Экранирование электромагнитных волн

Экраны кабелей могут быть интерпретированы как приемные или передающие антенны для электромагнитных волн. Электромагнитная волна, воздействующая на оболочку кабеля, приводит к излучению электромагнитных волн во внеш­нее пространство. Экранирующее действие оболочки характери­зует коэффициент затухания.

где P_I =U²_I/Z — подводимая к испытуемому кабелю мощность; Р₂ = I²Z' —измеряемая мощность вне кабеля; Z' — эквивалентное полное сопротивление связи.

Измерение наружной мощности осуществляется при помощи двух абсорбирующих клещей — на ближнем к передатчику и дальнем концах кабеля — или при помощи подвижного трансформатора тока (рис.7.3). Аналогичные проблемы обсуждаются в [Л.]).

Рис. 7.3 – Измерение коэффициента затухания экранов
кабелей поглотительны­ми

Излучение кабелей и штепсельных разъемов возможно зарегистрировать также непосредственно приемными антеннами и тем самым оценить их экранирующее действие [Л.].

7.2 Экранирующие корпусы приборов и стенки помещений

Коэффициент экранирования замкнутой оболочки, т. е. бесшовного однородного экрана, определяемый конфигурацией, размерами стенок и материалом экрана, чаше всего очень велик (исключение составляют напыленные экраны, см. гл. 5). Он может быть оценен по формулам, приведенным в гл. 6, либо измерен устройствами, перечисленные в §8.3. Технические экраны из-за неизбежных швов и отверстий, обусловленных технологией изготовления или функционированием обычно обладают заметно меньшим коэффициентом затухания, который должен определяться путем измерений.

Коэффициент затухания экранированных помещений измеряется как разность коэффициентов без экрана и с экраном (рис. 7.4)

При измерениях в зависимости от частотного диапазона и направления поляризации применяются различные антенны (рис. 7.5).

Рис. 7.4 – Измерение коэффициентов затухания экранирующих корпусов. а — измерение без экрана (показание аб) б — измерение с экраном (показание ас )

Для измерения коэффициента затухания корпусов приборов и шкафов с электронным оборудованием необходимо установить в них возможно меньшие по размеру антенны. Так как калибровка антенны не требуется, можно применить антенны любой конст­рукции, рис. 7.5.

Рис. 7.5 – Антенны для измерения коэффициента затухания экранированных помещений в различ­ных частотных диапазонах

Рис. 7.6 – Измерение коэффициента затухания корпусов приборов:

а — магнитное поле частотой 30 Гц — 3 МГц (измеритель внутри прибора);

б — электромагнитное поле частотой 30 МГц — 1 ГГц (измеритель снаружи прибора)

В зависимости от расположения антенны — перед однородными стенками, щелями и отверстиями или в центре корпуса определяются различные значения коэффициента затухания. Следует принимать его наименьшее значение. Тем самым определяются неблагоприятные условия работы устройств внутри корпуса. Измеряя поисковыми антеннами коэффициент затухания в различных местах, легко установить элементы экрана, через которые проникает поле внутрь [Л.].

В больших экранированных помещениях измерения коэффициента затухания проводятся в центре помещения (рис. 7.7).

Рис. 7.7 – Измерение коэффициента затухания по методу
средней точки пространства

В выше приведенных примерах определяется коэффициент затухания не столько экрана, сколько всего устройства с учетом влияний швов, окон в виде сот. Кроме того, результат измерения существенно зависит от диаграмм направленности антенн, и поэтому при других источниках помех коэффициент затухания в данном месте может принимать совсем иные значения.

Ввиду неоднозначности измерений коэффициента затухания указанным способом все более привлекательней становится его оценка при помощи измерений путем пропускания тока по стенке экрана [Л.]. Хотя связь между сопротивлением связи корпуса и коэффициентом затухания тоже неоднозначна, такое измерение значительно проще.

Измерения коэффициента затухания могут удовлетворительно проводиться только в тесной взаимосвязи с существующими нормами, а также при ясном понимании недостатков, присущих соответствующим методам. Более обширные сведения по этим вопросам содержатся в [Л.].

7.3 Коэффициент затухания материалов экрана

Коэффициент затухания материала экрана, т.е. чистое свойство материала, независимо от геометрических размеров подлежащего изготовлению экрана, определяется согласно рис. 7.8. Разница коэффициентов затухания без экрана и с ним является коэффициентом затухания материала

Как и в других случаях, результат измерения зависит не толь­ко от испытуемого объекта, но и от измерительной установки. Так, при различных конструкциях антенн, их диаграммах направленности и расстояниях до образца, а также различных размерах образцов, получают различные результаты измерений для одного и того же материала. Поэтому были разра­ботаны модифицированные методики, которые, хотя тоже не приводят к единым результатам, однако в их совокупности до­пускают более точную оценку свойств материалов экранов [Л.].

Коаксиальная измерительная ТЕМ - ячейка со сплошным внут­ренним проводником. У коаксиальной измерительной ТЕМ - ячейки с внутренним проводником образец материала располагается в середине коаксиальной линии с постоянным волновым сопротивлением (рис. 7.9). Образец имеет форму шайбы, внутренний проводник ячейки проходит внутри шайбы. Тем самым измерительная установка обеспечивает условия дальней зоны. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей ориентированы параллельно поверхности образца. Часть приходящей от измерительного генератора волны отражается, часть проходит через образец, а остальная рассеивается в образце, т.е. превращается в джоулево тепло. Коэффициент затухания электромагнитных волн определяется

для тонкостенных образцов

Рис. 7.9 – Коаксиальная измерительная ячейка для ТЕМ-волн с проходящим внут­ренним проводником (ASTM — Американское общество испытаний и материа­лов, США [Л.].

для толстостенных образцов

где d — толщина шайбы.

Измеренный коэффициент затухания зависит от качества кон­такта образца с внутренним и наружным проводниками ячейки. Для того, чтобы устранить влияние контакта, была разработана разъемная коаксиальная измерительная ячейка.

Разъемная коаксиальная измерительная ячейка. Для улучше­ния контакта с образцом в этой ячейке образец материала в фор­ме диска расположен между торцами двух сжимаемых половин коаксиальной линии (рис. 7.10). Места соединений между поло­винами внутреннего и наружного проводника шунтированы ем­костями. Для того чтобы учесть это емкостное влияние, прово­дится опыт холостого хода, при котором вместо образца устанав­ливается шайба в стенке наружного провода и круглая прокладка в стыке внутреннего провода заданной толщины, изготовленные из исследуемого материала.

Рис. 7.10 - Коаксиальная измерительная ТЕМ - ячейка, (NBS — Национальное бюро стандартов, США [Л.])

В сравнении с измерительной ячейкой, показанной на рис. 7.9, разъемное устройство позволяет получить более воспроизводи­мые и лучше согласующиеся с теорией результаты измерений. Верхняя граничная частота обеих ячеек определяется образова­нием высших мод и достигает приблизительно 1,6 ГГц.

Двойная измерительная ячейка. Двойная ТЕМ - ячейка служит для определения коэффициента затухания квазистатических элек­трических и магнитных полей и состоит из двух обычных ТЕМ-ячеек прямоугольного поперечного сечения, которые подобно направленному ответвителю связаны друг с другом электромаг­нитным полем через отверстие (рис. 7.11). Испытуемый образец закрепляется под отверстием, причем качество контакта играет существенную роль. В противоположность обеим вышеописан­ным ТЕМ-ячейкам в двойной ТЕМ - ячейке векторы напряженно­сти электрического поля направлены нормально, а напряжен­ность магнитного поля — тангенциально поверхности образца. Благодаря наличию двух выходов в нижней ячейке можно раз­дельно определить коэффициенты затухания квазистатических магнитного и электрического полей [Л.]. Сумма выходных сигналов а1 и а2 соответственно при отсутствии образца и с об­разцом дает коэффициент затухания электрического поля

, (7.9)

их разность – коэффициент затухания магнитного поля

. (7.10)

Рис. 7.11 – Двойная измерительная ячейка для ТЕМ-волн с апертурной связью (NBS [Л.])

Рис. 7.12 – Измерительная ячейка "дуаль - чембер" (нормы [9.22]):

а — коэффициент затухания электрического поля;

б — коэффициент затухания магнитного поля

В измерительной ячейке с экранирующим корпусом по нормам ASTM (American Society for Testing and Materials — Американское общество испытаний и материалов) [Л.] образец может быть расположен непосредственно между двумя электрическими или магнитными диполями (рис. 7.12). Векторы электрической и магнитной напряженности полей ориентированы в этом устройстве нормально к поверхности образца (имитация ближней зоны).

Из-за собственных резонансов и неоднородного распределения поля результаты измерений коэффициента затухания слабо согласуется с результатами, полученными другими методами или расчетами.

Коэффициент затухания может быть определен путем измерения сопротивлений связи [Л.], а также расчетом во временной области [Л.].

7.4 Коэффициент затухания уплотнений

Действие электромагнитных экранов основано на образовании токов в экранах. Швы и щели в корпусе экрана, крышке и дверцах затрудняют прохождение тока и должны, поэтому перекрываться проводящими уплотнениями. Качество уплотнения проверяется устройством, показанном на рис. 7.13.

Рис. 7.13 – Устройство, проверяющее качество уплотнений

Эта установка аналогична устройству для измерения сопротивления связи

. (7.11)

Чем меньше падение напряжения на уплотнении при задан­ном токе, тем лучше экранирующее действие уплотнения. Для обобщения результата измерения учитывают сопротивление свя­зи единицы длины уплотнения. Сжатие уплотнения следует вы­бирать по рекомендациям изготовителя. Конструкции уплотне­ний, укладываемых в канавки, должны предусматривать канавки, как в подвижной части, так и в опорной пластине.

Для ослабления влияния емкостной связи в месте уплотнения при высоких частотах опорная пластина в местах контакта вы­полняется перфорированной. Так как экранирующее действие в основном зависит от удельной проводимости уплотняющего эле­мента, то оценка качества уплотнения проводится при помощи источника постоянного тока и омметра.

7.5 Коэффициент затухания, обусловленный поглощающими стенами

Электромагнитные волны испытывают у препятствий частич­ное или полное отражение. При интерференции падающих и отраженных волн возникают стоячие волны с неподвижными в пространстве узлами и пучностями.

Рис. 7.14 – Образец стоячей волны перед проводящей стенкой

На рис. 7.14 показана стоячая волна перед проводящей экранирующей стенкой. Если , то это означает, что мгновенное значение напряженности падающей волны на проводящей поверхности в каждый момент времени компенсируется таким же мгновенным значением противоположной полярности (отраженная волна). Следовательно, наложение падающих и отраженных волн всегда приводит к образованию узла у проводящей стенки и узлов перед стеной на расстояниях R/2 друг от друга. Отличные от нуля мгновенные значения амплитуд стоячей волны ограничиваются огибающей, показанной штриховыми линиями на рис. 7.14. Максимальное значение огибающей соответствует двойной амплитуде падающей волны.

Рис. 7.15 – Образец стоячей волны перед плохо проводящей стенкой

Если стенка изготовлена из плохо проводящего материала,

напряженность Е в стенке отличается от нуля, и в этом случае отражается только часть волны. Наложение падающей волны и волны, отраженной с меньшей амплитудой, приводит к огибаю­щей, показанной на рис. 7.15. Падающая и отраженные волны имеют различные амплитуды, их наложения приводят к образо­ванию бегущей волны. Следует иметь в виду, что огибающая не является синусоидальной функцией. Отношение максимального и минимального значений огибающей называют коэффициентом стоячей волны:

(7.12)

Коэффициент стоячей волны принимает значение 1, если пре­пятствия отсутствуют, т.е. не возникает отраженная волна; он становится бесконечно большим при полном отражении у иде­ально проводящей стены ( ).

При известном коэффициенте стоячей волны может быть лег­ко рассчитан коэффициент отражения

. (7.13)

Значение коэффициента отражения колеблется между 0 и 1 и может быть как положительным, так и отрицательным. При из­вестном коэффициенте отражения коэффициент стоячей волны определяется как

. (7.14)

Если относительная магнитная и диэлектрическая проницае­мости материала стенки отличается от единицы, то коэффициент отражения является комплексным числом

(7.15)

и в (7.14) следует подставить модуль коэффициента отражения

. (7.16)

На рис. 7.16 показана измерительная установка. Все элементы

Рис. 7.16 – Измерительная установка для определения коэффициента стоячей волны и коэффициента отражения, вызываемого поглощающими стенами

установки механически закреплены на тележке из диэлектричес­кого материала (сухого дерева). Путем горизонтального переме­щения на расстояния, которые малы по сравнению с расстояни­ем между антенной и поглощающей стенкой, могут быть измере­ны направленным ответвителем и измерительным приемником максимальные и минимальные значения напряженности с ин­тервалом А/2. Коэффициент отражения определяется из макси­мальных и минимальных значений напряженности в соответствии с (7.13), а коэффициент затухания:

. (7.17)

Коэффициент стоячей волны рассчитывается из (7.12).

Результаты измерений зависят не только от геометрических размеров и коэффициента затухания материала поглотителя, но и от диаграммы направленности примененной антенны и угла падения электромагнитной волны [Л.].

Они зависят и от многократных отражений от стенок потолка и пола безэховой камеры электромагнитных волн, сложность которых понятна из схематического их представления на рис. 7.14 и 7.15. Например, на рис. 7.17 показано распределение напряженностей электрического поля при частоте 50 МГц в бе­зэховой измерительной камере.

7.6 Коэффициент затухания фильтра

Коэффициент затухания, вносимый фильтром, измеряется обычно в системах, согласованных со стороны входа и выхода, причём различают коэффициенты затухания сим­метричных, асимметричных и несимметричных напряжений по­мех (рис. 7.18).

Рис. 7.17 – Распределение электрического поля в безэховой
камере при частоте 50 МГц

Рис. 7.18 – Измерение коэффициента затухания фильтра в согласованной систе­ме:

а) - для симметричных помех;

б) - асимметричных помех; в) - несимметричных помех

Получаемое таким образам значение коэффициента затухания фильтра в своей информативности ограничено согласованными системами с определенным сопротивлением (например, 50 Ом, 600 Ом) малым уровнем сигналов, т.е. токами, при которых катушки индуктивности с ферромагнитными элементами ведут себя линейно. Эти условия, как правило, у фильтров, предназначенных для высокочастотных цепей или систем связи и т. д., выполняются. При других сопротивлениях источника и нагрузки получаются совершенно другие значения коэффициентов затухания. Если сопротивление источника и нагрузки существенно меньше 50 Ом, как, например, у сетевых фильтров, то через последовательно включенные катушки индуктивности фильтра течет ток, который может привести к насыщению железные сердечники. В этом случае фильтры с одинаковым паспортным значением коэффициента затухания могут иметь фактические различающиеся коэффициенты.

Кроме того, могут возникать резонансные явления, если источник питания или нагрузка обладает полным сопротивлением с большой реактивной составляющей. Следовательно, более точные характеристики фильтра могут быть получены лишь из конкретной схемы с учетом реальных условий эксплуатации, учитывающих не только частотные линейные свойства, но и значения сигналов. Полезными в этом отношении могут оказаться измерения с подмагничиванием постоянным или переменным током, а также с усилителями мощности [Л.].