22. Экранирование. Принципы экранирования электрического и магнитного поля

При разработке новой радиоаппаратуры с учетом ее помехозащищенности конструктором РЭС должны решатся следующие основные задачи:

1. все источники наводки, находящиеся в разрабатываемой аппаратуре, не должны мешать ее нормальному функционированию;

2. разрабатываемая аппаратура не должна мешать нормальному действию окружающих ее электронных средств, за исключением случаев принципиальной невозможности осуществления этого;

3. в разрабатываемой аппаратуре должны быть приняты меры к тому, чтобы окружающая аппаратура ей не мешала.

Для решения этих задач необходимо встраивать помехо- подавляющие элементы (экраны, фильтры, развязывающие и искрогасящие цепи) во все источники наводки. Это гарантирует отсутствие наводки не только на данный конкретный приемник, но и на все другие, которые могут обнаруживаться в дальнейшем. В ряде случаев полезно вводить помехоподавляющие элементы и в приемники наводки.

Таким образом, подавление наводок в большинстве случаев сводится к устранению или ослаблению ПС между ИН и ПН путем экранирования и развязывания цепей.

Экранированием называется локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения ее распространения всеми возможными способами.

Теория экранирования развита еще недостаточно, поэтому определение необходимости той или иной степени экранирования или достаточности того или иного вида экрана почти не поддается расчету.

Оценка действия экрана производится при помощи понятия эффективности экранирования.

Эффективностью экранирования (Э) называется отношение напряжений, токов, напряженностей электрического и магнитного полей в экранируемом пространстве при отсутствии и наличии экрана:

(7.14)

Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых элементов, определяемая количественно коэффициентом реакции экрана. Экран, защищая цепи, детали, колебательные контура от воздействия внешних полей (или локализуя собственное поле), оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего, например, уменьшается индуктивность катушек, увеличивается емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что приводит к уменьшению частоты настройки, к ухудшению добротности контуров.

Относительные изменения параметров экранируемых элементов можно учесть с помощью коэффициентов реакции:

, (7.15)

где - значение i-го параметра j-го экранируемого элемента

при наличии экрана;

-значение первичного i-го параметра j-го элемента при отсутствии экрана.

Принципы экранирования электрического поля

Для уменьшения емкости изменяют расположения тел А и В (элементов, узлов, блоков и т.д.), отдаляют их на максимально возможное расстояние друг от друга, меняют ориентацию. Если данные меры не приносят нужного эффекта, то между источником и приемником наводок устанавливают экран, служащий для экранирования электрического поля (рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 – Экранирование электрического поля

Экран вводит в цепь связи тел А и В дополнительный делитель, состоящий из емкостей С1 и С3. Исходная емкость разделяется на две последовательно соединенные емкости и , к которым присоединяется остаточная паразитная емкость , которая мала. Пренебрегая найдем:

, (7.16)

где - напряжение на экране.

(7.17)

Тогда

(7.18)

В результате

(7.19)

Необходимо отметить, что данное напряжение после установки экрана может оказаться как выше, так и ниже, чем до его установки.

Рассмотрим случаи:

1) экран установлен так, что его емкость относительно точки А велика, а относительно корпуса мала (т.е. ), при этом . Так как емкость всегда больше , то после установки экрана оказывается выше, чем до установки и экран вреден.

2) экран установлен так, что емкость его относительно корпуса прибора велика. Тогда напряжение при наличии экрана будет меньше, чем без него. Таким образом, с увеличением экранирование становится эффективным.

Увеличение до бесконечности равносильно короткому замыканию между экраном и корпусом. Если пренебречь остаточной паразитной емкостью , то окажется равным нулю. Эффективность экранирования электрического поля:

(7.20)

Рекомендации:

1. для экранирования электрического поля следует применять металлические перегородки и кожухи, соединенные с корпусом (шасси прибора);

2. от качества присоединения экрана к корпусу прибора существенным образом зависит его экранирующее действие. Желательно осуществлять непосредственный контакт экрана с корпусом. Если это по каким-либо причинам невозможно, то соединительные провода и шины должны быть как можно короче. Индуктивное сопротивление таких проводников возрастает с повышением частоты, что эквивалентно уменьшению емкости .

3. узкие щели и отверстия в металлической перегородке не ухудшают экранирование электрического поля, если они малы по сравнению с длинной волны;

4. эффективность экранирования электрического поля не зависит от толщины и материала экрана. Причиной этого является незначительная величина токов, текущих по экрану. Поэтому во многих случаях толщина экрана в 10-15мкм оказывается достаточной.

В качестве материала экрана для экранирования электрического поля могут использоваться:

а) металлические материалы в виде листа (сталь, медь, алюминий, латунь). Материалы должны отвечать следующим основным требованиям:

• обеспечивать заданную величину ослабления электрического поля в рабочем диапазоне частот;

• быть устойчивыми против коррозии и быть механически прочными;

• обеспечивать технологичность конструкции экрана, возможность получения заданной конфигурации, удовлетворение весогабаритных характеристик.

Последнему требованию сплошные металлические экраны удовлетворяют не всегда (особенно при стремлении микро- миниатюризировать РЭС);

б) сеточные материалы. Достоинства металлических сеток: небольшой вес, простота сборки и изготовления экрана, обеспечение хорошего теплового режима изделия. Основной недостаток – невысокая механическая прочность;

в) фольговые материалы – алюминий, латунь, медь, цинк толщиной 0,01…0,05мм. Фольга может наклеиваться на основу экрана (бумага, картон, пластмасса и т.д.). Отличаются простотой изготовления, небольшим весом, экономичностью создания;

г) металлизированные поверхности, получаемые в основном вакуумной металлизацией или методом распыления расплавленного металла. Часто используется для экранирования целых радиоприемников, когда экраном служит само помещение. Слой металла может быть распылен на бумагу, картон, ткань, дерево, пластмассу, сухую штукатурку и т.д.;

е) стекла с токопроводящим покрытием. Применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить видимость различных шкал, надписей или протекание процессов в специальных РЭС. Толщина покрытий лежит в пределах от сотых долей до нескольких микрометров. Наиболее часто в качестве токопроводящего покрытия используются пленки окиси олова;

ж) специальные ткани, которые изготавливаются из основы, скрученной с тонкой медной и др. проволокой толщиной 35…50 мкм;

з) электропроводный клей. Применяется для соединения отдельных элементов экрана, заполнения щелей, отверстий, приклеивания экрана к несущим конструкциям.

5. все металлические части, которые расположены между ИН и ПН (несущие конструкции, механизмы и т.д.), должны быть надежно соединенны (электрически) с корпусом, иначе они могут послужить причиной ПС. Несъемные детали следует приваривать или припаивать. Для крепления деталей из алюминиевых сплавов следует применять самонарезные винты, врезающиеся шайбы и пластины, которые разрушают окисную пленку.

Принципы экранирования магнитного поля

Следует различать экранирование постоянного и медленно изменяющегося магнитного поля и экранирование высокочастотного магнитного поля.

Экранирование от постоянного магнитного поля осуществляется при помощи экранов из ферромагнитных материалов (стали, пермаллоя) с большой относительной магнитной проницаемостью . Экранирование в этом случае основано на эффекте шунтирования магнитного поля (рисунок 7.5)

ПН

Рисунок 7.5 – Экранирование постоянного магнитного поля

Линии магнитной индукции проходят в основном по стенкам экрана, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана.

Эффективность экранирования тем выше, чем больше магнитная проницаемость материала экрана, толще экран и чем меньше в нем стыков и швов, идущих поперек направления линии магнитной индукции.

Для экранирования ВЧ магнитного поля используются экраны ферромагнитных и немагнитных металлов. Внутри цилиндрического экрана наводятся вихревые токи, которые направлены навстречу возбуждающему полю (рисунок 7.6а).

а) б)

Рисунок 7.6 – Экранирование магнитного поля

Результирующее поле оказывается ослабленным внутри цилиндра и усиленным вне его, т.е. происходит вытеснение поля из пространства, занимаемого цилиндром (рисунок 7.6б). Напряженность магнитного поля падает по экспоненциальному закону по мере углубления в металле:

, (7.21)

где - показатель уменьшения поля (эквивалентная глубина проникновения).