1.2. Основные сведения об экранизирующих 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 помешают 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

(3)

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

Коэффициенты 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 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 нолей 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:

Э= (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 помешенную 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 и кранах 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) длины и диаметры катушки и экрана.

На основании теории связанных цепей индуктивность экранированной катушки равна:

, (8)

где L - индуктивность неэкранированной катушки;

К - коэффициент связи между катушкой и экраном.

Из (8) следует, что < L. Уменьшение по сравнению с L 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 Д нужно выбирать в пределах Д= 1,5 - 2,5. Для стабильных катушек берут Д > 2,5.

Следует отметить, что экранировать необходимо лишь катушки достаточно большого размера, у которых Д > 15 - 20 мм. Катушки с диаметром не более 4-5 мм создают поле в относительно небольшом пространстве. 11ри удалении таких катушек от других д«палей 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 заземлены. 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.