Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ОДНОРОДНЫХ ЭКРАНОВ

Методические указания

к практическому занятию по дисциплине «Основы электромагнитной совместимости»

для студентов специальностей 210302 и 210404

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2008

Цель практического занятия: освоение методики инженерного расчета параметров и характеристик однородных экранов.

1. Основные теоретические положения

1.1. Назначение, параметры и характеристики

электромагнитных экранов

Экранирование является одним из эффективных способов ослабления электромагнитного (ЭМ) поля помех в пределах определенного пространства и предназначено для повышения помехозащищенности и обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС) [1-8]. Реализующие указанные требования конструкции в виде металлической и, как правило, заземленной оболочки или пластины с высокой электрической или магнитной проводимостями, используемые для ослабления поля в некоторой области пространства в заданном диапазоне частот, называются ЭМ экранами.

В основе принципа действия ЭМ экранов лежат несколько механизмов взаимодействия падающего излучения с проводящими оболочками и собственно защиты от него: шунтирование, компенсация (вытеснение), поглощение, отражение. Все механизмы действуют одновременно, но с разной эффективностью в зависимости от частоты падающего излучения. С этой точки зрения различают: низкочастотные квазиэлектро- и магнитостатические поля, высокочастотное поле и сверхвысокочастотное поле. Границы между этими полями условны и зависят от изменения параметров электрической и магнитной проводимости материалов экранов в пределах каждой частотной области.

По конструктивным признакам все экраны делятся на два основных типа: однородные, свойства материалов стенок которых постоянны во всех точках, и неоднородные, имеющие электрические или конструктивные неоднородности стенок, влияющие на электрические характеристики экранов. Все конструктивные модификации экранов можно с некоторыми допущениями отнести к той или иной группе. Однородные экраны, в свою очередь, можно разделить еще на два типа: однослойные и многослойные, материалы стенок которых однородны в слоях, удаленных на одинаковое расстояние от наружных поверхностей экранов.

В общем случае действие электромагнитного экрана характеризуется следующими основными параметрами и характеристиками [1-8].

Коэффициент экранирования представляет собой отношение напряженности электрического или магнитного поля в какой-либо точке защищаемого пространства при наличии экрана к напряженности электрического или магнитного воздействующего поля в той же точке при отсутствии экрана:

; (1)

, (2)

где и – коэффициенты экранирования по электрической и магнитной составляющим.

На практике действие экрана принято оценивать эффективностью экранирования (экранным затуханием)

, (3)

где – коэффициент экранирования по электрической или магнитной составляющей.

Эффективность экранирования экрана как линейной системы остается неизменной независимо от расположения помехонесущего электромагнитного поля внутри или вне экрана. Рассмотренный принцип обратимости экрана позволяет при расчетах эффективности экранирования в случае необходимости менять местами источник и рецептор электромагнитного поля.

Электромагнитный экран одновременно с выполнением основной функции – ослабления поля помех – оказывает воздействие на собственные параметры цепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределением электромагнитного поля при установке экрана. Это влияние оценивается с помощью коэффициента реакции экрана, под которым понимается отношение напряженности электрического или магнитного отраженного поля в какой-либо точке пространства помехонесущего поля при наличии экрана к напряженности электрического или магнитного воздействующего поля в той же точке при отсутствии экрана:

; (4)

, (5)

где и – коэффициенты реакции экрана по электрической и магнитной составляющим.

Основные технические требования к экранам, связанные с их функциональным назначением, заключаются в обеспечении заданных коэффициентов экранирования (или экранного затухания) и коэффициентов реакции экрана на внешнее и внутреннее пространство. Номинальное значение эффективности экранирования рассчитывается исходя из требуемого подавления электромагнитных помех и определяется конкретными условиями проектирования аппаратуры. Затем по найденному значению эффективности экранирования с учетом допустимых пределов изменения параметров экранируемых элементов определяются материал, геометрические размеры экрана и условия размещения элементов внутри него.

Помимо обеспечения заданной эффективности и коэффициента реакции к экрану могут предъявляться дополнительные конструкторские требования, связанные с особенностями проектируемой РЭС [3, 4].

1. Экран является внешним кожухом аппаратуры. В этом случае согласно общему техническому заданию при его проектировании должны учитываться требования обеспечения нормального теплового режима, пыле- и влагозащищенности, устойчивости к вибрационным и ударным нагрузкам, эргономики, технологичности конструкции и т. д.

2. Экранируются отдельные элементы и узлы аппаратуры, форма и размеры которых определяют конструкцию экрана. При этом экран должен компоноваться в общем устройстве и обеспечивать минимальную реакцию на экранируемый объект, нормальный тепловой режим, технологичность конструкции, ремонтопригодность и т. д.

3. Экран проектируется как самостоятельное сооружение в случае, если он предназначен для защиты от внешних электромагнитных полей или локализации целого радиоэлектронного комплекса, а также для проведения специальных радиотехнических измерений в условиях, близких к условиям свободного пространства, или для настройки и регулировки аппаратуры.

В процессе конструирования экранов предварительно учитываются дополнительные требования, а затем основные с учетом особенностей экранов, вызванных этими дополнительными требованиями.

1.2. Основные методы теоретического анализа электромагнитных экранов

В настоящее время для расчета параметров и характеристик электромагнитных экранов используют в основном волновой метод, метод теории цепей, метод наведенных потенциалов и некоторые другие методы [1-8].

Наиболее общим является волновой метод [1-7], основанный на решении уравнений Максвелла для гармонических колебаний. Он применяется, когда размеры экранов сравнимы или несколько превышают длину волны по­мехи и необходимо учитывать фазовые соотношения в парциальных волнах, проникающих через стенку экра­на в защищаемое (экранируемое) пространство. В дан­ном случае речь идет о конструкторской задаче частного или общего экранирования от внешнего СВЧ-излучения (защита от электромагнитных помех Э₁, Э₂, Э_i).

При использовании этого метода предполагают [1], что поле помехи существует в виде распространяющихся волн и форма экрана со стороны помехи соответствует фронту падающей волны помехи. При падении помехи на экран часть энергии падающей волны отражается в окружающее пространство вследствие несовпадения волновых характеристик материала экрана и свободного пространства, а часть энергии проникает в экран и рас­пространяется в нем, затухая в соответствии со значением постоянной затухания электромагнитной волны в материале стенки . На второй границе экрана также происходит отражение и преломление волны поля по­мехи и т. д.

Обозначая коэффициенты прохождения в экран и из экрана через и соответственно, а коэффициенты отражения с наружной и внутренней сторон границы экрана и соответственно, получаем следующие выражения для комплексных амплитуд отраженной от экрана волны:

, (6)

волны, прошедшей в экранируемое пространство,

, (7)

где , ,  комплексные амплитуды падающей, отраженной и прошедшей волн; t_э  геометрическая толщина стенки экрана;  постоянная распространения в материале стенки экрана (постоянная вихревых токов), которая равна:

• для металла ;

• для поглощающего материала ;

• для диэлектрика ;

 фазовая скорость распространения электромагнитной волны в материале;  комплексная абсолютная диэлектрическая проницаемость материала стенки экрана;  абсолютная магнитная проницаемость материала стенки экрана;  угловая частота;  удельная активная проводимость на частоте f.

Используя формулы

; ; (8)

; (9)

и обозначая через и волновые сопротивления свободного пространства и материала экрана волне помехи, из формул (6) и (7) получаем выражения для коэффициента экранирования

(10)

и коэффициента реакции экрана

. (11)

Поле помехи может существовать в виде волн раз­личной структуры. На расстоя­ниях порядка длины волны ₀ и несколько более от источни­ка помехи поле помехи суще­ствует в виде поперечно-маг­нитных (ТМ) волн или попе­речно-электрических (ТЕ) волн и только на расстояниях более от источника поле помехи приобретает стро­гую структуру поперечно-элек­тромагнитных (ТЕМ) волн.

Волновое сопротивление, оказываемое средой при распространении электромагнитной волны, существенно зависит от типа волны. Так, для ТЕМ-волны волновое сопротивление свободного пространства определяется из выражения . Для ТЕ-волн волновое сопротивление существенно больше, а для ТМ-волн существенно меньше, чем для ТЕМ-волн:

W_{0 те} >> W_{0 тем} >> W_{0 тм} . (12)

На рис. 1 показана зависимость волнового сопротивления в свободном пространстве при распространении волн различных типов от расстояния до излучателя. При расчетах в соответствии с этим методом волновое сопротивление среды вычисляется как отношение поперечных составляющих электрической и магнитной компонент волны, т. е.

, (13)

где  единичный вектор в направлении распростра­нения волны.

W₀

120π

r/λ₀

3

2

1

240π

Рис. 1. Волновое сопро­тивление среды для волн различных типов в зависи­мости

от относительного значения расстояния до из­лучателя r/₀

Волновое сопротивление экранов из диэлектриков и поглощающих материалов также будет зависеть от типа волны помехи и определяться соотношением (13), а волновое сопротивление металлических экранов практически не зависит от типа волны, целиком определяется высокой электропроводимостью металлов и может быть определено из выра­жения

. (14)

В коротковолновой части СВЧ-диапазона, начиная с сантиметровых длин волн и на миллиметровых волнах, волновой метод расчета экранов «вырождается» в метод плоских волн, так как в этой области длин волн поле помехи приобретает структуру ТЕМ-волн уже на малых расстояниях от источника помехи.

Волновой метод расчета экранов является достаточ­но точным и позволяет успешно вести расчет конструк­ций однородных экранов, изготовляемых из различных материалов, для всего рассматриваемого диапазона СВЧ. Недостатком волнового метода является сложность использования его для конструкторского расчета экранов, если форма экранов не совпадает с конфигурацией фронта волны помехи, так как в этом случае выражения для коэффициентов отражения и прохождения на границах экрана будут задаваться не соотношениями вида (8) и (9), а гораздо более сложными выражениями, в которых должны учитываться изменения структуры волны помехи при падении на конкретную конструкцию экрана. При расчете плоских экранов можно исключить эту трудность, используя разложение волн поля помехи в спектр плоских волн и учитывая лишь волны, вносящие наибольший вклад в коэффициент экраниро­вания. В инженерных расчетах в этих случаях применяют несколько измененный подход, рассматриваемый далее.

Метод теории цепей [1-7] не имеет преимуществ перед волновым методом, но позволяет в ряде случаев воспользоваться известными решениями из теории цепей, поскольку физическая сущность явлений, происходящих в электромагнитных экранах, во многом сходна с процессами, происходящими в электрических цепях при распространении энергии по неоднородным линиям с большими потерями и несогласованными нагрузками. При распространении энергии поля помех через экран приходится считаться с поглощением энергии в материале экрана и отражением на границах раздела воздух – экран – воздух. Поглощение энергии в экране в теории цепей соответствует затуханию волны в линии, а отражение энергии на границах экрана – отражению энергии волн в линии с несогласованной нагрузкой. Кроме того, эта физическая аналогия находит подтверждение и в схожем математическом описании этих двух процессов.

Метод наведенных потенциалов [1] применяется, если все размеры экрана существенно меньше длины волны помехи. Процесс экранирования в этом случае можно представить как изменение (наведение) потенциала в экранируемом пространстве при воздействии некоторого внешнего потенциала, эквивалентного полю помехи. Метод наведенных потенциалов широко применяется в области радиочастот, лежащих ниже СВЧ-диапазона, где и дает удовлетворительную точность. В области диапазона СВЧ применение этого метода ограниченно, поскольку при рассмотрении физических процессов в этом диапазоне нельзя пренебречь токами смещения. Кроме того, метод наведенных потенциалов не позволяет установить фазовые соотношения между различными волнами поля помехи.