6. Основы теории экранирования

Если спросить любого инженера об известных ему способах борьбы с ЭМП то, скорее всего, первым в ответе будет упомянуто электромагнитное экранирование. Действительно, экранирование в том или ином виде используется практически во всех ЭС и приборах. Компьютеры, сотовые телефоны, бытовая аппаратура, промышленная и автомобильная электроника в подавляющем случае или выполнены в металлическом (металлизированном) корпусе или имеют электромагнитные экраны (ЭМЭ) расположенные вокруг определенных компонентов на ПП.

Экранирующие корпуса, спроектированные и изготовленные надлежащим образом, являются очень эффективным средством как подавления ЭМИ, так и защиты изделия от внешних источников ЭМП. Фактически металлический корпус без щелей, стыков или кабельных вводов может ослабить ЭМИ и увеличить электромагнитную устойчивость (ЭМУ) от 60 дБ и выше [12]. Другими словами, даже плохо спроектированная ПП может удовлетворять требованиям ЭМС если ее поместить в металлическую коробку.

Однако использование экранирующего корпуса не подразумевает, что решением остальных вопросов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС можно не заниматься. Качественный экранирующий корпус может в значительной степени увеличить стоимость и вес изделия, а наличие всего лишь единственного отверстия в нем (например, кабельный ввод без фильтра) может полностью свести на нет все преимущества такого подхода. В некоторых случаях изделие с неверно спроектированным экранирующим корпусом может начать излучать в еще большей степени или стать более восприимчивым, чем такое же изделие вообще без корпуса.

В процессе работы электромагнитного экрана задействованы механизмы отражения, поглощения или перенаправления электрического и/или магнитного полей. Для создания эффективного экранирования не обязательно полностью закрывать изделие. Иногда проще и дешевле организовать отдельное экранирование цепей-источников или цепей-рецепторов для предотвращения паразитной связи с другими частями устройства. Выбор правильного места расположения, ориентации и материала экрана требует знания типа экранируемого поля и назначение экрана. Руководствуясь базовыми основами теории экранирования можно подобрать типовые решения для различных практических случаев.

68

6.1. Экранирование плоских волн

На рис. 6.1 представлена плоская электромагнитная волна EПАД падающая

на бесконечную плиту из экранирующего материала. Волна распространяется в вакууме в направлении х до столкновения со средой, имеющей волновое сопротивление S . При распространении электромагнитной волны в

однородной среде и столкновении со средой с отличающимися электрическими свойствами, часть ее энергии отразится, а оставшаяся часть продолжит распространение в прежнем направлении.

Рис. 6.1. Плоская волна падающая на плиту из экранирующего материала

Вектор магнитного поля в плоской волне перпендикулярен вектору электрического поля и имеет амплитуду

Когда плоская волна достигает плиту, создается отраженная волна EОТР и проходящая волна EПРОХ . Магнитное поле в экранирующем материале связано с электрическим полем выражением

поверхности x 0 немного левее и правее. Тогда для согласования выражения (6.1) с учетом (6.3) амплитуда отраженного поля должна определяться как

падающее поле передается без отражения.

Для ситуации представленной на рис. 6.1, в случае среды с потерями, т.е.0 , проходящая волна, по мере распространения, будет уменьшаться по амплитуде

где - величина скин-слоя материала плиты. Для материалов с высокими потерями 1 f .

На рис. 6.2 представлен случай плоской электромагнитной волны EПАД падающей на экранирующую стенку конечной толщины.

Рис. 6.2. Плоская волна падающая на стенку из экранирующего материала конечной толщины

Как и в предыдущем случае, падающее поле EПАД достигает поверхности

экранирующего материала, при этом часть энергии поля отражается, а остальная часть продолжает распространение в материале, ослабляясь при этом. При достижении следующей границы раздела сред (точка x=t) часть волны вновь отражается, а оставшаяся распространяется дальше. В случае сильного ослабления, волна отразившаяся от второй границы поглощается, а

поле передаваемое в среду справа от стенки определяется как

70

Комбинируя (6.6)-(6.7) найдем выражение для проходящей волны в терминах падающей волны

Данное выражение применимо к любому экранирующему материалу имеющего толщину больше чем величина скин-слоя. Материалы, применяемые для экранирования плоских волн, должны обладать хорошей проводимостьюи в таком случае

С учетом того, что эффективность экранирования плиты определяется как

то эффективность экранирования бесконечного листа с хорошей проводимостью может быть записана в следующей форме

работает за счет отражения энергии от поверхности раздела сред, второй за счет превращения энергии в тепло при распространении волны в материале. При этом потери на отражение не зависят от толщины стенок экрана, а полностью определяются соотношением волновых сопротивлений экрана и окружающей среды. Потери на поглощение прямо пропорциональны отношению толщины экрана к глубине скин-слоя и составляют

Пример 1. Определить эффективность экранирования листа из медной фольги толщиной 0,05 мм. Удельную электропроводность меди на частоте 100 МГц принять равной 5,81*107 См/м, магнитную проницаемость принять равной 4 *10-7 Гн/м.

Вначале необходимо определить глубину скин-слоя меди на частоте

100МГц

Толщина материала значительно больше толщины скин-слоя и поэтому для вычисления эффективности экранирования можно применить выражение (6.13) и, таким образом, вклад потерь на поглощение составляет

Для вычисления потерь на отражение необходимо определить волновое

теоретически. Величина в 154 дБ является идеализированной и предполагает, что проходящая энергия уменьшается на величину 1015 от падающей. На практике такое ослабление не только не реализуемо, но и не измеримо. Максимально достижимые напряженности полей (не вызывающие ионизацию воздуха) находятся в пределах 106 В/м. Минимально обнаруживаемые напряженности полей (с использованием чувствительных пробников поля) на

оборудование имеет максимальный динамический диапазон в районе 80-120 дБ. То есть, любые аналитические значения ослабления или эффективности экранирования существенно превышающие 100 дБ подразумевают, что материал является практически непроницаемым. Таким образом, материал с

72

расчетной эффективностью экранирования 154 дБ по сути не лучше и не хуже материала с расчетной величиной 120 дБ.

Если экранирующая стенка имеет не достаточную толщину относительно глубины скин-слоя, то некоторое количество энергии, отраженной от второй границы (внутренняя при x=t) распространится обратно и вновь отразится от первой границы (x=0+). Затем она вновь продолжит движение по направлению ко второй границе, тем самым понижая эффективность экранирования. Такое переотражение может повториться несколько раз, до тех пор пока отраженная волна не достигнет величины не оказывающей существенного влияния на проходящее поле. Если компонент потерь на поглощение в (6.12) менее чем 15 дБ, то точность оценки эффективности экранирования из-за подобных многократных отражений оказывается сомнительной.

Для проводящих материалов являющихся «электрически тонкими» (т.е. t ) можно преобразовать выражение определяющее эффективность экранирования (6.12) добавив третий компонент, что позволит учитывать множественные отражения [10, 13]

(6.14)

Отметим, что компонент потерь множественного отражения имеет отрицательную величину и понижает общую эффективность экранирования. Как правило он вносит незначительные коррективы в выражение (6.14). Однако в случае электрически тонких материалов t или материалов с малыми потерями этот компонент может стать сопоставим с потерями на отражение, что будет сигнализировать о невозможности использовать данное выражение для определения эффективности экранирования.

6.2. Экранирование ближнего поля

Теория экранирования плоской волны позволяет удобно определять величину эффективности экранирования на основании свойств материала и его толщины. Однако на практике ЭМЭ почти никогда не располагаются в дальнем поле ни от источника, ни от рецептора помех. Таким образом, маловероятно, что с обеих сторон экрана сформируется плоская волна, а значит применение выражений (6.12) и (6.14) для определения эффективности экранирования не возможно.

73

Для понимания отличия механизмов экранирования ближнего поля от экранирования плоской волны на рис. 6.3 представлены конфигурации для двух основных случаев. Так на рис. 6.3(а) падающая плоская волна заменена электрическим источником в виде диполя, а экранирующий материал расположен в ближнем поле этого источника. На рис. 6.3(б) источником магнитного поля является петля с током.

создает преимущественно электрическое поле, волновое сопротивление приблизительно равно

а в случае петли с током преобладает магнитное поле и волновое сопротивление приблизительно равно

Оценить эффективность экранирования стенки в ближнем поле можно заменив волновое сопротивление вакуума 0 в (6.12) на ZW , соответствующее

волновому сопротивлению ZЕ или ZH , что приводит к новому выражению компонента потерь на отражение

Компоненты потерь на поглощение и на множественные отражения не изменятся. Хотя такой подход для определения эффективности экранирования сильно упрощен, он позволяет оценить влияние различных вариантов конструкторского исполнения экрана на параметры экранирования в реальных

74

ситуациях.

Пример 2. На расстоянии 0,1 м от работающего трансформатора расположена экранирующая структура, сделанная из медного листа толщиной 10 мм. Оцените эффективность экранирования такой экрана на частоте 1,5 кГц.

При работе трансформатора создается преимущественно магнитное поле. Представив трансформатор как магнитный дипольный источник можно оценить волновой импеданс на расстоянии до экрана

ZH 2 f 0r 2 1,5 103 4 10 7 0,1 1,18 10 3 Ом

Волновое сопротивление и глубина скин-слоя меди равны соответственно

Отметим, что в этом случае потери на поглощение играют решающую роль в общей эффективности экранирования. Обычно на НЧ волновое сопротивление вблизи от источника магнитного поля мало, а потери на отражение вследствие проводимости экрана значительно меньше.

6.3. Измерение эффективности экранирования

Эффективность экранирования плоской волны

Приведенная выше концепция оценки эффективности экранирования плоских волн удобна тем, что она опирается на свойства и толщину экранирующего материала. Для практического измерения эффективности экранирования плоской волны используется коаксиальная тестовая установка, в которой расположен образец материала. Ко входу тестовой установки подключается источник направленной ТЕМ волны, а к выходу согласованный измеритель, что представлено на рис. 6.4.

75

Рис. 6.4. Тестовая установка определения эффективности экранирования плоской волны

Установка содержит линию передачи с определенным волновым сопротивлением (обычно 50 Ом). В поперечном сечении установка имеет форму тора увеличивающегося к центру для закрепления образца материала требуемого размера. Измеряемая эффективность экранирования определяется как

Когда измерения выполняются с векторным анализатором цепей, эффективность экранирования может быть удобно выражена в s-параметрах как SE 20log S12 . Несмотря на то, что волновое сопротивление (отношение

V I ) тестовой установки равно 50 Ом, отношение |E| к |H| продолжает определяться волновым сопротивлением среды ( 0 377 Ом в воздухе).

Другие способы измерения эффективности экранирования

Разумеется, эффективность экранирующего корпуса может сильно отличаться от экранирующих свойств материала из которого он сделан. На итоговую эффективность экранирования корпуса влияет множество различных факторов, таких как размер и форма конструкции, тип и расположение источников. Кроме того, решающий вклад в уменьшение эффективности экранирования вносят различные неоднородности – швы, щели, стыки, отверстия. По этим причинам более правильным будет определение эффективности экранирования корпуса следующим образом

Например пусть измеренное ЭМИ от электронного устройства без

76

корпуса (или с пластиковым корпусом) составило 52 дБ(мкВ/м). Затем это же устройство, помещенное в металлический корпус, было повторно протестировано тем же способом, при этом измеренное ЭМИ составило 38 дБ(мкВ/м). Тогда эффективность экранирования корпуса в данном исполнении будет равна

SE 52 дБ мкВм 38 дБ мкВм 14 дБ .

Возможно эта величина значительно меньше чем эффективность экранирования плоской волны, но она учитывает утечки через отверстия и стыки. Подобный способ оценки также учитывает тот факт, что экранирующий корпус взаимодействуя с экранируемым источником сам становиться частью непреднамеренной излучающей антенны.

Пример 3. Итоговая эффективность экранирования корпуса сделанного из материала ослабляющую плоскую волну на 60 дБ будет:

а) примерно 60 дБ; б) всегда меньше чем 60 дБ;

в) обычно больше чем 60 дБ; г) иногда меньше чем 0 дБ.

Учитывая предыдущие рассуждения об источниках непреднамеренных помех и эффективности антенны, должно быть ясно, что даже слабый источник излучения может значительно увеличить излучающую способность при взаимодействии с крупными проводящими структурами. Таким образом, вполне возможно, что из-за наличия экранирующего корпуса с отверстиями и стыками, произойдет усиление излучения слабых источников. Другими словами, эффективность экранирующего корпуса на определенных частотах легко может быть меньше 0 дБ, т.е. такой корпус не только не будет ослаблять, а наоборот дополнительно усиливать излучаемые помехи. Тем не менее на других частотах такой корпус вполне может ослаблять сильные источники излучения, а суммарный эффект даст в итоге общее ослабление максимального ЭМИ. Это лишний раз показывает, что при разработке конструкций экранов и экранирующих корпусов разработчик должен очень внимательно учитывать все возможные факторы.

6.4. Контрольные вопросы к разделу

1.Какие три основных компонента определяют эффективность экранирования электромагнитного экрана?

2.Чем определяются потери на отражение и как за счет них можно

77

повысить эффективность экранирования?

3.От чего зависят потери на поглощение и как за счет них можно повысить эффективность экранирования?

4.За счет чего возникают множественные внутренние отражения и как они влияют на общую эффективность экранирования?

5.Что называется ближнем полем и в чем особенность экранирования

втаком поле?

6.Какими основными способами можно измерить эффективность экранирования материала?

78