Методическое пособие 263

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольных работ по дисциплине "Проектирование и технология изготовления приемопередающих устройств мобильных радиостанций" для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» заочной формы обучения

Воронеж 2010

Составитель канд. техн. наук И.К. Андреков

УДК 681.3

Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине "Проектирование и технология изготовления приемопередающих устройств мобильных радиостанций" для студентов специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" заочной формы обучения / ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"; сост. И.К. Андреков. Воронеж, 2010. 41 с.

Методические указания предназначены для развития практических навыков в проектировании приемопередающих устройств при разработке мобильных радиостанций. Приводятся краткие теоретические сведения, задание для самостоятельной работы. Предназначены для студентов пятого курса.

Табл. 3. Ил. 11. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Ю.В. Худяков

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Муратов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета © ГОУВПО "Воронежский государственный технический

университет", 2010

Контрольная работа №1

1. ЭКРАНИРОВАНИЕ

Подавление наводок практически сводится к устранению или ослаблению паразитных связей между источником и приемником наводок путем экранирования и развязывания цепей.

Экранирование - локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения распространения ее всеми возможными способами.

Между двумя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга могут возникнуть следующие виды связей:

•через электрическое поле,

•через магнитное поле,

•через электромагнитное поле,

•через провода, соединяющие эти цепи.

Полное экранирование может быть получено только под подавлением всех четырех видов электромагнитных связей. Однако, требования к эффективности экранирования в ряде случаев могут быть снижены. Тогда задачей экрана может быть ослабление того или иного вида связи.

Напряженность электрического и магнитного полей в свободном пространстве обратно пропорционально квадрату расстояния от элемента, возбуждающего поля. Напряженность электромагнитного поля обратно пропорционально первой степени расстояния. Напряжение на конце проводной или волновой линии с расстоянием падает медленно. Следовательно, при малых расстояниях действую все четыре вида связей. По мере увеличения расстояния сначала исчезает связь через электрическое и магнитное поля, затем перестает влиять электромагнитное поле и на очень большом расстоянии влияет только связь по проводам и волноводам.

В зависимости от назначения различают экраны с внутренним возбуждением электромагнитного поля, в которых

обычно помещается источник помех, и экраны внешнего электромагнитного поля, во внутренней полости которых помещаются чувствительные к этим полям устройства. В первом случае экран предназначен для локализации поля в некотором объеме, во втором - для защиты от воздействия внешних полей.

Экран, защищая цепи, детали, колебательные контуры от воздействия внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего, например, изменяются магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты. Относительные изменения параметров, экранируемых элементов можно учесть с помощью коэффициентов.

Pij = I − Aэij

Aоij

где Aэij - значение i-ro параметра j-го экранируемого элемента при наличии экрана; Aоij - без экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменений параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана материала, из которого он должен быть изготовлен, и условия размещения элементов внутри него.

1.1. Электростатическое экранирование

Если в электрическое поле внести проводник, то в результате поляризации электроны в нем начнут перемещаться в сторону положительно заряженной пластины и на части проводника, обращенной к этой пластине, возникает отрицатель-

ный потенциал, а противоположная часть поверхности проводника окажется заряженной положительно. Положительная и отрицательная части проводника создают свое собственное вторичное поле, которое равно внешнему и имеет направление противоположное ему, следовательно, внешнее поле, создаваемое проводником, компенсируют друг друга во всех токах внутри тела проводника. Этим и объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Так упрощенно выглядит один из примеров явления электростатической индукции. Этим явлением пользуется для осуществления электростатического экранирования.

Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана, как видно, является необходимым элементом, вытекающим из сущности, электростатического экранирования. Без заземления электростатический экран почти полностью теряет свою эффективность. Обращает на себя внимание то, что при наличии зарядов, как на внутренней, так и внешней поверхностях экрана поле внутри экрана определяется только внутренними зарядами и совершенно не зависит от внешних. Однако обратное утверждение было бы не правильным, ибо находящиеся внутри экрана заряды создают поле и вне экрана. Физически это влияние обусловлено появлением индуцированных зарядов, на внешней поверхности, влияние которых может быть нейтрализовано отводом их в землю. Следовательно, с помощью заземления электростатического экрана можно добиться взаимного экранирования как внутреннего пространства экрана от внешнего поля, так и внешнего пространства от внутреннего поля.

Если металлический экран полностью компенсирует влияние электростатического поля, то использование диэлектрических экранов может ослабить поле в Er раз, где Еr - относительная диэлектрическая проницаемость материала, т.к. из поля свободных зарядов вычитается поле поляризационно-

связных зарядов.

Поместим в поле двух параллельных металлических пластин диэлектрик. Под влиянием сил электростатического поля диэлектрик поляризуется: нейтральные в электрическом отношении молекулы диэлектрика превращаются в электрические диполи, а диполи, уже имеющиеся в диэлектрике, поворачиваются осями в направлении действия сил поля, образуя на боковых поверхностях электрические заряды. При этом на одной стороне диэлектрика образуется поверхностный отрицательный заряд, а на второй - положительный. Эти связанные электрические заряды диэлектрика создают в нем собственное поле, направленное на встречу внешнему, что приводит к уменьшению результирующего электростатического поля в диэлектрике. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше его величина связанных электрических зарядов и тем слабее в нем результирующее электростатическое поле. Следовательно, устройство, подверженное влиянию электростатического поля, целесообразно размещать в самом диэлектрике, например в спирте (Еr=26), в трансформаторном масле (Еr=22), дистиллированной воде (Еr=81), а при использовании твердых диэлектриков, этот диэлектрик должен плотно прилегать к устройству.

Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей устранения паразитных емкостных связей.

На рис. 1 показано влияние положительного заряда элемента А на элемент Б вследствие наличия взаимной емкости связи САБ.

Рис. 1. Схема влияния тела А на тело Б

Поставим между телами А и Б металлический экран В радиуса r (рис. 2). Экран В будет "перехватывать" часть электрических силовых линий, защищая тем самым тело Б от электрического поля тела А. В этом случае имеем своего рода емкостной делитель. Эффектность экранирования плоского экрана радиуса r можно оценить по формуле

где а - расстояние между телами А и Б; a1 - расстояние от тела А до экрана В; а2 - расстояние от экрана В до тела Б.

Эффективность экранирования в данном случае определяется главным образом возможностями проникновения поля помех за экран в результате дифракции рассеяния. Эти явления будут наиболее ощутимы, если а2=а1. Для повышения эффек-

тивности экранирования необходимо выполнить одно из условий a2>a1 или a1>a2, выбор которого определяется назначением экрана и тем, что экранируется объект или источник помех.

Рис. 2. Экран В между телами А и Б.

Ослабление связи между телами А и Б зависит от естественного затухания волны электрического поля за счет разноса тел, т.е. U2/U1. Поэтому общее затухание поля характеризуется коэффициентом связи

где D - диаметр тела A; h и b - расстояние тел А и Б от заземляющей поверхности.

Чем меньше kсв, тем меньше взаимное воздействие эле-

ментов и тем больше их развязка. Экранирующий эффект заземленного металлического листа заключается в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости, имеющейся между источником и приемником наводок.

Обобщая все сказанное выше, можно сформулировать способы уменьшения емкостной связи между телами (элементами) А и Б.

1. Отделять на максимальное расстояние элементы А и

Б.

2.Менять ориентацию элементов так, чтобы наводки компенсировались.

3.Использовать в конструкции миниатюрные радио-

элементы.

При недостаточности всех этих мер, между элементами устанавливают экран, служащий для экранирования электрического поля. Используя электростатический экран, важно, чтобы он хорошо был заземлен, т.е. соединен с корпусом. При этом применение проводников соединяющих экран с корпусом недопустимо.

Экран, не обязательно соединенная с корпусом, перегородка между элементами. В некоторых случаях таким экраном может служить крышка корпуса, в котором располагаются эти элементы (рис. 3).

Если экран состоит из отдельных отсеков изолированных друг от друга, то при наличии общей крышки их герметичность обеспечивается использованием резинового жгута с латунной сеткой. В РЭС всегда имеются металлические части служащие не для экранирования, а для крепления, предохранения от повреждений, амортизации, и т.д. Не соединенные металлические детали, расположенные в близи источников или приемников напряжений, могут образовывать паразитные связи. Поэтому и в данном случае необходимо обеспечивать надежный контакт с корпусом всех не токонесущих деталей устройства. Съемные детали должны иметь по всему периметру соприкосновения металлической покрытие, не подверженное коррозии. Не съемные - должны быть приварены, припаяны.

Особенно сложно осуществить из-за оксидных не токопроводящих пленок контактное соединение из алюминиевых и магниевых сплавов. В этом случае применяются самонарезающие винты, лепестки из биметалла АПМ, врезающиеся шайбы и пластины, герметизацию мест присоединения компаундом и другие способы.

Рис. 3. Экранирование крышкой.

1.2. Магнитостатическое экранирование

Вокруг витка с постоянным током существует постоянной магнитное поле с напряженностью Н0 зависящее от точки измерения (рис.4). Т.к. любой реальный виток имеет конечное сопротивление, то для поддержания в нем тока необходим источник задающего напряжения, а в пространстве вокруг витка, кроме постоянного магнитного поля, существует еще и постоянное электрическое поле. Однако, экранирование источников постоянного электрического поля уже изучено, поэтому свое внимание сосредоточим на экранировании только магнитного поля.

Окружим виток замкнутым экраном. Если экран изготовлен из немагнитного материала, т.е. из материала у которо-

го μ =1 (медь, алюминий), то он не окажет на магнитное поле ни какого влияния, т.е. эффективность экранирования в установившимся режиме будет равна 1 (рис. 4)

Рис. 4. Экранирование витка постоянным током, с током

μэ> 1.

Если материал изготовлен из материала у которого μ >1, то он намагнитится и созданное им вторичное поле, сложившись с первичным приведет к ослаблению поля вне экрана (рис.4). То есть силовые линии поля витка, встречая экран, обладающий меньшим магнитным сопротивлением, чем свободное пространство, стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана (рис. 5).

Если магнитная проницаемость одной среды бесконечно велика, т.е. μr2/μr1→∞, то угол α стремится к 90°, и поток выходит из среды с μr2→∞ (с бесконечно большой магнитной проницаемостью) под прямым углом. Хотя сред с μ =∞ нет, тем не менее, практически считают, что магнитные силовые линии нормальны (перпендикулярны) к поверхности ферромагнитных тел

Рис. 5. Экранирование элемента А от внешнего поля Н

Эффективность экранирования цилиндрического экрана можно определить, пользуясь, рис. 5 при μr1=μr3≈1, а μr2»1.

Эц = 0,5 μr 2 d .

r2

Эффективность экранирования шарового магнитостатического экрана при том же отношении r2/r1 выше, чем цилиндрического

Эш = 0,7 μr 2 d .r2

В целом эффективность магнитостатических экранов не велика. Она зависти от μ экрана (чем больше, тем лучше) и толщины экрана d (чем больше, тем лучше). Так, например экран из материала "Армко" (специальный сплав с μ =3000), при

радиусе 40 см и толщине 1 см обеспечивает эффективность 37,5. Такой экран сложен в изготовлении и имеет большой вес.

Для повышения эффективности экранирования в ряде случаев применяют многоступенчатые магнитостатические экраны, составленные из нескольких слоев более тонкого материала. Требуемая эффективность экранирования может быть получена уже у двух или трехслойного экрана.

Простейший из многослойных экранов - двухслойный должен быть сконструирован так, чтобы обеспечить замыкание в наружной оболочке тех силовых линий поля, которые выйдут за толщу стенок первого внутреннего слоя. Для этой цели должны быть правильно выбраны как толщина стенок оболочек, так и расстояние между ними. На практике расстояние между оболочками делают больше толщины оболочек. В первом приближении расстояния между оболочками принимают равными расстоянию между первой оболочкой и ближайшим краем экранируемого объекта, а толщину каждой оболочки берут не более 1÷1,5 мм. В этих условиях эффективность многослойного экрана равна:

где n - число оболочек; d - толщина оболочки; r2 - радиус первой оболочки.

Таким образом, при экранировании постоянных магнитных полей следует выполнять:

-применять материалы с возможно более высокой начальной магнитной проницаемостью;

-в конструкции экрана избегать стыков и швов с большим магнитным сопротивлением на пути магнитных силовых линий поля помех;

-не допускать крепления экранируемого элемента и оболочек стальными деталями, которые могут образовывать

пути с малыми магнитными сопротивлениями для магнитных силовых линий помехи;

- эффективность экранирования повышать не увеличением толщины материала, а применением нескольких тонких экранов, расположенных на возможно большем расстоянии друг от друга.

1.3. Электромагнитное экранирование

Экранирование с использованием вихревых токов обеспечивает одновременное ослабление как магнитных, так и электрических полей. Это дает основание этот способ экранирования называть электромагнитным. Эффективность экранирования такого экрана в ближней зоне (зоне индукции) будет не одинакова для составляющих поля. Поэтому, как правило, для ближней зоны следует вычислять каждый из компонентов поля в отдельности, принимая при этом, что в дальней зоне (зоне излучения) эффективности экранирования составляющих окажутся одинаковыми.

Физическая сущность электромагнитного экранирования, рассматриваемая с точки зрения теории электромагнитного поля и теории электрических цепей, сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках - токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему и поэтому происходит взаимная компенсация полей. Такое рассмотрение является упрощенным и природа электромагнитного экранирования гораздо сложнее.

С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в котором расположен экран и материала экрана. Чем больше это несоответствие, чем больше отличают-

ся волновые сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект экранирования определяемый отражением электромагнитных волн.

Эффективность электрически замкнутого экрана, т.е. способного ограничивать проникновение силовых линий электрического поля вне и внутри экранируемого пространства, определяется формулой:

Эо = Эотр Эпогл Эвн.отр

где Эотр - ослабление энергии падающей волн за счет отражения на границе сред; Эпогл. -ослабление вследствие затухания энергии в толще экрана; Эвн. отр. - ослабление из-за внутренних отражение в самом экране.

Обычно, если Эпогл ≥ 10 дБ, то Эвн. отр=1, поэтому этой составляющей пренебрежем, и тогда:

Эо = Эотр Эпогл

Расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью пока возможен только в некоторых в идеализированных случаях. К ним относятся:

-бесконечно плоский экран на пути распространения плоской волны;

-размещение точечного источника в центре герметичного идеального проводящего экрана сферической формы;

-бесконечно длинный идеально проводящий цилиндр с излучателем в виде бесконечной нити, расположенной на оси этого цилиндра.

Все эти случаи не отражают реальных условий работы экрана, поскольку не учитывают соотношения между длиной волны и линейными размерами экрана, характера источника, неравномерности распределения поля внутри экрана, неоднородности материала и конструкции самого экрана и главным

образом возможности проникновения поля через щели и отверстия, имеющиеся в реальном экране.

Однако выше перечисленные случаи позволяют получить многие общие зависимости. Вот и мы пойдем по тому же пути. Рассмотрим падение плоской волны на бесконечный плоский экран. В этом случае величины потерь на отражение и поглощение определяются одинаково, т.к. в толще материала экрана как падающая, так и отраженная волны рассматриваются как плоские.

Найдем значение составляющей эффективности экранирования, определяющей влияние поглощения электромагнитной энергии. В металле электромагнитная волна затухает по экспоненциальному закону. Мерой скорости этого процесса является глубина проникновения волны или толщина поверхностного слоя δ. При прохождении волны через толщину поверхностного слоя δ она ослабевает в е раз. Если же толщена будет равна d, она будет ослабевать в еd/δ раз. Тогда

Эпогл =8,7 dδ

Глубина проникновения представляет собой постоянную величину, характеризующую материал экрана и зависящую от частоты:

где ρ - удельное сопротивление материала экрана Ом·мм2/м; λ - длина волны в воздухе; f –частота; μr - относительная магнитная проницаемость материала экрана; δ - определяется в м.

Определение δ усложняется тем, что μг зависит от частоты. Кроме того, ослабление поля в е=2,72 раз на глубине δ

недостаточно. Поэтому для характеристики экранирующего материала пользуются еще двумя величинами глубины проникновения χ0,1 и χ0,01 характеризующие падение напряженности поля в 10 и 100 соответственно от их значения на поверхности.

В таблице 1 приведены δ и χ0,01 для нескольких материалов на разных частотах. Для частоты 0,1 МГц максимальная глубина проникновения не превышает ≈ 2 мм.

Эффективность экранирования только за счет поглощения будет:

где d - толщина материала экрана в м.

Затухание волны из-за поглощения с повышением частоты растет. Аналогичную зависимость можно наблюдать из табл. 1.

Учитывая и отражение (коэффициент ослабления будет

где Zм и Zд - волновые сопротивления металла и среды; zм, zд - модули сопротивлений Zм и Zд соответственно.

Из табл. 1 видно, что на частотах, равных 107, для меди толщина проникновения поля не превышает 21мкм, т.е. уже на этих частотах допустимы экраны из фольгированных материалов. С этой же целью применяется двухсторонний фольгированный материал для печатных плат, и в качестве экрана используется одна из сторон, которая для получения хорошего экранирующего эффекта припаивается к кожуху.

Экраны из стали, не смотря на большой экранирующий эффект, могут лишь применяться в тех случаях, когда вносимые потери можно не учитывать. Кроме того, в таких экранах наблюдаются явления гистерезиса.

Предположим теперь, что по экранированному витку протекает не постоянный, а переменный ток. Переменное магнитное поле этого витка, пронизывая экран, индуктирует в нем переменную ЭДС, вследствие чего по экрану протекает переменный ток. Экран ведет себя как короткозамкнутый виток, помещенный в переменное магнитное поле. Магнитное поле вихревых токов, протекающих по экрану, во внешнем пространстве накладывается на поле экранируемого витка со сдвигом фаз, близким к 180°, и ослабляет его.

Чем меньше сопротивление стенок экрана и чем больше их толщина, тем меньше разница между напряженностью поля вихревых токов, протекающих по экрану, и напряженностью поля экранируемого витка, создаваемого вне экрана. При этом, чем ближе разность фаз между этими полями к 180°, тем больше их взаимная компенсация, меньше остаточное поле вне экрана, а значит, больше эффективность экранирования.

С повышением частоты возрастает явление неравномерного распределения вихревых токов в сечении материала экрана, т.е. наблюдается поверхностный эффект, который сопровождается сосредоточением этих токов экрана.

На частотах 107 для меди толщина проникновения поля не превышает 21 мкм, т.е. уже на этих частотах допустимы экраны из фольгированных материалов. С этой же целью применяется двухсторонний фольгированный материал для печатных плат, и в качестве экрана используется одна из сторон, которая для получения хорошего экранирующего эффекта припаивается к кожуху.

Экраны из стали, не смотря на большой экранирующий эффект, могут лишь применяться в тех случаях, когда вносимые потери (т.е. величина ρ большая) можно не учитывать. Кроме того, в таких экранах наблюдаются явления гистерезиса.

Изложенное выше позволяет сделать вывод: что с увеличением размеров магнитостатического экрана и возрастанием частоты вносимое им затухание падает т.к. действие этих факторов эквивалентна уменьшению магнитной проницаемости μ. В самом деле с ростом частоты возрастает роль вихре-

вых токов в экране, уменьшается глубина проникновения, а следовательно, уменьшается его магнитопроводность, которая является функцией габаритных размеров и магнитной проницаемости μ материала экрана. В этих условиях магнитостатический экран будет себя вести как магнитный экран, т.к. из-за резкого уменьшения эквивалентной толщины стенок экрана исчезает явление шунтирования магнитного потока поля помех.

В практике магнитного экранирования используются и плоские не замкнутые экраны. В случае воздействия одной магнитной цепи на другую при близком их взаимном расположении значительное ослабление взаимной индуктивной связи можно получить, поместив между ними плоский металлический экран (рис. 6)

Рис. 6. Схема расположения экрана между катушками

Ослабление связи между катушками рекомендуется характеризовать коэффициентом:

а) для медного экрана

Kосл =10 lg((6,35 Dср d f )2 +1)

б) для алюминиевого экрана

Kосл =10 lg((4 Dср d f )2 +1)