Методичка Томск

130

а1 а2

Dср

d

Рисунок 5.11. Ослабление индуктивной связи плоским экраном

Формула (5.75) обеспечивает приемлемые условия экранирования при условии, что ширина экрана превышает Dср или (а1 + а2).

В ближней зоне следует учитывать, что характеристическое сопротивление среды зависит от формы МСЭ. Для конструкций экранов плоской, цилиндрической и сферической форм используют следующие фор-

где r - радиус или половина ширины экрана.

Аналогично и для ЭСЭ характеристические сопротивления рассчитываются по формулам:

Для расчета ЭЭ низкочастотных магнитных полей конструкциями экранов, выполненных из немагнитных (НМ) и магнитных (ММ) металлов следует применять следующие соотношения:

Плоский экран

где d - толщина материала; Rэ - эквивалентный радиус экрана.

131

5.6.6. Многослойное экранирование

Многослойные комбинированные экраны, состоящие из последовательно чередующихся немагнитных (медь, алюминий, латунь) и магнитных (сталь, пермаллой) слоев, применяются для получения высокой ЭЭ в широком частотном диапазоне, включая область низких частот, особенно при экранировании магнитных полей большой напряженности.

Вэтих случаях хорошие результаты дает использование многослойных экранов (2-х, 3-х и более). Чтобы исключить насыщение, слой составного двухслойного экрана, обращенный к источнику магнитного поля, выполняется из материала с низкой магнитной проницаемостью (он имеет высокий уровень насыщения) или немагнитного металла, а второй слой - из материала с высокой магнитной проницаемостью, имеющий низкий уровень насыщения.

Воснове работы многослойного экрана лежит принцип многократного отражения от слоев крана, имеющих различные значения характеристических сопротивлений. В результате экран, состоящий из нескольких тонких слоев различных металлов, обладает большей эффективностью экранирования (особенно в низкочастотной области), чем однородный экран той же толщины. Коэффициент экранирования (подавления) двухслойного экрана определяется выражением /22/

где К1под, К2под - коэффициенты подавления при прохождении электромагнитного поля через стенки 1 и 2 экрана соответственно;

К1отр, К2отр - коэффициенты отражения электромагнитной волны от границы разделов 1 и 2 экранов соответственно.

Для трехслойного экрана выражение для определения коэффициента экранирования имеет вид

Кэ123 = К1под К2под К3под /[(1- К1отр К2отр)( 1- К2отр К3отр) - К1отр К3отр К2 2под].

(5.85)

На основании анализа расчетов и практических результатов можно сформулировать следующие рекомендации по конструированию многослойных экранов:

•слои многослойного экрана, обращенные к источнику магнитного поля следует выполнять из немагнитных материалов. Наилучшие результаты дает экран с сочетанием слоев из немагнитных и магнитных материа-

лов (медь-сталь, медь-сталь-медь и т.д.);

•применение диэлектрических прокладок (пластмасса, картон, бумага) или воздушных зазоров между металлическими слоями экрана может приводить к повышению ЭЭ, если их толщина значительно превышает толщину металлических слоев;

132

• при выборе оптимального соотношения толщин слоев в экране медь-сталь необходимо рассматривать следующие характерные области

(рисунок 5.12):

а) частоты от 0 до 0,5 кГц - наибольшая эффективность экранирования обеспечивается однородным стальным экраном, т.к. стальной слой работает в магнитостатическом режиме;

б) частоты от 0,5 до 10 кГц - наибольшая эффективность экранирования обеспечивается при равной толщине медного и стального слоев.

В этом случае медный слой переходит в электромагнитный режим работы, а стальной продолжает работать в магнитостатическом режиме;

в) частоты от 10 до 1000 кГц - медный и стальной слои работают в электромагнитном режиме, поскольку с возрастанием частоты оптимальная толщина медного слоя уменьшается, а стального увеличивается за счет большого влияния поглощения;

г) частоты свыше 1000 кГц - составной экран нецелесообразен, т.к. ЭЭ обеспечивается однородным стальным экраном.

d м

d м + dc

Рисунок 5.12. Оптимальные соотношения толщин слоев двухслойного экрана медь-сталь

5.6.7. Расчет и конструирование электромагнитных экранов

Экранирование с использованием вихревых токов обеспечивает одновременное ослабление как магнитных, так и электрических полей. Поэтому этот способ экранирования называется электромагнитным.

Эффективность экранирования ЭМЭ в ближней зоне (зоне индукции) будет разная для магнитной и электрической составляющих электромаг-

133

нитного поля (см. раздел 5.1). В связи с этим для ближней зоны необходимо рассчитывать эффективность экранирования для каждой компоненты в отдельности. В дальней зоне расчет проводится для любой из компонент, т.к. их свойства в дальней зоне одинаковы.

Физическая сущность ЭМЭ представляет с точки зрения:

•волновой теории поля многократное отражение электромагнитной волны от поверхности экрана и затухание энергии волны в толще экрана;

•теории электромагнитного поля и теории электрических цепей объясняется возникновением на стороне, обращенной к источнику поля,

зарядов, а в его стенках − токов, поле которых противоположно по направлению к полю источника и интенсивности близкой к первичному полю. В результате сложения первичного поля и вторичного поля (поля наведенных токов) происходит компенсация полей.

Таким образом, эффективность экранирования электрически герметичного экрана определяется выражением

где Эотр - ослабление энергии волны за счет отражения на границе сред; Эпогл - ослабление за счет затухания энергии волны в толще экрана; Эвн.отр - ослабление энергии волны из-за внутреннего переотражения

от внутренних стенок экрана.

На практике учитывают только первые две составляющие, т.к. Эвн.отр

Рассмотрим бесконечно плоский экран, на который падает электромагнитная волна.

Известно, что в металле электромагнитная волна затухает по экспоненциальному закону. При прохождении волны через стенку экрана тол-

где ρ - удельное сопротивление материала экрана, Ом·м; λ - длина волны в воздухе, м;

f – частота, мГц;

µr - относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Эффективность экранирования только за счет поглощения определяется соотношениями

135

где a и b - длина и ширина щели соответственно; S = ab - площадь отверстия;

Ф(b/a) = 1 для b/a < 1; Ф(b/a) = 2,23 для b/a = 5; Ф(b/a) = b/[2aln(0,628b/a)] для b/a >> 5.

Всоответствии с (5.95) и (5.96) электрическая и магнитная поляризуемости круглого и квадратного отверстий одинаковой площади равны, а сами поля через узкую длинную щель проникают слабее, чем через круглое или квадратное отверстие той же площади. При этом вихревые токи, определяющие ЭЭ магнитного поля, должны быть параллельны длинной стороне щели (а >> b). При произвольном ориентировании щели относительно вектора напряженности магнитного поля проникающее результирующее поле в экранируемой области будет пропорционально углу ориентации длинной стороны щели относительно вектора напряженности.

Вслучае, если экран содержит N отверстий, система отверстий может быть заменена эквивалентным отверстием, поляризуемость которого

PΣ в N раз больше поляризуемости Р одного отверстия, т.е. РΣ = NP. Так как, согласно (5.95) и (5.96), поляризуемость Р одного отверстия пропор-

циональна площади в степени три вторых, а поляризуемость РΣ пропор-

циональна числу отверстий, то при одной и той же площади перфорации

ЭЭбудет выше у экрана с большим числом отверстий. В результате срав-

нительная ЭЭ определяется как

(S1 /S2)1/2 = (N /N)1/2.

Эффективным средством ослабления СВЧ энергии, проникающей через отверстия в экране, является увеличение их глубины и конструктивное выполнение в виде запредельного волновода (рисунок 5.13).

2R

h

Рисунок 5.13. Повышение ЭЭ за счет вытяжки отверстия

ЭЭ подобных волноводов зависит от их геометрических размеров и формы и определяется:

y для круглого отверстия:

Эм = 27,2h/b - для магнитного поля.

Таким образом, для повышения ЭЭ перфорированных экранов рекомендуется:

•располагать отверстия в зонах со слабыми электромагнитными

полями;

•при заданной площади перфорации, исходя из конструктивных соображений, уменьшать диаметр отверстий, увеличевая их количество;

•выполнять отверстия в виде прямоугольных щелей, располагая их длинные стороны вдоль линии токов, наведенных в стенках экрана (перпендикулярно силовым линиям магнитного поля);

•в диапазоне СВЧ конструктивно выполнять отверстия в виде запредельных волноводов.

5.6.9. Сетчатые экраны

Действие сетчатого экрана по отношению к помехонесущему магнитному полю, как и в сплошном экране, основано на возбуждении вихревых токов в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции. В результате проволоки, расположенные в направлении помехонесущего поля, практически не оказывают влияния на ЭЭ сетчатого экрана. Магнитное поле возбуждаемых вихревых токов вблизи перпендикулярно ориентированных проволок существенно отличается от однородного магнитного поля, создаваемого током, равномерно распределенным по сечению сплошного экрана. Однако на расстоянии, превышающем шаг сетки, это различие уменьшается и при дальнейшем его увеличении перестает сказываться. Исследования эффективности экранирования сетчатых экранов выявили следующие закономерности /17, 22/:

•при S = const (шаг сетки) и одном и том же материале сетки из толстой проволоки эффективнее сеток из тонкой проволоки как в области низких частот, так и высоких частот;

•при S/r = const редкие сетки из одного и того же металла на низких частотах более эффективны, чем густые. Это вызвано тем, что на низких частотах основное влияние оказывает активное сопротивление проволоки,

ана высоких частотах - индуктивность, которая мало зависит от r;

•при одинаковых S и r в области низких частот медные сетки эффективнее стальных за счет более высокой удельной проводимости меди, однако с повышением частоты это различие уменьшается;

137

• при произвольной ориентации помехонесущего поля токи достаточно хорошо переходят с одной проволоки на другую в местах перекрещивания даже в старых сетках, покрытых коррозией. В результате для нормальной работы экрана следует обеспечивать надежный электрический контакт по швам в местах соединений отдельных частей сетки.

В общем случае предельная величина ЭЭ сетчатого экрана будет равна

где а - шаг сетки; r - радиус проволоки сетки; d = 2 r - толщина экрана.

5.6.10. Контактные соединения и эффективность экранирования

Реальные экраны, состоящие из большого числа соединенных между собой элементов, нельзя рассматривать как однородные. Неоднородность конструкции обусловлена тем, что в местах стыков листов, стенок и соединительных элементов надежный контакт осуществляется не по всей поверхности соприкосновения, а лишь в отдельных точках или областях. При протекании токов через такие соединения происходит местное увеличение плотности и неравномерное их распределение, что приводит к возрастанию сопротивления экрана и его эффективности в целом.

Контактные соединения в экранах по конструкции и выполняемым функциям несколько отличаются от обычных электрических контактов. Электрические контакты обеспечивают надежное прохождение электрического тока без потерь. С этой точки зрения функции электрических контактных соединений и контактных соединений в экранах одинаковы, т.к.

при толщине d экрана меньшей глубины проникновения поля в элементы его конструкции эффективность прямо пропорциональна проводимости материала экрана. Внесение больших переходных контактных сопротивлений эквивалентно ухудшению добротности резонатора, внесению несогласованных нагрузок в линию передачи или длинную линию, а также приводит к неравномерному распределению вихревых токов. Поскольку размеры контактных соединений в экране велики и часто перерезают значительную часть его поверхности, то вышеуказанные явления требуют использования специфических решений при конструировании экранов.

Контактные соединения подразделяются на /21/:

1.Неразъемные (сварные или паяные).

2.Разъемные (прижимного типа).

3.Скользящие.

4.Открывающихся частей экрана.

Надежная работа контактных соединений достигается правильностью конструктивного исполнения, тщательностью изготовления, правильным выбором покрытия материалов и контактным нажатием. Кон-

139

ρ - удельное сопротивление материала экрана, Ом·м; λ - длина волны, м;

ZE(Н) - волновое сопротивление электрического (магнитного) поля, Ом; Rэ - эквивалентный радиус экрана, м;

d - толщина экрана, м;

m - наибольший размер отверстия (щели), м.

Эта формула является наиболее общей, полностью характеризует процесс электромагнитного экранирования реальных замкнутых экранов и применима в широком диапазоне частот (пока λ> mπ).

Первый сомножитель характеризует отражение электромагнитной волны от поверхности экрана из-за различия поверхностного сопротивления экрана и волнового сопротивления поля. Этот фактор является преобладающим в эффективности ЭМЭ.

Последний множитель в выражении определяет эффективность экрана, обусловленную его герметичностью. При λ ~ mπ этот множитель резко уменьшается и ЭЭ становится незначительной.

5.7.2.Расчет ЭЭ электрически тонких экранов

Для электрически тонких экранов (d/δ < 0,8), в том числе и с металлизированной поверхностью, ЭЭ расчет проводится по формуле:

За толщину экрана с металлизированными поверхностями принимают толщину нанесенного слоя металла d = Pрм/p, где Pрм - расход металла, кг/м2; p - плотность исходного материала, кг/м3.

5.7.3. Расчет ЭЭ перфорированных экранов

Для расчета перфорированных экранов, когда размер а и диаметр отверстия D являются параметрами перфорации, выражение (5.103) принимает вид

где а - расстояние между центрами отверстий перфорации.

Эта формула применима при а > D и существовании щелей в экране с m<λ/π, несвязанных с размером отверстия перфорации. Если параметры

перфорации таковы, что D больше случайной щели, то в е2πdm и (1 - πm/λ)6 вместо m подставляется D. При а >> D формулы (5.103) и (5.105) совпадают.