воздействия внешних полей.

Экран катушки работает тем эффективней, чем выше частота магнитного поля и чем больше проводимость материала экрана. Экраны для катушек обычно изготовляют из меди, латуни и алюминия. В медных и латунных экранах потери меньше, но они дороже алюминиевых и поэтому применяются реже. Для того чтобы экранировать не только магнитное, но и электрическое поле, экран катушки надежно соединяют электрически с корпусом прибора.

Под влиянием экрана изменяются параметры катушки:

1. уменьшаются индуктивность, собственные потери и добротность;

2. увеличиваются собственная емкость и суммарные потери;

3. понижается стабильность.

Количественное изменение указанных параметров зависит от соотношения между размерами катушки и экрана. Чем ближе экран к катушке, тем сильнее связь между ними и, следовательно, сильнее влияние экрана на параметры катушки.

При расчетах достаточно длинный экран, для которого выполняется условие

> (7)

рассматривают как короткозамкнутую одновитковую катушку с индуктивностью и активным сопротивлением , что позволяет определить параметры экранированной катушки при помощи теории связанных цепей.

В (7) , , и - длины и диаметры катушки и экрана.

На основании теории связанных цепей индуктивность экранированной катушки равна

(8)

где - индуктивность неэкранированной катушки;

- коэффициент связи между катушкой и экраном.

Из (8) следует, что < _. Уменьшение .по сравнению с можно объяснить физически тем, что при протекании высокочастотных токов по проводу катушки в экране наводятся вихревые токи, которые своим магнитным полем уменьшают поле катушки, а, следовательно, и индуктивность, являющуюся, как известно, своеобразной мерой магнитного поля.

Собственные потери катушки при наличии экрана уменьшаются за счет того, что напряженность магнитного поля снижается около витков экранированной катушки, в результате чего уменьшается составляющая сопротивления катушки, вызываемая эффектом близости.

Суммарные потери катушки увеличиваются за счет активного сопротивления, вносимого в нее со стороны экрана.

Собственная емкость катушки под влиянием экрана увеличивается за счет дополнительной емкости между витками катушки и экраном.

Ухудшение стабильности катушки при экранировании связано с тем, что под влиянием дестабилизирующих факторов, например температуры, происходит изменение геометрических размеров и сопротивления экрана, что и приводит к изменению параметров катушки и распределения тока по сечению провода.

Для того чтобы индуктивность и добротность катушки при экранировании падали не более чем на 10%, отношение диаметров и нужно выбирать в пределах = 1,5 - 2,5. Для стабильных катушек берут .

Следует отметить, что экранировать необходимо лишь катушки достаточно большого размера, у которых > 15 - 20 мм. Катушки с диаметром не более 4 - 5 мм создают поле в относительно небольшом пространстве. При удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 - 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, в связи с чем экранирование не требуется.

В экранах допустимы лишь такие швы и разрезы, направление которых совпадает с направлением вихревых токов. В противном случае возрастут потери.

По сравнению с цилиндрическими экраны прямоугольной формы позволяют лучше использовать площадь шасси радиотехнического устройства.

Для стабильных катушек экраны делают из материалов с малым значением коэффициента линейного расширения, например из инвара и омедненной керамики. С целью увеличения электропроводности их покрывают тонким слоем серебра.

В отдельных случаях между катушками необходимо устранить лишь емкостную связь, не влияя при этом на индуктивную. Для получения такого экранирования используют электростатический экран, располагаемый между катушками и состоящий из сетки изолированных проволочек (рис. 1).

Рис. 1. Электростатический экран

Концы проволочек соединяются электрически между собой лишь с одной стороны. Поэтому в экране не образуется замкнутых контуров для вихревых токов и они не возникают. Соединенные концы проволочек должны быть зазем-

лены. Совершенно ясно, что такой экран будет экранировать электрическое поле и не будет экранировать магнитное.

Для изготовления экранов, кроме рассмотренных металлов и магнитодиэлектриков, используются и другие материалы: диэлектрики (пластмасса, текстолит, картон, дерево и т.п.) с нанесенным на их поверхность слоем металлизации, фольговые материалы, токопроводящие краски, стекла с токопроводящим покрытием, электропроводные клеи, специальные ткани, содержащие металлическую нить.

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1. Задание первое. Привести краткое описание радиотехнических экранирующих устройств, наиболее часто применяемых на практике.

Для выполнения задания необходимо изучить следующие разделы по литературным источникам:

1) экранирование электромагнитных полей [1, с. 315 - 319];

2)экранирование магнитных полей [1,с.319-330];

3)экранирование электрических полей [1, с. 330 - 339];

4)экранирование СВЧ устройств [2, с. 257 - 259].

При составлении описания экранирующих устройств следует отметить их режимы работы, область применения, достоинства и недостатки, конструктивные особенности.

2.2. Задание второе. Составить для трех экранов цилиндрической конструкции схему алгоритма и программу расчета эффективности экранирования низкочастотных магнитных полей.

При составлении схемы алгоритма и программы расчета за исходную принять формулу

_, (9)

где - эффективность экранирования магнитного поля, дБ;

- частота помехи (или сигнала), Гц;

- абсолютная магнитная проницаемость воздушной среды, Гн/м;

, - радиус и толщина экрана, м;

- удельное электрическое сопротивление материала экрана, Ом ∙ м..

Расчет производится для каждого экрана при = 2; 5; 10; 20; 50; 100; 150; 200 кГц; R = 2,7 см; = 2 мм. Значения и материалы экранов указаны в таблице 1.

Табл.1.

Материал экрана	Удельное сопротивление , Ом ∙ м
Алюминий	2,8 ∙10-8
Латунь	6,25∙10-8
Сталь	11∙10-8

3. ВОПРОСЫ К ДОМАШНИМ ЗАДАНИЯМ

1) Какова роль экранов при обеспечении электромагнитной совместимости и надежности радиотехнических и электронных устройств?

2) Что такое эффективность и коэффициент экранирования?

3) Является ли коэффициент экранирования комплексной величиной?

4) Почему поднесение руки к открытой катушке изменяет ее параметры?

5) Назовите и охарактеризуйте режимы работы экранов.

6) На какие три вида делится экранирование по назначению?

7) Почему в экранируемой области пространства эффективность экранирования оказывается различной для электрической и магнитной составляющих поля и зависит от координат точки измерения?

8) Каким образом изменяются потери на поглощение в экране с изменением частоты помехи (сигнала), магнитной проницаемости и проводимости материала стенок экрана?

9) От каких факторов зависит толщина электромагнитных экранов?

10) Из каких материалов изготавливают экраны?

11) Можно ли уменьшить коэффициент связи между экраном и экранируемой катушкой, не изменяя их размеров?

12) Почему латунные экраны применяются реже, чем алюминиевые?

13) Какова конструкция идеального электростатического экрана?

14) В чем состоит преимущество медных экранов по сравнению с алюминиевыми?

15) В чем заключаются особенности конструирования электромагнитных экранов для высокостабильных катушек индуктивности?

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

4.1. Задание первое. Измерить размеры цилиндрических и пластинчатых экранов, определить материалы, из которых они изготовлены, и составить эскизы их конструкций.

Измерение размеров экранов производится с помощью штангенциркуля и линейки. Материалы, из которых изготовлены экраны, определяются визуально. Полученные данные свести в таблицу 2 для цилиндрических экранов и в таблицу 3 для пластинчатых.

Таблица 2

Номер экрана	Материал экрана	Размеры экрана
		Внутренний диаметр Д, мм	Высота h, мм	Толщина t, мм

Таблица 3

Номер экрана	Материал экрана	Размеры экрана
		Длина ℓ, мм	Ширина в, мм	Толщина t, мм

4.2. Задание второе. Для всех цилиндрических и пластинчатых экранов, входящих в лабораторный комплект, снять зависимость эффективности экранирования от частоты используемого гармонического сигнала; по полученным данным построить графики, объяснить их форму и сравнить между собой и с расчетными значениями эффективности экранирования (п.2.2).

Снятие зависимости осуществляется с помощью лабораторного стенда с расположенными на нем двумя связанными по магнитному полю ( и частично по электрическому) катушками индуктивности, к одной из которых (подвижной) подводится синусоидальное напряжение от генератора ГЗ - 33, а к другой подключен милливольтметр ВЗ - 3. Изменение частоты генератора производится в пределах от 2 до 200 кГц.

Напряжение на зажимах выходной катушки измеряется дважды: при отсутствии экрана и при его наличии, причем на каждой из устанавливаемых частот входного сигнала. Эффективность экранирования в децибелах находят по формуле:

(10)

где - напряжение на зажимах выходной катушки при отсутствии экрана, а - с экраном. Цилиндрические экраны при экспериментах надеваются на катушку, а пластинчатые устанавливаются между катушками с помощью несложного приспособления, снабженного желобом, в который вставляется экран.

Экспериментальные и расчетные данные сводятся в таблицу 4, в которой указаны значения частоты входного сигнала _.

Таблица 4

f, кГц	Uбэ, мВ	Номер экрана	Uэ, мВ	Э,дБ
2		1
		2
		∙
		∙
		∙
5		1
		2
		∙
		∙
		∙
Продолжение таблицы 4
10		1
		2
		∙
		∙
		∙
20		1
		2
		∙
		∙
		∙
50		1
		2
		∙
		∙
		∙
100		1
		2
		∙
		∙
		∙
150		1
		2
		∙
		∙
		∙
200		1
		2
		∙
		∙
		∙