Учебное пособие 800552

Рис. 6.3. Экранирование источников электрического и магнитного поля

С учетом того, что в ближнем поле ( r 2 ) электрический диполь

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 ситуациях.

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

72

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.

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

(6.18)

Рис. 6.4. Тестовая установка определения эффективности экранирования плоской волны

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

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 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 оказалось равным 38 дБ(мкВ/м). Тогда эффективность экранирования корпуса в данном исполнении будет равна

SE 52 дБ мкВ м 38 дБ мкВ м 14 дБ .

74

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 становится частью непреднамеренной излучающей антенны.

Пример 3. Итоговая эффективность экранирования корпуса, сделанного из материала, ослабляющего 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

истыками 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

иэкранирующих корпусов разработчик должен очень внимательно учитывать все возможные факторы.

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 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?

75

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 конструкции экрана, 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.

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 цепирецептора.

76

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

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 электрических полей будет обеспечиваться до тех пор, пока заряды способны двигаться достаточно свободно для самостоятельной перегруппировки при соответствующем изменении поля.

77

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 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.

78

7.2. Экранирование магнитного поля

Поскольку свободных магнитных зарядов не существует, то замкнуть линии магнитного потока на экранирующей структуре невозможно. 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 воздействует 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.

Рис. 7.4. Экранирование магнитного поля при помощи материалов с хорошей проводимостью

На поверхности этой пластины образуется область, ограниченная 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 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.

79