Поглощение эмв зависит от коэффициента затухания

(7.7)

где ω - частота, μ - магнитная проницаемость, σ — удельная проводимость металла.

Коэффициент отражения от границы раздела воздух-металл опреде­ляется отношением характеристических сопротивлений.

(7.8)

С учетом указанных явлений (отражения и поглощения ЭМВ) коэффи­циент экранирования рассчитывается следующим образом

(7.9)

а коэффициент реакции экрана

(7.10)

где

(7.11)

Экранное затухание (в дБ) можно представить в виде 3-х слагаемых

S = A + B + R (7.12)

где A = 8.69αt = 8.69 t / δ - затухание за счет поглощения;

R = 20 lg │( Z_o+Z_M ) ² / 4 Z_o Z_M │ - затухание за счет первичного отражения;

- затухание за счет многократных

отражений;

- глубина проникновения ЭМП в металл.

Если экран выполнен из металла с высокой проводимостью, то

Z_o >>Z_M . В этом случае

(7.13)

Эффективность экранирования зависит от формы экрана. Установле­но, что экраны прямоугольной конструкции обладают лучшими экраниру­ющими свойствами по сравнению с цилиндрическими экранами.

При конструировании экранов следует учитывать возможность воз­никновения резонансных явлений в экранируемой области. Собственные резонансные частоты колебаний ЭМП внутри прямоугольного экрана, имеющего размеры a x b x c равны

(7.14)

где υ = 3·10 ⁸ м/с; m, n, p - целые числа.

Кроме того, значение резонансных частот зависит от размещае­мых внутри экрана элементов аппаратуры. Если частота поля помехи совпадает с одной из резонансных частот экрана, то поле в экранируе­мой области возрастает пропорционально добротности экрана и эффек­тивность экранирования резко снижается.

На рис.7.2 приведена зависимость эффективности затухания от частоты для экрана из меди толщиной 1 мм.

Анализ выражения (7.12) показывает:

1. Металлические экраны при практически применяемых толщинах обеспечивают хорошую эффективность экранирования ЭМП на всех часто­тах радиодиапазонов.

2. Эффективность экранирования увеличивается с увеличением ω, μ, σ, t .

3. В диапазоне СВЧ толщина металлического экрана может состав­лять несколько микрометров и выполняться в виде тонкой пленки, нане­сенной на изделие.

4. Большое значение эффективности экранирования, обусловленное отражением ЭМВ от экрана, допускает уменьшение толщины экрана для низких частот примерно на порядок по сравнению с глубиной проникно­вения.

5.1.4. Экранирование магнитного поля. Анализ взаимодействия ЭМП с экраном показывает, что с технической точки зрения наиболее сложно осуществить экранирование аппаратуры от воздействия магнит­ных полей.

В основе экранирования магнитного поля лежат следующие явления:

- щунтирование магнитного поля ферромагнитными материалами;

- вытеснение помехонесущего магнитного поля полем вихревых токов.

Первое явление используется при создании экранов для магнито-статических полей (ω → 0). Экран изготавливают из ферромагнитного материала с высокой μ_а.

Магнитное сопротивление R_M , оказывае­мое магнитопроводом с магнитной проницаемостью μ_а , длиной  вдоль линии магнитной индукции и поперечным сечением S (рис.7.3), определяется выражением

(7.15)

Если экран выполнен из немагнитного материала ( μ_а = 1 ; медь, латунь, алюминий), то он не оказывает на помехонесущее магнитное поле никакого влияния, и поэтому эффективность экранирования равна нулю.

Если же экран изготовлен из ферромагнитного материала (пермалой, сталь) μ >> 1, то магнитный поток замыкается в основном на стенке экрана. При этом эффективность экранирования определяет­ся отношением магнитного потока в экранируемой области в отсутствии экрана к магнитному потоку в той же области при наличии экрана.

(7.16)

Основные требования к магнитостатическим экранам:

1. Высокая магнитная проницаемость экрана, что достигается применением магнитомягких низкочастотных материалов (электротехни­ческая сталь, пермалой).

2. Увеличение толщины стенок экрана повышает его эффективность,

но приводит к увеличению габарита и веса.

3. Стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллель­но линиям магнитной индукции.

4. Заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатического экранирования.

Переменное во времени магнитное поле наводит в материале экра­на вихревые токи, магнитное поле которых совпадает по направлению с внешним полем вне экрана и противоположно ему внутри экранируемой области. Результирующее поле оказывается ослабление внутри экрана и усиленным вне его (рис.7.4).

Основными причинами неполной компенсации полей внутри экрани­руемой области является:

1. Наличие активных потерь энергии в экране, что не позволяет наведенному в экране вихревому току полностью компенсировать внеш­нее магнитное поле.

2. Наличие краевых эффектов по-разному искажающих структуру внешнего и внутреннего полей на краях экрана.

Эффективность экранирования зависит от параметров материала экрана ( μ и σ ) и частоты ω (глубины проникновения δ ):

(7.17)

где m = 1 - плоский экран; m = 2 - цилиндрический экран, m = 3 -сферический экран.

В качестве материала экрана высокочастотных магнитных полей используется медь. Применение стали, имеющей высокое значение

ограничено большими потерями из-за малой электропроводности и нали­чия гистерезиса.

Основные рекомендации по конструированию экранов высокочастот­ных магнитных полей:

1. Экраны должны изготавливаться из металлов с высокой прово­димостью (алюминий, медь, латунь).

2. Увеличение толщины экрана повышает эффективность экраниро­вания.

3. Стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно направлению вихревых токов.

4. Заземление экрана не влияет на эффективность магнитного экранирования.

5.1.5. Экранирование электрического поля. Если в аппаратуре имеются узлы или элементы, в которых возникают большие напряжения и малые токи, то такие элементы являются источниками помех, опре­деляемых на небольших расстояниях электрической индукцией. Этот вид помех часто проявляется в РЭА и ЭВА как наведение паразитных сигналов, увеличивающих шумы, так и искажение АЧХ устройств и их самовозбуждение за счет появления связи между входными и выходными каскадами.

Принцип электростатического экранирования заключается в замыкании силовых линий помехонесущего ноля на металлический экран, сое­диненный с корпусом аппаратуры или землей (рис.7.5).

Под действием электростатического или квазиэлектростатического поля помех в про­водящем экране произойдет разделение электрических зарядов, вслед­ствие чего исказятся силовые линии внешнего электрического поля и появится электрическое поле внутри экранируемой области. Таким образом, эффективность незаземлённого экрана равна нулю.

В случае заземления заряд, наводимый на поверхности экрана, отводится на корпус прибора или землю, где его нейтрализует заряд другого знака источника помех.

Эффективность экранирования квазиэлектростатического поля рас­считывается следующим образом

На рис.7.6 приведена зависимость S от частоты для экрана из меди толщиной t = 1 мм и линейным размером до источника помех r = 1 м.

В области низких частот не предъявляется особых требова­ний к толщине и проводимости металлического экрана. С увеличением частоты эффективность экранирования снижается, что объясняется вли­янием остаточного поля, образующегося за счет падения напряжения, обусловленного токами, протекающими по экрану с сопротивлением. Снижение эффективности происходит до определенной частоты, выше которой возбуждаемые вихревые токи за счет скин-эффекта вытесняют­ся к поверхности экрана. Экран переходит в электромагнитный режим и экранирующий эффект возрастает.

Таким образом, для эффективного экранирования электрического поля все металлические элементы конструкции должны быть соединены с общим корпусом или землей РЭА. Особое внимание следует уделять конструктивному выполнению присоединения экрана к корпусу. В част­ности, следует избегать применения длинных соединительных проводни­ков, особенно в диапазоне высоких частот из-за индуктивного харак­тера их сопротивления.

Основные требования к электрическим экранам:

1. Конструкция экрана должна выбираться такой, чтобы силовые линии ЭП в основном замыкались на стенки экрана, не выходя за его пределы.

2. В области низких частот (при t < δ ) эффективность экра­нирования определяется качеством заземления и мало зависит от ма­териала экрана и его толщины.

3. В области высоких частот (при t > δ ) эффективность экрани­рования наряду с качеством заземления зависит от толщины, проводи­мости и магнитной проницаемости материала экрана.

5.1.6. Многослойные экраны. Многослойные конструкции экранов, состоящие из слоев немагнитных (медь, алюминий) и магнитомягких (сталь, пермалой) металлов применяются для экранирования в широком диапазоне частот, включая и область низких частот. Тем самым много­слойные экраны оказываются эффективными для защиты от воздействия импульсных электромагнитных полей.

Применение многослойных экранов целесообразно при экранировании постоянных и низкочастотных магнитных полей большой напряженности. Магнитный материал однослойного экрана в этом случае входит в насыщение, и его эффективность резко снижается из-за нелинейного режима работы. Для исключения данного явления первый слой экрана, обращенный к источнику магнитного поля выполняют из материала с малой μ_а и высоким уровнем насыщения, а второй слой - из материала высокой μ_а . При этом первый слой уменьшает напряженность магнитного поля до величины, не вызывающей насыщение второго слоя, обеспечивающего основное экранирование.

Высокая эффективность экранирования многослойных экранов, составленных из металлов с различным характеристическим сопротив­лением, обусловлена явлением многократных отражений ЭМВ от границ раздела слоев. В результате экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов, обладает большим экранирующим действием особенно в области низких частот по сравнению с однородным экраном той же толщины.

Для двухслойного экрана коэффициент экранирования

оказывается больше, чем произведение коэффициентов экранирования двух однородных экранов.

Рекомендации по проектированию многослойных экранов:

1. Многослойную конструкцию следует применять для исключения магнитного насыщения экрана и обеспечение его линейного режима ра­боты.

2. Для обеспечения высокой эффективности экранирования и дос­тижения минимальных потерь, вносимых в экранируемые узлы РЭА, внеш­ние слои следует выполнять из немагнитных материалов (медь-сталь-медь).

В этом случае используется высокая отражательная способность меди и поглощательной способности стали.

3. Выбор оптимального соотношения толщин слоев в экране медь-сталь при экранировании магнитных полей следует проводить с учетом частоты:

- частоты от 0 до 0,5 кГц; наибольшая эффективность экраниро­вания обеспечивается однородным стальным экраном, т.к. поле прак­тически магнитостатическое и отражательная способность меди мала;

- частоты от 0,5 до 10 кГц; толщина медного и стального слоя берутся равными. В этом диапазоне медный слой переходит в электро­магнитный режим работы, а стальной работает преимущественно в магнитостатическом режиме;

- частоты от 10 кГц до 1 МГц; медный и стальной слои работают в электромагнитном режиме, с возрастанием частоты оптимальная тол­щина медного слоя уменьшается, а стального увеличивается за счет большего влияния поглощения;

- частоты более 1 МГц; применение многослойного экрана нецеле­сообразно, т.к. высокая эффективность экранирования обеспечивается однородным стальным экраном (высокое затухание за счет поглоще­ния).

5.1.7. Перфорированные экраны. Эффективность экранирования замкнутого металлического экрана может быть получена сколь угодно высокой при соответствующем выборе материала и его толщины. Однако полностью сплошными экраны не бывают из-за наличия крышек, швов, отверстий и щелей. Образующиеся дополнительные каналы проникнове­ния ЭМП не должны существенно снижать эффективность экранирования.

Отверстие в экране, находящееся под воздействием внешнего ЭМП помехи, по отношению к экранируемой области можно рассматривать как электрический или магнитный излучатель (рис.7.7).

На основании принципа суперпозиции, поле, проникающее через отверстие в экране, определяется как электрическое поле, создаваемое слоем заряда плот­ностью ρ_s , и магнитное поле, создаваемое током с поверхностной плотностью . Если диаметр отверстия меньше λ/4, то можно считать и и связанные с ними и постоянными в пределах отверстия. В этом случае поле отверстия эквивалентно полю электрического или магнитного диполей.

Расчет электромагнитного поля, в ближней зоне экранированной области проводится с помощью уравнений:

а) Для эквивалентного электрического излучателя

б) Для эквивалентного магнитного излучателя

где P_Э и P_М – моменты электрического и магнитного диполей. Для круглого отверстия радиуса R

Для прямоугольного отверстия длиной a и шириной b

где = 1 для < 1; = 2,23 для = 5; = для >> 5.

Анализ полученных выражений показывает, что электрическое и магнитное поле через узкую длинную щель проникает слабее, чем через круглое или квадратное отверстие такой же площади. Так напри­мер, при замене квадратного отверстия на прямоугольную щель, длина которой в 10 раз больше стороны квадрата, а ширина в 10 раз меньше, напряженность электрического поля в экранируемой области уменьшит­ся в 7 раз.

Для повышения эффективности экранирования перфорированными экранами целесообразно при заданной площади перфорации увеличивать число отверстий при уменьшении их размеров, что приводит к ослаб­лению поля, проникающего в экранированную область в раз.

Следует отметить, что излучение отверстий и щелей размерами, близкими к λ/2, сильно возрастает из-за резонансных явлений, поэтому большие отверстия и щели необходимо снабжать перемычками.

Эффективным средством ослабления ЭМП в СВЧ-диапазоне, проникаю­щего через перфорацию в экране, является увеличение глубины отверс­тий и конструктивное выполнение в виде запредельного волновода (рис.7.8).

Вносимое затухание (в дБ) составит в случае круглого отвер­стия: - для электрического поля; - для магнитного поля; в случае прямоугольного отверстия - для электрического поля; - для магнит­ного поля.

Таким образом, для повышения эффективности экранирования перфо­рированных экранов рекомендуется:

1. Располагать отверстия в зонах со слабыми электромагнитными полями.

2. При заданной площади перфорации, исходя из конструктивных соображений, уменьшать диаметр отверстий, увеличивая их число.

3. Выполнять отверстия щелевыми, располагая их длинные стороны вдоль линий вихревых токов, наведенных в стенках экранов.

4. В диапазоне СВЧ выполнять отверстия в виде запредельных волноводов.