Часть 2. Конструирование электромагнитных экра-нов, расчет электромагнитного экранирования

Более подробная информация содержится в [3]. Рассматриваются три раздела: «Особенности конструирования электромагнитных экранов», «Мате-риалы и элементы конструкций экранов» и «Расчет электромагнитного экрани-рования». Для студентов специальности 210302.65 и направления 210300.62 материал, который дается только для специальности 210201.65, не является обязательным для изучения. При этом необходимо руководствоваться рабочей программой дисциплины.

Раздел 5. Особенности конструирования электромагнитных экранов

Материал по этому разделу находится в [3], с. 56…86. После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки, приведенные в конце раздела. Затем следует пройти тренировочный тест № 4. При успешном прохождении тренировочного теста необходимо ответить на вопросы контрольного теста с той же нумерацией.

Вначале следует вспомнить определение электромагнитной совмести-мости, а также все, что связано с ее обеспечением.

Электромагнитная совместимость радиоэлектронного (электронного) средства - это его способность функцио­нировать совместно и одновременно с другими средст­вами, имеющими электромагнитные свойства, при воз­можном действии непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП), не создавая при этом недопустимых помех другим радиоэлектронным и электронным средствам.

Следует обратить внимание на то, что важнейшим выводом из накоп-ленного опыта является экономиче­ская концепция о выгодности учета требо-ваний к обес­печению ЭМС при разработке средств, начиная с са­мого раннего этапа - составления технического зада­ния на разработку.

Экранирование Вы изучали в дисциплине «Основы проектирования элек-тронных средств». Несмотря на это, необходимо восстановить этот материал и только на его базе следует переходить к дальнейшему изучению материала этого раздела.

Итак, следует вспомнить основные определения и физические пред-ставления: паразитная наводка и паразитная связь, понятия экранирования и эффективности экранирования [3], с. 25…27. Следует вспомнить принципы экранирования электрического, магнитного (постоянного и медленно изменяющегося и переменного) полей, а также одновременного экранирования электрического и магнитного полей [3], с. 27…42. Необходимо вспомнить те зависимости, которые лежат в основе защиты РЭС от этих полей, и их математическую формулировку. Для того чтобы иметь возможность создавать действительно экранирующие устройства, надо уметь конструировать крышки экранов [3], с. 43…45.

Особо следует остановиться на экранировании проводов [3], с. 51…56.

Перейдем к материалу изучаемого раздела. Первое, что следует разоб-рать, – это представление экрана как объемного резонатора [3], с. 56…68. Не-обходимо рассмотреть явления, которые сопровождают движение электромаг-нитной энергии в объеме экрана, когда они возникают, и что представление излучателя внутри экрана является более удобным. Экран как объемный резо-натор обладает распределенными параметрами, значения которых определя-ются его формой и размерами, толщиной и свойствами материала, особен-ностями конструкции. Обобщенным параметром, характеризующим размеры экрана, является эквивалентный радиус

где V_экр - внутренний объем экрана, м³.

Следует разобраться с математическими выкладками, описывающими происходящие в экране процессы, добротность, напряженность поля внутри экрана, плотность потока мощности и накопление энергии электромагнитного поля в экране.

При конструировании экранов для мощных источников помимо учета распределения поля необходимо принять меры по уменьшению потерь в экране. Потери в экране создаются за счет вихревых токов, протекающих по экрану и вызывающих его нагревание. Обратите внимание на то, что экран должен иметь такие размеры и конструкцию, быть изготовленным из такого материала, чтобы потери не превышали 1 % от мощности излучения.

При экранировании колебательных контуров потери в экране можно представить как некоторое эквивалентное дополнительное сопротивление в колебательной цепи, влияющее на ее первичные и вторичные параметры. В результате происходит взаимное воздействие экранируемого объекта на экран и наоборот. Это взаимное воздействие будет тем больше, чем ближе экран располо­жен к экранируемому объекту. Оно проявляется в увеличении актив-ного сопротивления и емкости контура, в уменьшении его индуктивности и добротности.

Любой вид электрической волны, установившийся в процессе колебаний в резонаторе, должен быть таким, чтобы напряженность электрического поля у стенок была равна или близка к нулю и в соответствии с этим волна должна установиться поперек резонатора. Такое же распределение напряженности электрического поля может иметь место, когда волна движется вдоль оси z. Резонатор может оказаться настроенным в резонанс, если вдоль ребра уклады-вается целое число полуволн.

Внимательно рассмотрите математические выкладки, сопровождающие текст учебного пособия [3]. Заметим, что в первую очередь следует определить наи­низшую резонансную частоту для данных размеров экрана, так как возник-новение резонанса в экране сопровождается резким возрастанием амплитуды поля и при использовании электрически тонкого материала для экрана наблюдается интенсивный спад его эффектив­ности.

Резонансные частоты реальных экранов не всегда соответствуют расчет-ным, так как из-за наличия в экране каких-либо предметов частота его резо-нанса сдвигается. Обычно у распространенных на практике экранов РЭС резо-нансные частоты лежат выше 30 ... 1000 МГц. С увеличением размеров экрана резонанс сдвигается в сторону более низких частот.

При резонансе напряженность поля внутри замкну­того экрана возрастает в Q раз, а следовательно, эффек­тивность экранирования уменьшается в Q раз относи­тельно результирующей эффективности, учитывающей поглощение и отражение электромагнитных волн. Для электрически тонких материалов, эффект экранирования которых проявляется только в результате отражения, эффективность экрана при резонансе становится весьма незначительной.

Поэтому обязательным условием использования электрически тонких материалов является предварительное определение, находится ли в допусти-мых пределах величина уменьшения эффективности в полосе резонанса.

Физически падение эффективности на резонансных частотах можно объ-яснить уменьшением отражения, что обусловлено проникновением поля за пре-делы экрана. Очевидно, что в условиях резонанса (продольного или попе-речного) отражающие поверхности становятся прозрачными, что возможно, когда толщина экрана стано­вится равной целому числу половин длины волны в ма­териале.

Следует обратить внимание на то, что при использовании сетчатых мате-риалов их следует проверять аналогично по эквивалентной толщине, опре­деляемой по формуле d_э =  r²_s / S, где r_s - радиус прово­локи сетки; s - шаг сетки.

Затем необходимо проанализировать процессы, происходящие в тракте переноса помехи [3], с. 69…79. Вначале следует ознакомиться с определением тракта переноса помех и понимать, чем он отличается от тракта радиосвязи. Следует обратить внимание на то, что теория переноса помехи плохо изучена и инженерные решения базируются в основном на анализе различных частных случаев. Наибольшую сложность представляет анализ тракта переноса помех, распространяющихся путем непосредст­венного их излучения. Необходимо рассмотреть распределение полей в ближней и дальней зонах излучения, разобраться с математическими зависимостями этого процесса, а также понимать практическое значение этих рассуждений.

При отсутствии возможностей дифференцированной оценки состав-ляющих поля по характеру, величине и пространству используют более обоб-щенную характери­стику излучателя - действующую высоту (площадь) эквива-лентной антенны.

Следует вспомнить, что электрическое и магнитное поля в распростра-няю­щейся электромагнитной волне непрерывно взаимно пре­образуются. На равных расстояниях от излучателя электрическое и магнитное поля находятся в фазе и образуют поверхность в виде сферы, называемую волновой поверх-ностью. Следовательно, распространяющиеся в пространстве электромагнит-ные волны являются сферическими. При значительном радиусе сферы неболь-шая площадка на ее поверхности может приближенно считаться плоской. Поэтому в зоне излучения при незначительных размерах приемных антенн всегда оперируют с плоскими волнами, для которых известны соотношения между составляющими поля.

Необходимо разобраться, почему исследование электромагнитной обста-новки района или участка распространения помехи произво­дится экспери-ментально с обработкой многократных для различных условий результатов измерений методами математической статистики.

В общем случае при наличии на пути распростране­ния препятствия с электрическими параметрами, отлич­ными от параметров волны, электрическое поле изменя­ется за счет вторичного поля, рассеиваемого препятст­вием. Сущность этих изменений аналогична явлениям отражения и преломления волн на границе двух сред, но при этом значительно сложнее. Практическое исполь­зование этих явлений для уменьшения влияния помехи может иметь место и при наличии естественных преград, что должно учитываться в конкрет-ной обстановке.

Следует разобраться с тем, как эффект поляризации радиоволн влияет на ослабление помех. Кроме этого, следует отметить еще два важных обсто-ятельства использования явлений, характерных для дальней зоны, с целью подавления радиопомех, реализации требований по совместному и близкому размещению элементов РЭС и, следовательно, проектирования как сравни-тельно небольших экранов, так и крупных систем электромагнитного экрани-рования. Это, во-первых, то, что зависимости направленности излучения, диф-ракции, поглощения, интерференции и поляризации радиоволн от частоты не имеют резко выраженного характера. Это приводит к необходимости прибегать к временному разделению в функционировании аппаратуры и к мерам частот-ной фильтрации, а также к существенным конструктивным ограничениям. Следует разобраться с этими зависимостями и понимать, за счет чего они осуществляются.

Второе обстоятельство заключается в том, что даль­няя зона харак-теризуется наличием уже сформировав­шихся свойств направленности излуча-телей и приемных антенн. С процессами, связанными с этим обстоятельством, можно разобраться, изучив материал на с. 77…79. Там же дан вывод о важности электромагнитного экранирования в радиотехнике.

Изучив весь рассмотренный выше материал, можно переходить к назначению и основным характеристикам экранов [3], с. 79…82.

Электромагнитные экраны предназначаются для локализации в некото-ром объеме пространства полей, соз­даваемых излучателями электромагнитной энергии с целью ослабления или исключения воздействия излучателей на чувствительные элементы РЭС и аппаратуру в целом. В зависимости от назна-чения различают экраны с внутренним возбуждением электромагнитного поля, в которых обычно помещается источник помех, и экраны внешнего элек-тромагнитного поля, во внутренней полости которых помещаются чувст-вительные к этим полям устройства. В первом случае экран предназначен для локализации поля в некотором объеме, во втором - для защиты от воздействия внешних помех.

Экранирование как техническое мероприятие призва­но обеспечить надежность работы РЭС: подавить до требуемого уровня влияние непредна-меренных излуче­ний электромагнитной энергии, препятствующих эффек­тивному функционированию элементов РЭС.

Определе­ние назначения экрана в каждом отдельном случае произ-водится с учетом характера источника помех и чув­ствительных к ним элемен-тов, их размеров, пространственного размещения, вида подводимых коммуни-каций и допустимой величины воздействия экрана на экранируемые элементы.

Необходимо разобраться со специфическими особенностями электро-магнитного экранирования (ЭЭ), еще раз вернуться к понятию эффективности экранирования и убедиться, что эта характеристика экрана является функцией пространства и частоты.

Можно рассматривать и другие близкие по смыслу характеристики — коэффициент экранирования, эквивалентную высоту экрана.

Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых элементов, определяемая количественно коэф-фициентами реакции экрана. Необходимо понимать физический смысл этой характеристики и оценивать относительные изменения параметров экрани-руемых элементов.

В заключение этого раздела следует ознакомиться и в дальнейшем учи-тывать особенности конструирования электромагнитных экранов [3], с. 82…86. Конструирование экранов, как и самих РЭС, осуществляется в соответствии со структурными уровнями РЭС. Различают поэлементное, блочное и общее экранирование РЭС. Конструирование электромагнитных экранов может иметь следующие особенности:

- разработка самостоятельных конструкций экранов;

- разработка конструкций экра­нов для отдельных элементов и узлов РЭС;

- разработка электромагнитных экранов как самостоятельных соору-жений, не связанных с каким-либо отдельным типом РЭС.

Необходимо разобраться в этих особенностях, а также каким требо-ваниям должен отвечать экран в каждом из них.

Решение общей или частной технической задачи по электромагнитному экранированию обычно начинается с изучения радиоустройства, в результате чего выявляются источники и намечаются наиболее экономичные способы ослабления радиопомех. Следует рассмотреть эти способы.

Ведущим рабочим документом проектирования экранов явля­ется схема принципиальная системы экранирования, на которой должны быть выделены помехообразующие и излучающие элементы с оценкой уровней помех и вос­приимчивые (чувствительные) элементы с указанием допустимых значений наводимых ЭДС помех и степени необходимого ослабления. Необходимо знать, как она используется при проектировании.

Вопросы для самопроверки к разделу 5

1. Дайте определение электромагнитной совместимости РЭС?

2. На каких уровнях осуществляется задача обеспечения ЭМС?

3. Что понимается под паразитной наводкой, а что - под экранирова-нием?

4. Что входит в понятие экран?

5. Что понимается под эффективностью экранирования? В каких едини-цах ее измеряют?

6. В чем заключается физический смысл экранирующего эффекта, полу-

чаемого от металлического листа, соединенного с корпусом прибора?

7. Какой должна быть длина провода, соединяющего экран с корпусом? Как она зависит от частоты?

8. Насколько ухудшают экранирование узкие щели и отверстия в элек-тростатическом экране? При каком условии не влияют?

9. Зависит ли эффективность электростатического экранирования от толщины и материала экрана?

10. Может ли иметь место экранирующий эффект при помещении метал-лического листа, соединенного с корпусом прибора, над обеими экрани-руемыми друг от друга точками и почему?

11. Что является причиной паразитных наводок магнитного поля? Как называется экранирование постоянного или медленно изменяющегося магнит-ного поля и почему?

12. Какой принцип лежит в основе экранирования высокочастотного магнитного поля, как он называется?

13. Что называется эквивалентной глубиной проникновения, с каким эффектом это понятие связано? От чего зависит экранирующий эффект, как он зависит от магнитной проницаемости материала, для каких материалов эта зависимость справедлива?

14. Какая толщина любого металлического экрана достаточна для диа-пазона высоких частот? Какими соображениями необходимо руководство-ваться при выборе толщины экрана?

15. Какие факторы необходимо учитывать при оценке эффективности экранирования вихревыми токами? На каких частотах такое экранирование практически не действует?

16. Какие особенности необходимо учитывать при одновременном экра-нировании электрического и магнитного полей?

17. Какие конструкции крышек экранов Вы знаете? В чем их особен-ности?

18. Какие факторы необходимо учитывать при экранировании проводов? На каких частотах частичное замыкание оболочки провода может нарушить экранирование? Область применимости экранированных проводов.

19. Какие явления сопровождают процесс движения электромагнитной энергии в экране?

20. Почему целесообразно внешний источник поля представлять эквивалентным ему внутренним излучателем?

21. Какими параметрами обладает экран как объемный резонатор?

22. Что является обобщенным параметром экрана, характеризующим раз-меры экрана?

23. Чему пропорциональна добротность замкнутого экрана как резо-натора?

24. Что приводит к неравномерному распределению поля внутри экрана?

25. Что понимается под диффузным полем экрана? Какое еще поле надо учитывать?

26. Зачем надо вводить в экран поглощающий материал, на что он влияет?

27. На что влияет накопление энергии электромагнитного поля в экране?

28. Какие параметры должны быть выбраны правильно для нормального функционирования экрана?

29. В каких случаях и для чего необходимо уменьшать потери в экране?

30. Что надо учитывать при экранировании колебательных контуров?

31. Что такое резонанс в экране, на что он влияет и как рассчитать резо-нансные частоты?

32. Что понимается под трактом переноса помех? Чем он отличается от тракта радиосвязи?

33. Охарактеризуйте ближнюю и дальнюю зоны излучения.

34. Охарактеризуйте пространство, в котором распространяются помехи.

35. Для чего используются эффекты поляризации радиоволн?

36. Какие еще обстоятельства (кроме выявленных в предыдущих вопро-сах) влияют на подавление помех?

37. Для чего предназначены экраны? Какие экраны в зависимости от назначения Вы знаете?

38. Что такое экранирование как техническое мероприятие?

39. Функцией чего является эффективность экранирования?

40. Что такое коэффициент реакции экрана?

41. Какие виды экранирования Вы знаете?

42. Каковы особенности конструирования экранов при поэлементном экранировании, блочном и общем? Дайте им характеристику.

43. Какие способы ослабления помех Вы знаете?

44. Что является ведущим рабочим документом проектирования экранов? Как он используется?