Эффективность экранирования

Белорусский государственный университет

Информатики и радиоэлектроники

Утверждаю И.Ю. Малевич

ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Методические указания

по выполнению лабораторной работы №2

На тему: «Исследование эффективности экранов из тонколистовых металлов»

Минск 2015

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ № 2

Исследование эффективности экранов из тонколистовых металлов

1.Цели работы:

1.1 Изучение механизмов прохождения помех излучения через корпуса приборов.

1.2 Приобретение навыков расчета эффективности экранов из тонколистовых металлов и выбора материалов для изготовления экрана.

Пояснения к занятию

Краткие теоретические сведения

Экран представляет собой металли­ческую перегородку, разделяющую две области пространства. Он предназна­чен для регулирования распростране­ния электрических и магнитных полей от одной из этих областей в другую.

Экран можно использовать для пре­дотвращения распространения электро­магнитных полей в пространство, ок­ружающие источник шумов, если пос­ледний заключить в экран. Он может также защищать область пространства от проникновения в нее электромаг­нитного излучения.

Экранировать можно схемы, компо­ненты, кабели и системы, являющиеся источниками или приемниками шумов или и тем и другим вместе.

Рисунок 1.1 источник шума.

Рисунок 1.2 область защищенная экраном.

БЛИЖНИЕ И ДАЛЬНИЕ ПОЛЯ

Характеристики поля определяются источником, средой окружающей его н расстоянием от источника до точки наб­людения. Вблизи источника свойства поля определяются в основном харак­теристиками источника, вдали от ис­точника свойства поля зависят от сре­ды, в которой распространяется поле. Пространство, окружающее источник можно разделить на две области. Рядом с источником расположено ближнее или индуктивное поле, на расстоянии более λ/2п дальнее поле или поле получения. Область на расстоянии λ /2п является переходной между ближним и дальним полем

Отношение напряженности электри­ческого поля Е к напряженности маг­нитного поля Н представляет собой пол­ное волновое сопротивление

Рисунок. 1.3 Ближнее (индуктивное) поле и дальнее поле (поле излучения).

В дальнем поле это отношение равно полному характеристическому напряже­нию среды (для вакуума E/H=Z₀=377 Ом).

В ближнем поле величина этого отклонения зависит от параметров источника и расстояния от него до рассматриваемой точки. Если в источнике генерируется большой ток н низкое напряжение (Е/Н<377 Ом), ближнее поле является в основном магнитным, если в источнике малый ток и большое напряжение (Е/Н>377 Ом), то в ближнем поле преоб­ладает электрическая составляющая.

На частоте до 1 МГц почти все на­водки внутри электронного оборудова­ния определяются условиями ближне­го поля, поскольку ближнее поле на этих частотах простирается на расстоя­ние до 45 м и более. На частоте 30 кГц поле является ближним на расстоянии 1,5 км от источника. Отсюда следует, что проблему помех внутри любого обо­рудования нужно рассматривать как проблему ближнего поля, если только не является очевидным, что они отно­сятся к проблемам дальнего поля.

В ближнем зоне электрическое и маг­нитное поле следует рассматривать раз­дельно, поскольку отношение их напря­женностей не является постоянным. Од­нако в дальнем поле эта составляющая взаимодействует, образуя плоскую волну с полным сопротивлением 377 Ом, т.е. при рассмотрении плоских волн пре­дполагается, что они порождены даль­нем полем. При раздельном рассмотре­нии электрического и магнитного полей считается, что они соответствуют ближ­нему полю.

Рисунок. 1.4 Ближние и дальние поля.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Эффективность экранирования мож­но определить как создаваемое экра­ном уменьшение магнитного и (или) электрического поля. Обычно коэффи­циенты эффективности экранирования ¹⁾выражаются в децибелах, что позво­ляет суммировать коэффициенты экра­нирования для различного рода эффек­тов или экранов, ослабляющих поле для получения общего коэффициента экра­нирования.

= 20lg( / ) (дБ) (1.1)

= 20 lg( / ) (1.2)

где ( ) - напряженность падающей волны, ( ) - напряженность проше­дшей волны непосредственно на выхо­де экрана.

Эффективность экранирования зави­сит от следующих факторов: частоты, конфигурации экрана, положение внутри экрана точки, в которой производит­ся измерение, вида ослабляемого поля, направления его распространения и по­ляризации.

В данной работе рассматривается эк­ранирование, обеспечиваемое плоским листом проводящего материала. На при­мере простой конфигурации изучаются общие концепции экранирования и хара­ктеристики материала экрана, от кото­рых зависит эффективность экранирова­ния. При этом опускаются из рассмотре­ния эффекты, определяемые геометриче­ской формой экрана. Результаты вычис­лений для плоского листа полезны для оценки относительной экранирующей способности различных материалов.

Для электромагнитной волны, падаю­щей на металлическую поверхность, существуют два вида потерь, потери на поглощение и потери на отражение. По­тери на поглощение, одинаковы для ближнего и дальнего, электрического и магнитного полей. В отличии от потерь на поглощение, потери на отражение за- висят от вида поля и полного волнового сопротивления среды. Общая эффектив­ность экранирования материала равна сумме потерь на отражение ., потерь на поглощение . и корректирующего коэффициента учитывающего многократное отражение.

= + ., + (1.3)

Все члены уравнения должны быть вы­ражены в децибелах. При потерях на поглощение свыше 10 дБ и при оп­ределении экранирования электриче­ских полей и плоских волн можно пренебречь.

Рисунок. 1.5 Потери электромагнитной волны при поглощении.

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Для любой электромагнитной волны волновой импеданс (полное волновое сопротивление) есть:

(2.1)

Полное характеристическое сопротивле­ние среды определяется следующим образом :

(2.2)

В случае плоской волны в дальнем поле равно полному волновому сопротив­лению . Для диэлектриков ( « ) выражение для полного характеристи­ческого сопротивления приобретает вид

В вакууме равно 377 Ом. В случае проводников ( « ) полное характе­ристическое сопротивление называется полным сопротивлением экрана и определяется как :

(2.3)

(2.4)

Для меди на частоте 1 кГц =1,16- Ом. В общем случае для любого проводника :

(2.5)

Для вакуума (Г/м)

(Ф/м)

Для меди = 5,82 (мСм/м)

ПОТЕРИ НА ПОГЛОЩЕНИЕ

При прохождении электромагнитно» волны в среде ее амплитуда уменьшает­ся экспоненциально. Это объясняется тем, что токи, индуцируемые в среде, выбывают омические потерн и, следо­вательно, нагрев вещества. Таким обра­зом, можно записать, что:

и (3.1)

где н - напряженность волны на расстоянии tот поверхности среды. Рас­стояние, которое волна должна пройти до того, как будет ослаблена в е раз, или до 37% своего первоначального значе­ния, определяется как глубина скин-слоя:

(дБ) (3.2)

где µ - магнитная проницаемость, - уде­льная электрическая проводимость.

В применении к реальным веществам уравнение можно преобразовать. Подстановка численных значении и замена единиц измерения таким обра­зом, чтобы глубина скин-слоя выража­лась в миллиметрах, дает следующее выражение:

(дБ). (3.3)

В таблице приведены некоторые харак­терные значения глубины скин-слоя для меди, алюминия и стали.

Окончательное выражение для рас­чета потерь на поглощения имеет сле­дующий вид:

(дБ). (3.4)

В этом уравнении tпредставляет собой толщину экрана (в миллиметрах). Значения относительной удельной проводи­мости и относительной магнитной проницаемости различных материалов, ко­торые чаще всего используются для эк­ранов, приведены в таблице.

ПОТЕРИ НА ОТРАЖЕНИЕ

Потери на отражение на границе раз­дела двух сред связаны с различными значениями полных характеристичес­ких сопротивлений этих сред. Напря­женность волны, прошедшей из среды с сопротивлением в среду с сопротив­лением , равна:

; (4.1)

. (4.2)

Здесь и представляют собой напря­женность электрической и магнитной составляющих падающей волны, a и - преломленной волны.

При прохождении волны через экран она встречает на своем пути две границы раздела сред. Вторая граница располагается между средами с сопротивлениями н . Параметры волны и ,прошедшей через эту границу, опреде­ляются выражениями:

Импеданс Импеданс Импеданс

Электрическое

Поле

Магнитное

Поле

; .

Рисунок. 1.6 Потери на отражение.

Если экран имеет толщину, значите­льную по сравнению с глубиной скин-слоя, общую напряженность волны, про­пущенной экраном, можно найти подста­вив и в уравнения для и . При этом в полученных уравнениях не будут учтены потери на поглощение, ко­торые были подсчитаны ранее.

Таким образом, для толстых экранов параметры волны, прошедшей через экран, составят:

; (4.3)

. (4.4)

Следует отметить, что хотя электриче­ское и магнитное поля отражаются от каждой границы по-разному, суммар­ный эффект после прохождение обеих границ одинаков для обоих полей. Если экран изготовлен из металла и окружа­ет область изолятора, то » . При этих условиях наибольшее отражение (наименьшая напряженность пропу­щенной волны) наблюдается для элект­рических полей при входе волны в эк­ран ( на первой границе), а для магнит­ных полей - при ее выходе из экрана (на второй границе). Поскольку отраже­ние электрических полей происходит главным образом от первой поверхнос­ти, то даже очень тонкие материалы обеспечивают большие потерн на отра­жение. Однако отражение магнитных полей происходит в основном от второй поверхности, и, как будет показано ни­же, многократное отражение внутри эк­рана уменьшает эффективность экра­нирования. При » уравнения упрощаются:

(4.5)

. (4.6)

Если в эти уравнения подставить вместо , и , то потери на отражение для электрического или маг­нитного поля можно записать в следую­щем виде:

(дБ). (4.7)

где - волновое сопротивление до про­хождения волны в экран и – сопротивление экрана.

Приведенные соотношения справед­ливы для потерь на отражение плос­кой волны, падающей на поверхность под прямым углом. Если направление падения не совпадает с нормалью к по­верхности, отражение увеличивается с увеличением угла падения.

Полученные результаты применимы не только к плоской волне, так как лю­бое поле можно получить суперпози­цией плоских волн. Приведенные урав­нения справедливы также для искрив­ленной поверхности, если радиус кри­визны намного больше глубины скин-слоя.

В случае плоской волны (в дальнем поле) волновое сопротивление рав­но характеристическому сопротивле­нию вакуума (377 Ом). Уравнениедля при этом приобретает следу­ющий вид:

(дБ). (4.8)

Подставив и произведя преобра­зования, получим :

(4.9)

Чем меньше полное сопротивление эк­рана, тем больше потери на отражение. Сопротивление экрана будет минималь­ным при изготовлении его из материала с высокой проводимостью н малой маг­нитной проницаемостью.

Сравнивая медь со сталью можно отметить, что хотя сталь дает большие потери на поглощение, чем медь, однако потерн на отражение у нее меньше.