1.3. Методика инженерного расчета параметров и характеристик однородных экранов

Получение аналитических соотношений для инженерного расчета параметров и характеристик однородных экранов путем точного решения электродинамической задачи для реального экрана и определенных параметров СВЧ-поля помехи (экранируемого электромагнитного поля) весьма затруднительно. Поэтому при выводе расчетных формул используют различные допущения, которые в некоторой степени ограничивают применение теоретических результатов.

Рекомендациям по расчету однородных экранов посвящен ряд публикаций [1-8]. Дальнейшее изложение методики инженерного расчета параметров и характеристик однородных экранов в основном базируется на работе [1].

Выражение для экранного затухания однородного экрана в соответствии с формулой

(15)

можно, используя выражение (3) и (8), представить в виде суммы двух слагаемых:

[дБ] . (16)

Множитель определяет степень влияния второй границы стенки экрана. При большом затухании волн помехи >>1 первое слагаемое полностью определяется отражением волны от границы раздела воздух 

экран, в других случаях его величина зависит также от толщины стенки экрана. Первое слагаемое в выражении (16) является составляющей экранного затухания, обусловленной отражением волны поля помехи от наружной стенки экрана (за счет относительных потерь на отражение ). Второе слагаемое зависит от величины затухания волны помехи при распространении в среде из материала стенки экрана и поэтому зависит от геометрической толщины стенки . С физической точки зрения его величина определяется процессами поглощения энергии при распространении электромагнитного поля помехи в среде с диссипативными потерями. Поэтому второй член в формуле (16) является составляющей полного экранного затухания, обусловленной поглощением волны помехи в стенке экрана .

На рис. 2 и 3 приведены частотные зависимости составляющих экранного затухания и одно­типного экрана, рассчитанные для разных металлов и различных толщин стенок экранов. Как видно из графиков,

при увеличении частоты быстро возрастает, причем ее зависимость от изменения частоты практически линейная. Так же меняется и при изменении геометрической толщины стенки экрана.

А_{э отр}, дБ

100 108 109 1010 F, Гц 80 60 50 40 Медь 10 мкм Алюминий 10 мкм 1 мкм Сталь 1 мкм 30

Рис. 2. Частотные зависимости от толщины стенки экрана

для различных металлов

Составляющая экранного затухания более слабо зависит от частоты и практически мало зависит от толщины стенки экрана. При увеличении частоты элек­тромагнитного поля помехи уменьшается, причем зависимость от относительного изменения частоты при >5 практически линейная. В нижней части диапа­зона СВЧ и при очень малых толщинах стенки экрана не зависит от частоты. Это обусловлено тем, что увеличение отражения волны от передней поверхности стенки экрана компенсируется соответствующим изме­нением противофазной волны, отраженной от задней по­верхности стенки экрана.

Выражение (16) справедливо для случая, когда форма экрана совпадает с фронтом волны поля помехи. При конструировании экранов чаще всего сталкиваются с конструкциями, имеющими следующие соотношения между основными геометрическими размерами:

• один из размеров намного меньше, чем все осталь­ные;

• два поперечных размера экрана сравнимы друг с другом и намного меньше третьего;

• все поперечные размеры сравнимы друг с другом (характерно для замкнутых СВЧ-экранов любой формы).

В инженерных расчетах с приемлемыми допу­щениями можно заменить экраны сложной формы экви­валентными экранами простейшей формы, т. е. плоски­ми, цилиндрическими, сферическими и т. п.

А_{э погл}, дБ

200

10⁸

10⁹

10¹⁰

f, Гц

100

1

2

4

63

40

20

10

6,3

Сталь

1мкм

1 мкм

Алюминий

10 мкм

10 мкм

Медь

10 мкм

10 мкм

Алюминий

10 мкм

1 мкм

Сталь

1мкм

10 мкм

Рис. 3. Частотные зависимости от толщины стенки экрана

для различных металлов

Как уже отмечалось, волновое сопротивление , оказываемое свободным пространством при распространении волн поля помехи, зависит от структуры этих волн. Если W₀ обозначить для основных структур волн (плоской, цилиндрической и сферической) через то соотношения между ними выражаются в виде

. (17)

Подставляя эти соотношения в формулы (10) и (11), можно получить примерную связь между коэффициента­ми реакции плоского, цилиндрического и сферического металлических экранов, изготовленных из одного и того же материала и имеющих одинаковую толщину стенки

(18)

(19)

Обозначая экранное затухание экранов плоской, цилиндрической и сферической форм соответственно через А_{э с}, А_{э п}, А_{э ц}, из выражений (18) и (19) получим:

А_{э п}  А_{э ц} + 6,0  А_{э с} + 9,6 ДБ. (20)

Если учесть, что формулу (16) удобнее применять со значениями волновых сопротивлений для плоской волны (см. формулы (6) и (7), то выражение (20) можно записать

А_э  А_{э п} – А_ф, (21)

где А_ф  составляющая экранного затухания, обусловленная формой экрана и равная 0; 6,0 и 9,6 дБ соответственно для плоского, цилиндрического и сферического экранов.

Экранное затухание однородных экранов в диапазо­не СВЧ обычно бывает порядка 100 дБ, поэтому видно, что конструктивная форма экрана мало влияет на его параметры экранирования. Решающее значение в этом случае имеют электротехнические свойства материала экрана, толщина его

стенки и внутренние размеры экрана. Слабое влияние формы экранов на характери­стики экранирования позволяет при конструировании устройств СВЧ выбирать форму экранов и корпусов исходя только из требований к компоновке устройства СВЧ и его технологичности. В то же время это дает воз­можность, заменяя реальную форму ближайшей эквива­лентной (плоской, цилиндрической или сферической), создавать унифицированные ряды конструкций однород­ных экранов и электрогерметичных корпусов.

В полученных формулах для расчета экранов не учитываются некоторые явления, которые могут существен­но влиять на качество экранирования.

К таким явлени­ям в первую очередь относятся резонансы внутренней полости экранов и корпусов. Этот эффект должен обя­зательно учитываться при конст­руировании СВЧ-экранов из ме­таллических материалов. Как известно, любое прост­ранство, окруженное отражаю­щими поверхностями, на

некото­рых частотах, называемых собст­венными, проявляет резонирую­щие свойства. При этом происхо­дит многократное усиление ам­плитуды электромагнитной волны поля (в данном случае поля по­мехи) внутри такого простран­ства по сравнению с амплитуд­ой волны поля, возбуждающего его.

Влияние резонансных явле­ний, обусловленных внутренней полостью экрана, рассмотрим на упрощенной электрической модели экрана в виде двух бес­конечных металлических пластин, расположенных парал­лельно друг другу на расстоянии (рис. 4). При паде­нии на экран плоской волны поля помехи (ограничимся случаем одностороннего нормального падения) единичной амплитуды часть энергии волны проникает в экраниро­ванное пространство и распространяется в нем от стен­ки I к стенке II также в виде плоской волны . Достигая границы II, она отража­ется и меняет направление распространения.

Если коэффициент отражения от границы II равен , то отраженную волну можно записать в виде

X

. (22)

∞

∞