7. Практическое электромагнитное экранирование

Обычно экранирующий корпус окружает компоненты электронного средства со всех сторон. При этом особое внимание уделяется уменьшению размеров отверстий и герметизации стыков. С другой стороны также распространены экраны закрывающие всего один радиоэлектронный модуль или только его некоторую часть. Такие экраны состоят из единого заземленного или незаземленного металлического листа и могут иметь вводы для проводников.

Почему же отверстия и стыки так важны в некоторых случаях и совсем не играют роли в других? Дело в том, что для решения различных задач применяются соответствующие способы экранирования. Все типы экранов можно разделить на три категории: экраны электрического поля, экраны магнитного поля и экранирующие корпуса [14]. Лучший подход к экранированию на практике зависит от большого числа факторов, включая электрические характеристики схемы или системы подлежащей экранированию, физических ограничений (размер, вес, ремонтопригодность) и стоимость.

7.1. Экранирование электрического поля

Идеально проводящий корпус полностью окружающий определенный объем предотвращает всякое электрическое взаимодействие с объектами за пределами данного объема. Такой тип корпусов называется клеткой Фарадея. Электрическое поле, создаваемое внутри объема, ограничивается внутренними поверхностями стенок экранирующей конструкции, что представлено на рис. 7.1(а). Свободные заряды образующиеся на поверхности экрана самостоятельно перемещаются, что необходимо для полной компенсации полей внутри или снаружи корпуса.

Корпус, не являющийся идеально проводящим, также можно считать клеткой Фарадея до тех пор, пока заряды могут достаточно быстро самостоятельно перераспределяться для компенсации внутренних полей. Большинство металлических корпусов, не имеющих значительных стыков или отверстий, обеспечивают отличное экранирование электрического поля в широком диапазоне частот. Без экрана линии поля могут замыкаться на других проводниках, образуя в результате паразитную разность потенциалов, что представлено на рис. 7.1(б).

79

А Б Рис. 7.1. Экранирование (а) и взаимодействие (б) электрического поля

Однако частичное экранирование (рис. 7.2(а)) или даже простая металлическая пластина (рис. 7.2(б)) также может существенно снизить подобные паразитные наводки, обеспечивая альтернативный путь линиям электрического поля и тем самым предотвращая достижение силовыми линиями цепи-рецептора.

А Б Рис. 7.2. Частичное экранирование электрического поля

Важным моментом при практическом экранировании электрического поля является определение местоположения экранирующей структуры, а также выбор соответствующего проводящего материала. При определении электрофизических параметров конструкционного материала необходимо учитывать рабочие частоты или скорость изменения поля. Эффективное подавление электрические полей будет обеспечиваться до тех пор, пока заряды способны двигаться достаточно свободно для самостоятельной

80

перегруппировки при соответствующем изменении поля.

В случае электростатического поля почти любой материал можно рассматривать как проводящий, так как свободные заряды могут медленно переориентироваться. Однако для ВЧ электрических полей проводимость материала экрана должна быть достаточно высокой, чтобы позволить зарядам быстро двигаться назад и вперед.

Расположение экранирующей структуры производится таким образом, чтобы она в максимальной степени пересекала линии электрического поля, потенциально способные вызвать нежелательное взаимодействие между источником и рецептором. Несколько примеров практического экранирования электрического поля представлены на рис. 7.3.

А

Б

В

Рис. 7.3. Примеры практического экранирования электрического поля

На рис. 7.3(а) представлен защитный печатный проводник, используемый для уменьшения связи между двумя параллельными дорожками ПП. Рис. 7.3(б)

81

показывает возможный способ заземления радиатора, ослабляющий электрическое поле между ним и заземляющим слоем ПП. На рис. 7.3(в) продемонстрировано влияние ориентации печатного узла на паразитные наводки между шиной питания и компонентами основной платы.

7.2. Экранирование магнитного поля

Поскольку свободных магнитных зарядов не существует, то замкнуть линии магнитного потока на экранирующей структуре не возможно. Однако можно перенаправить магнитный поток для предотвращений нежелательного влияния. Это достигается за счет индукции электрических токов в проводящих экранах (рис. 7.4) или созданием альтернативных путей для линий магнитного потока с использованием магнитопроницаемых материалов с r 1 (рис. 7.5).

Так на рис. 7.4(а) вертикальное магнитное поле от электрического мотора воздействуя на цепи расположенные на ПП, что приводит к созданию помех. На рис. 7.4(б) представлен тот же случай, но с использованием магнитного экрана в виде алюминиевой пластины расположенной под ПП.

А Б В Рис. 7.4. Экранирование магнитного поля при помощи материалов с хорошей

проводимостью

Определив на поверхности этой пластины область, образуемую короткозамкнутой петлей через которую будет проходить воздействующее магнитное поле, согласно закону Фарадея в ней будет создаваться электрическое поле равное

где правая сторона выражения характеризует скорость изменения общего магнитного потока протекающего через петлю. Однако любое электрическое поле на хорошо проводящей поверхности будет вызывать появление тока. В

82

свою очередь этот ток будет генерировать собственный магнитный поток, направленный в противоположную сторону по отношению к первоначальному потоку. В идеальном проводнике оба этих магнитных потока будут полностью компенсироваться. Токи, наводимые в проводящем материале под воздействием переменного магнитного поля, называются вихревыми токами. На рис. 7.4(б) представлены оба вида магнитных полей, а на рис. 7.4(в) представлен результат их суммирования. Можно видеть, что вихревые токи могут «отводить» магнитный поток от ПП и тем самым значительно ослаблять его влияние.

Для того, чтобы отклонить магнитное поле при помощи проводящей пластины, важно обеспечить создание непрерывных вихревых токов. Также следует учесть, что проводящая пластина не может отводить магнитостатическое поле, так как вихревые токи создаются только переменным полем. При медленно изменяющемся поле потери в проводящей пластине могут рассеивать вихревые токи, что также приводит к недостаточной защите ПП. Поэтому применение проводящих материалов для магнитного экранирования на НЧ (ниже нескольких сотен кГц), как правило, малоэффективно. Наличие щелей или отверстий нарушающих непрерывность вихревых токов также ухудшают эффективность экранирования подобных экранов.

Для подавления магнитного поля на НЧ необходимо использовать магнитопроницаемые материалы ( r 1) такие как сталь или мю-металл.

Поскольку такие материалы имеют магнитное сопротивление намного меньшее чем у воздуха, то линии магнитного поля могут быть эффективно перенаправлены в обход. На рис. 7.5 представлен предыдущий пример, где для защиты ПП применяться экран сделанный из магнитопроницаемого материала. При этом важно полностью отклонить магнитный поток вокруг экранируемого объекта. Простое расположение пластины из магнитного материала выше или ниже ПП не обеспечит экранирование.

А Б Рис. 7.5. Экранирование магнитного поля при помощи магнитопроницаемого

материала

83

7.3. Экранирующие корпуса

На ВЧ возможны ситуации, когда токи наводимые в экране создают ЭМИ сопоставимое (а иногда и намного больше) с излучением первоначальных источников поля. Это возможно в случаях, когда наибольшая сторона экранирующего корпуса равна длине волны или близка к его кратному значению. На таких частотах необходимо полностью экранировать источник уделяя особое внимание отверстиям, стыкам или кабельным вводам, которые могут быть причиной утечек электромагнитной энергии. Идеальный экранирующий корпус с бесконечной проводимостью и без неоднородностей будет являться отличным электромагнитным изолятором вне зависимости от происходящего внутри или снаружи. Даже если материал корпуса имеет конечную, но высокую проводимость (медь, алюминий или сталь), при условии отсутствия отверстий, стыков или кабельных вводов, необходимое качество экранирования для большинства практических задач все равно будет достигаться. На практике подобные корпуса не могут применяться из-за необходимости обеспечения электрического питания и связи с внешними объектами. Лучшее, что может сделать разработчик в таком случае – начать проект с идеального корпуса и тщательно анализировать каждый стык, кабельный ввод и отверстие, добавляемые в конструкцию, для обеспечения их минимального влияния на общую эффективность экранирования.

Отверстия

Прямоугольные и круглые отверстия в экранирующих корпусах используются для обеспечения вентиляции, установки органов индикации и управления, механического крепления внешних элементов и т.п. Для обеспечения корпусом требуемого экранирования, наводимые в нем токи должны иметь возможность беспрепятственного распространения по его поверхности. Как правило, отверстия с максимальным размером много меньшим длины волны создают незначительный импеданс для токов текущих по проводящей поверхности. По этой причине, при необходимости наличия открытой зоны (например, системы вентиляции), лучшим конструктивным решением будет использование множества малых отверстий вместо нескольких больших. На рис. 7.6 представлено графическое пояснение данной идеи. Так на рис. 7.6(а) вентиляционная решетка прерывает линии тока более значительно, чем вариант на рис. 7.6(б). С точки зрения обеспечения ЭМС второй вариант более предпочтителен даже не смотря на то, что общая площадь отверстий в обоих вариантов одинакова. Таким образом, экранирующий корпус может быть эффективным даже при наличии в нем значительных открытых зон, при условии, что каждое отдельное отверстие намного меньше длины волны.

84

А Б Рис. 7.6. Два варианта исполнения системы вентиляции в экранирующем

корпусе

В общем случае доля энергии, исходящей из корпуса сквозь малые отверстия, незначительна по сравнению с энергией, излучаемой через стыки и кабельные вводы. Однако если корпус хорошо герметизирован и требуется дальнейшее увеличение эффективности экранирования, то следует прибегнуть к использованию отверстий с искусственно увеличенной глубиной, представляющих собой небольшие запредельные волноводы. Более подробно такой способ будет рассмотрен далее.

Стыки

Большинство корпусов ЭС являются сборными и при соединении какихлибо частей вместе неизбежно образуются стыки. Как правило, из-за большой протяженности именно стыки являются местами значительных утечек ЭМИ. Так стык, имеющий длину в районе 1/2 длины волны, может подобно резонансному полуволновому диполю создавать достаточно сильное излучение. Вследствие этого при использовании экранирующего корпуса существует вероятность получения достаточно эффективной антенны для слабоизлучающего источника из-за наличия резонирующей щели или стыка.

Часто хорошо выглядящее изолированное соединение может прерывать поверхностные токи, значительно ухудшая характеристики экранирующего корпуса. На рис. 7.7(а) или 7.7(б) представлены две металлические поверхности прижатые одна к другой. Из-за поверхностного окисления, коррозии и перекоса металлических листов качество электрического контакта, в особенности на ВЧ, будет неудовлетворительным. Применение винтов или заклепок (рис. 7.7(в)) способно обеспечить хороший электрический контакт в местах непосредственного крепления, но между ними перечисленные проблемы остаются. Одним из способов снижения поверхностного импеданса является использование стыка внахлест с обеих сторон стенки, как показано на рис. 7.7(г). Другим распространенным решением является применение контактных металлических пружин или проводящих прокладок, что изображено на рис. 7.7(д) и 7.7(е) соответственно.

85

Рис. 7.7. Стыки в экранирующих корпусах

Кабельные вводы

Наличие кабельных вводов является неотъемлемой частью практически любого ЭС и используется для обеспечения питания или соединения с другими устройствами. Всего лишь один неэкранированный кабельный ввод без фильтрующей системы может полностью свести на нет все преимущества характерные для экранирующего корпуса. Как показано на рис. 7.8 любая разность потенциалов между проводом и корпусом приводит к тому, что пара провод/корпус начинает работать подобно дипольной антенне.

Рис. 7.8. Механизм образования паразитной антенны между проводом и корпусом

Провода и корпус обычно являются одними из крупнейших проводящих объектов в системе. В результате этого возможно образование паразитной

86

антенны на НЧ посредством пары провод/корпус. По этой причине для любых проводов входящих в корпус очень важно обеспечить или хорошее экранирование или поддерживать одинаковый с корпусом потенциал на всех возможных проблемных частотах.

При подключении экранированного кабеля к корпусу между ними необходимо обеспечить соединение обладающее как можно меньшим импедансом. Обычно это достигается использованием экранированных соединителей обеспечивающих контакт металл-металл по всей окружности стыка экранированного кабеля и корпуса, как показано на рис. 7.9(а). На рис. 7.9(б) показано соединение гибким проводником имеющим значительный импеданс, в результате чего между экраном кабеля и корпусом ЭС создается разность потенциалов вызывающая нежелательное ЭМИ.

А Б Рис. 7.9. Соединение экранированного кабеля и экранирующего корпуса

Если провода входящие в корпус вообще не имеют экрана, то разработчику необходимо предусмотреть фильтрацию. Схема фильтрации должна минимизировать напряжение между проводом и корпусом на излучаемых ВЧ частотах, в то время как необходимые НЧ сигналы и напряжение питания будут проходить беспрепятственно. Для минимизации индуктивности соединения и предотвращения возможных помеховых воздействий на соединительный провод, требуется расположить фильтр как можно ближе к входному разъему. Примеры установки подобных фильтров представлены на рис. 7.10.

7.4. Применение запредельных волноводов

В ряде практических случаев в конструкции экранирующих корпусов требуется иметь большое количество отверстий. С учетом жестких требований к эффективности экранирования и тепловому режиму, может быть необходимо дальнейшее уменьшение количества энергии излучаемой через данные отверстия. Одним из способов может быть искусственное увеличение глубины отверстия для образования структуры типа запредельного волновода. На частотах для которых размер поперечного сечения отверстия меньше чем пол длины волны энергия, распространяемая сквозь такой волновод, будет ослабляться подобно ослаблению энергии при прохождении через волновод ниже частоты среза. Другими словами поле будет экспоненциально затухать. Для определения величины ослабления обеспечиваемой отверстием с глубиной d и максимальной высотой или шириной а можно воспользоваться следующей приблизительной формулой

где f – частота воздействующего поля, fC – частота среза созданного запредельного волновода. Частота среза приблизительно равна частоте, для которой максимальное значение высоты или ширины а равно половине длины волны.

Ослабление прямоугольного запредельного волновода

Для прямоугольного волновода с высотой b, шириной а и длиной d (рис. 7.11) распространяющаяся волна с нижней частотой среза будет типа ТЕ10.

Рис. 7.11. Эскиз прямоугольного волновода

Постоянная распространения для режима ТЕ10 определяется как

88

На частотах при которых член под корнем отрицательный, постоянная распространения мнимая и поле не распространяются. Это происходит когда

где - скорость распространения в диэлектрике волновода (3 108 м/с в воздухе).

Ниже частоты среза амплитуда поля в волноводе экспоненциально уменьшается

Тогда общее ослабление поля прошедшего расстояние d, выраженное в дБ будет

Объединяя выражения (7.3), (7.4) и (7.6) получим ослабление

Ослабление круглого запредельного волновода

Для круглого волновода с диаметром а и длиной d, представленного на рис. 7.12, распространяющаяся волна с нижней частотой среза будет типа ТЕ11.

Рис. 7.12. Эскиз круглого волновода

Постоянная распространения для режима ТЕ11 определяется как

89

где - скорость распространения в диэлектрике волновода (3 108 м/с в воздухе).

Ниже частоты среза амплитуда поля в волноводе экспоненциально уменьшается согласно выражению

Тогда общее ослабление поля прошедшего расстояние d, выраженное в дБ будет

Комбинируя выражения (7.8), (7.9), (48) (7.11) как и для случая прямоугольного волновода, получаем общее ослабление поля прошедшего расстояние d, выраженное в дБ

Допущения и примечания:

-в полученных выражениях, как для прямоугольного так и для круглого волновода, вначале имеется константа, которая может принимать значения от 3 до 30, что соответствует различным режимам распространения. Так как, наибольшее влияние оказывают режимы низкого порядка, то соответственно используется величина 30;

-при приближении длины волновода d к 0, величина ослабления также стремится к нулю. Однако даже отверстия в тонких стенках обеспечивают некоторое ослабление, если их поперечное сечение мало по отношению к длине волны. При d>>a выражение (7.2) будет очень неточным;

-данная модель не учитывает способ приложения поля к волноводу с одного конца или насколько эффективно оно излучается с другой стороны. Таким образом, эта модель не применима для нахождения эффективности экранирования какого-либо экрана. Ослабление, определенное в (7.2), должно быть добавлено к эффективности экранирования найденной для случая без

90

применения запредельного волновода; - если в отверстие проникает провод, тогда режим распространения

нижнего порядка станет ТЕМ режимом. В таком случае в отверстие могут проникать поля любой частоты, а значит преимущество использования малых отверстий пропадает.

7.5. Контрольные вопросы к разделу

1.На какие три группы в зависимости от решаемой задачи делятся

экраны?

2.Какие основные требования предъявляются к конструкционным материалам применяемым для экранирования электрического поля?

3.Какими техническими решениями можно обеспечить защиту от электрических полей?

4.Какие основные требования предъявляются к конструкционным материалам применяемым для экранирования НЧ магнитного поля?

5.Какими техническими решениями можно обеспечить защиту от магнитных полей?

6.В чем особенность проектирования экранирующих корпусов по сравнению с локальными электромагнитными экранами?

7.Как различные конструктивные элементы экранирующего корпуса влияют на его эффективность экранирования и как можно минимизировать это влияние?

8.В чем основная идея использования отверстий выполненных в виде запредельного волновода?

91