Лабораторная работа №2. Исследование эффективности низкочастотных экранов

Цель работы. Изучение методики исследования низкочастотных экранов различного назначения и конструктивного исполнения, исследование эффективности экранирования экранов простейшей формы в виде пластин из различных материалов.

Сведения из теории

Для предотвращения утечки информации за счет излучения в низкочастотной области применяются следующие основные методы: рациональная компоновка (пространственное размещение и ориентация), экранирование, фильтрация, заземление и компенсация. Экранирование применяется как для отдельных элементов или функциональных узлов, так и для устройства в целом, причем необходимость экранирования должна быть обоснована и рассматриваться только после того, как полностью исчерпаны другие методы. В зависимости от назначения различают экраны с внутренним и внешним возбуждением. В первом случае в экранируемую область помещается источник помех, во втором, - чувствительные к полю помехи устройства.

В качестве экранов могут использоваться металлические корпуса электронных приборов, металлические диэлектрические пластины, металлические сетки и т.д. Например, в многопроводных линиях связи в роли экрана могут выступать дополнительные проводники, проложенные между сигнальными проводниками.

В зависимости от конструктивной формы экранов можно привести следующую классификацию электромагнитных экранов:

0. прямоугольный экран,

1. цилиндрический экран,

2. сферический экран.

По материалу и конструкции стенок экрана различают экраны, изготовленные из:

0. магнитных материалов _r,

1. немагнитных материалов _r=,

2. фольгированных материалов d=0,01...0,05мм,

3. многослойных материалов,

4. сеточных материалов,

5. радиопоглощающих материалов.

Определяющим фактором при конструировании экранов является вид поля излучения. Область пространства вокруг источника делится на ближнюю (r</2) и дальнюю (r>/2) зоны, где r - расстояние от источника до экрана, -длина волны. В ближней зоне преобладает электрическое или магнитное поле, и в этом случае говорят об электростатическом или магнитном экранировании. Например, высоковольтные элементы и приборы могут быть представлены электрическим диполем, а катушки индуктивности, трансформаторы, печатные проводники - рамкой с током. В дальней зоне излучения мощности электрического и магнитного полей равны. В зависимости от типа поля помехи различают:

0. электростатическое экранирование,

1. магнитостатическое экранирование,

2. электромагнитное экранирование.

С точки зрения физических процессов целесообразно отдельно рассматривать поведение экранов в низкочастотной и высокочастотной областях. В данной лабораторной работе рассматриваются низкочастотные экраны.

При конструировании экранов номинальное значение эффективности экранирования рассчитывается исходя из требуемого подавления электромагнитных помех и определяется конкретными условиями проектирования аппаратуры. По найденному значению эффективности экранирования, а также с учетом допустимых пределов изменения параметров экранируемых элементов определяется материал, геометрические размеры экрана и условия размещения элементов внутри него.

Расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью возможен только в некоторых идеализированных случаях. К ним относятся:

- бесконечный плоский экран

- оболочка сферической формы;

- оболочка цилиндрической формы бесконечной длины,

Все эти случаи не отражают реальных условий работы экрана, поскольку не учитывают неравномерности распределения поля внутри экрана, неоднородности материала и конструкции самого экрана, и главным образом, возможности проникновения поля через щели и отверстия, имеющиеся в реальном экране. Кроме указанных факторов эффективность реального экрана зависит от вида материала и конструкции, его толщины, характера и количества отверстий и щелей в экране, электрического контакта между его отдельными разъемными частями. В приложении 2 и 3 приведены выражения по определению эффективности экранирования для различных типов полей и конструкций экранов, значения эффективностей экранирования однослойных экранов изготовленных из различных материалов.

В инженерной практике широко используется экспериментальное определение эффективности экранирования. В связи с тем, что эффективность экранирования экранов из различных материалов зависит от частоты, ее определяют в диапазоне частот, спектр которых определяется возможными источниками помех.

Под эффективностью экранирования понимают отношение действующих значений модуля напряженности Е₁, электрического поля (магнитного поля Н₁) в данной точке при отсутствии экрана к напряженности электрического поля Е₂ (магнитного поля Н₂) в той же точке при наличии экрана:

. (1)

В формуле (1) эффективность экранирования выражается в относительных единицах (разах). На практике эффективность экранирования представляют в логарифмических единицах – децибелах.

. (1’)

В большинстве случаев эффективность экранирования должна равняться 30-60 дБ. На частотах 100 кГц однослойные экраны обеспечивают эффективность экранирования 40-70 дБ, а двухслойные до 120 дБ. Отверстия и зазоры ограничивают ослабление электрических и высокочастотных полей, в то время как ослабление низкочастотных магнитных полей определяется материалом экрана и его толщиной.