Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие многопроводной длинной линии от короткой?

2. Как выглядит система телеграфных уравнений могопроводной линии?

3. В чем состоит алгоритм пошагового продвижения во времени решения системы телеграфных уравнений?

4. Какие процессы происходят в четырехпроводной длинной линии, приводящие к проникновению помехи в пассивную линию и искажающие игнал в основной линии?

5. На каком принципе основан анализ четырех проводной линии, учитывающий ее симметрию?

6. Какими свойствами обладает электрический экран вблизи двухпроводной линии?

7. Какими свойствами обладает магнитный экран вблизи двухпроводной линии?

8. При каком условии наблюдается взаимная компенсация помех по электрическому и магнитному полям в нагрузке пассивной линии?

Лекция 13

4. Физические методы обеспечения электромагнитной совместимости.

4.1. Экранирование электростатических полей

Э кранирование является одним из радикальных методов обеспечения электромагнитной совместимости и по затратам одним из самых дорогих. Тем не менее, поскольку при проектировании не всегда удается полностью учесть все факторы, определяющие ЭМС, и реализовать меры по защите аппаратуры и ее составных частей от помех, к экранированию приходится прибегать. Основное назначение экрана – снизить уровень поля помехи до допустимого уровня и перед конструктором стоит задача добиться решения этой задачи с минимальными затратами. Для этого необходимо знать физические процессы, происходящие при экранировании. Рассмотрим вначале экранирование статических полей. Если внести в постоянное электрическое поле проводящее тело, то в течение весьма короткого времени произойдет перераспределение зарядов в нем и установиться новое статическое состояние, при котором касательная составляющая внешнего электрического поля окажется равной нулю. Поскольку движение зарядов прекращено, в любой внутренней точке проводника плотность тока равна нулю, а так как проводимость имеет конечную величину, то по закону Ома напряженность внутри электрического поля внутри проводника тоже равна нулю. Применяя закон Гаусса к окрестности малого элемента поверхности проводника можно установить, что на поверхности проводника появляется заряд с поверхностной плотностью

, (18.1)

где Е_е – нормальная составляющая внешнего поля. Всю внутреннюю часть проводника не нарушая достигнутого равновесия можно удалить, оставив весьма тонкую оболочку и сохранив при этом равенство нулю поля внутри полости. Если приходиться защищать внешнее пространство от источника электрического поля необходимо различать два случая. В случае, если суммарный заряд q источника поля не равен нулю, то экранирование оболочкой приводит к появлению на внутренней поверхности оболочки заряда –q, а на внешней поверхности, из-за того что оболочка в целом нейтральна, первоначального заряда q. То есть простое установление замкнутой оболочки вокруг источника не устраняет его поля, а может лишь пространственно перераспределить его за счет формы экрана. Для достижения экранирующего эффекта в этом случае необходимо оболочку заземлить и дать возможность стечь зарядам с внешней поверхности. В случае же, когда суммарный заряд источника равен нулю (например, источник в виде диполя), то экранирующий эффект достигается без заземления.

В реальных условиях применение полностью замкнутой оболочки невозможно, поскольку защищаемые устройства должны сообщаться с внешним миром для обмена информацией и получения энергии. Поэтому часто приходится довольствоваться экраном конечных размеров. Рассмотрим эффект применения такого экрана для экранирования поля точечного источника с результирующим зарядом q (рис. 13.1).

Поместим между источником электрического поля малых размеров с результирующим зарядом q экран конечных размеров. Поле в точке М в отсутствие экрана определяется соотношением

. (13.2)

Будем предполагать, что поле перед экраном со стороны заряда определяется по методу изображений и считать, что размеры экрана велики по сравнению с расстоянием h_q от экрана до заряда и поэтому краевые эффекты пренебрежимо малы:

. (13.3)

Поверхностная плотность заряда в соответствии с (13.1) составляет:

. (13.4)

Видно, что плотность заряда весьма быстро ( 1/³) спадает к краям экрана и можно считать, что весь заряд сосредоточен вблизи проекции заряда на экран. На поверхности экрана со стороны заряда q индуцируется отрицательный заряд с величиной не менее чем и не менее чем . Поскольку экран в целом нейтрален, то такой величины положительный заряд появляется на обратной по отношению к возбуждающему заряду стороне экрана. При этом можно показать, что он распределен с плотностью близкой к равномерной. Так что плотность заряда здесь составляет величину близкую к

,

а, следовательно, поле вблизи экрана приблизительно однородно и составляет величину:

. (13.5)

Эффективность экранирования определяется

. (13.6)

Аналогичный экранирующий эффект достигается и в случае многопроводной линии, если часть ее проводников использовать в качестве разделяющих экранирующих электродов, подсоединенных к заземлению.