Экранирование

Экранирование является средством защиты от помех излучения. Оно может быть использовано для снижения уровня помех, поступающих в окружающее пространство от источников помех, или для повышения помехоустойчивости к помехам излучения рецепторов электромагнитных колебаний.

Принцип действия экрана состоит в том, что он нарушает однородность пространства и создает скачок волнового сопротивления на пути распространения электромагнитной волны. Это приводит к отражению и/или поглощению энергии электромагнитной волны.

Электромагнитная волна является композицией двух составляющих – электрического поля Е и магнитного поля Н, векторы которых сдвинуты по фазе во времени и в пространстве на 90°.

Функциональные узлы и элементы радиоэлектронных средств, в которых имеются большие токи и малые напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля, в которых преобладает магнитная составляющая. Функциональные узлы и элементы радиоэлектронных средств, в которых имеются большие напряжения и малые токи, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. В дальней зоне преобладание какой-либо составляющей отсутствует и каждая составляющая переносит всю энергию электромагнитной волны.

В ближней зоне волновое сопротивление воздуха электрическому полю обычно большое, особенно на низких частотах, – оно обратно пропорционально расстоянию от источника поля и частоте. Характеристическое сопротивление воздуха магнитному полю в ближней зоне обычно мало – оно прямо пропорционально расстоянию от источника и частоте. В дальней зоне, где электромагнитная волна считается плоской, волновое сопротивление воздуха постоянно и составляет примерно 377 Ом.

Металлические экраны обладают высокой проводимостью и имеют низкое волновое сопротивление. Когда электромагнитная волна падает на экран, то часть электромагнитной волны отражается от границы воздух/металл, где имеет место скачок волнового сопротивления, но часть проникает в материал экрана и распространяется по нему до следующей границы металл/воздух. Здесь также имеет место скачок волнового сопротивления, и часть энергии электромагнитной волны отражается внутрь стенки экрана, а часть проходит наружу за стенку экрана. Электромагнитная волна в материале экрана испытывает многократные отражения от границ металл/воздух, частично переходя эту границу наружу и частично отражаясь внутрь экрана, и достаточно быстро затухает.

Процесс прохождения электромагнитной волной металлического экрана изображен на рис. 4.1. При попадании электромагнитной волны на поверхность экрана она вызывает на ней поверхностные токи, а при попадании вглубь материала экрана – вихревые токи. Так как экран обладает конечной проводимостью (имеет ненулевое активное сопротивление), то образующиеся токи теряют энергию на активном сопротивлении экрана, которая выделяется в форме тепла. Это явление известно как скин-эффект. Для характеристики этого эффекта используют такой параметр, как толщина скин-слоя. Для плоской синусоидальной волны амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в металле убывают по экспоненциальному закону. Учитывая этот факт, за толщину скин-слоя принимают толщину металла, при прохождении которой поле убывает в е раз или примерно на
9 дБ. Толщина скин-слоя зависит от проводимости металла, его магнитной проницаемости и частоты поля. Таким образом, в экране наряду с отражением электромагнитной волны происходит ее поглощение.

Величина отраженного поля зависит от отношения волновых сопротивлений воздуха и материала экрана электромагнитному полю. Поскольку в области ближнего поля волновое сопротивление воздуха электрическому полю большое, а волновое сопротивление экрана низкое, то поле легко отражается очень тонкими металлическими экранами на самых высоких частотах, которые требуется экранировать. Иная ситуация имеет место для магнитного поля в ближней зоне. Так как волновое сопротивление магнитному полю в ближней зоне небольшое, то магнитные поля не испытывают большого отражения. Их экранирование больше зависит от поглощения волны в экране. Потери поглощения прямо пропорциональны толщине экрана и частоте электромагнитного поля. Они наивысшие на высоких частотах и быстро убывают с понижением частоты. Трудность экранирования магнитных полей на низких частотах связана с тем, что на этих частотах малы как потери отражения, так и потери поглощения. Чтобы получить хорошую эффективность экранирования, нужна соответствующая толщина металла.

В дальней зоне хорошая эффективность экранирования зависит как от проводимости экрана, так и от его толщины.

Эффективность экранирования определяется ослаблением электрической или магнитной составляющей поля или ослаблением потока мощности поля. Числовое значение эффективности экранирования выражают в децибелах и получают как отношение напряженностей соответствующих полей или плотностей потока мощности в какой-либо точке пространства при отсутствии и при наличии экрана, т. е. K_Е = 20 lg (Е/Е_э), K_Н = 20 lg (Н/Н_э),
K_П = 10 lg (Е Н/Е_э Н_э) = (K_Е + K_Н)/2, где K_Е, K_Н, K_П – коэффициенты экранирования по электрическому полю, магнитному полю и потоку мощности соответственно, дБ; Е, Н – напряженности электрического и магнитного полей в отсутствие экрана; Е_э, Н_э – напряженности электрического и магнитного полей в той же точке пространства при наличии экрана.

Основными параметрами материала экрана являются его проводимость, магнитная проницаемость и толщина. Медь и алюминий имеют высокую проводимость. Она, например, в пять раз выше проводимости стали. Поэтому эти материалы очень хороши для экранирования электрических полей. Однако их относительная магнитная проницаемость равна 1, т. е. такая же, как у воздуха. Это не магнитные материалы и не подходят для экранирования магнитных полей на низких частотах, так как потребуется экран большой толщины. Типовые марки мягкой стали имеют на низких частотах относительную магнитную проницаемость около 300, которая убывает до 1, когда частота становиться больше 100 кГц. Высокая магнитная проницаемость снижает глубину скин-слоя на низких частотах, что позволяет на этих частотах сделать экран разумной толщины. Например, на частоте 50 Гц в меди толщина скин-слоя составляет 9.4 мм, а в стали 0.74 мм.

Экранирование в широком диапазоне частот может быть выполнено с использованием многослойных экранов. Например, экран из мягкой стали с напыленным на него чистым цинком слоем в 10 или более микрон может быть использован во многих приложениях. Чистый цинк имеет толщину скин-слоя близкую к алюминию.

На частотах выше 10 МГц теоретически легко получить эффективность экранирования более 100 дБ, используя достаточно тонкие экраны. Однако, на практике эффективность экранирования реальных экранов сильно снижается из-за просачивания полей через даже очень маленькие апертуры (щели) в швах, соединениях, дверях экранированных помещений, крышках и т. п., а также в местах проводки кабелей в экран. Контроль апертур и мест прокладки кабелей – ключ к достижению хороших значений эффективности экранирования. На частотах выше 100 кГц это более важно, чем даже тип или толщина материала, из которого сделан экран. Для повышения эффективности экранирования реальных экранов следует, где это возможно, необходимые или неизбежные апертуры делать как можно меньшего размера. Неизбежные длинные апертуры (крышки, двери и т. п.) следует снабжать проводящими прокладками или другими средствами поддержания непрерывности экрана.

При проектировании и выборе материала для корпуса экрана полезно руководствоваться следующими соображениями:

- эффективность экранирования определяется материалом на относительно низких частотах. На высоких частотах эффективность экранирования определяют апертуры экрана: наличие щелей, отверстий входа/выхода в корпусе экрана, пузыри, раковины в материале экрана и т. п.;

- корпуса, содержащие излучатели, должны обладать максимальными потерями поглощения излучаемых полей;

- корпуса, содержащие рецепторы, должны обладать максимальными потерями отражения падающих полей;

- все соединения в корпусе экрана следует рассматривать как нарушение его непрерывности и принимать меры для специальной обработки швов (стыков), чтобы сохранить целостность экранирования.

Различают три уровня экранирования: уровень компонента, уровень подсистемы и уровень системы в целом.

Если помеху создают только некоторые компоненты системы, то наиболее эффективным подходом является экранирование только тех компонентов или областей, которые создают помеху.

При экранировании подсистем и системы в целом могут быть использованы различные материалы – от проводящей окраски или электролитической металлизации контактных поверхностей до металлов. Общей проблемой экранирования на уровне корпуса являются большие отверстия для устройств индикации. Один из вариантов экранирования таких устройств состоит в использовании экранированного окна, выполненного в виде двух полосок из стекла или пластика, между которыми находится тонкая металлическая сетка. Другие решения включают отливку экрана непосредственно внутри листа из стеклопластика или использование стеклопластика с прозрачным проводящим покрытием.

Поскольку наводки между кабелями и проводами являются одним из путей, по которым помехи влияют на качество работы технических средств, то экранирование проводов и кабелей служит способом снижения помех и улучшения ЭМС технических средств. Имеет значение и то, как производится прокладка проводов и кабелей. В частности, рекомендуется:

- использовать провода с экранированием комбинированным экраном;

- соединять экраны проводов и кабелей с корпусом. Кабель, входящий в корпус заземляется на корпус блока снаружи блока, выходящий – изнутри;

- для снижения уровней помех, обусловленных магнитной связью, использовать скрученные пары проводов. Скручивание уменьшает площадь контура, пронизываемого внешним магнитным полем, и, следовательно, уровень наведенных помех. Скручивание приводит также к тому, что магнитные поля, создаваемые токами, текущими по паре проводов, гасят друг друга (токи текут в противоположные стороны). В результате снижается уровень помех, наведенный от этой пары в другие провода;

- разносить в разные жгуты (или кабелепроводы) провода (кабели) источников постоянного и переменного токов, кабели аналоговых сигналов малых уровней, кабели цифровых и высокочастотных сигналов, кабели сверхчувствительных цепей и кабели, подходящие к пиротехническим цепям.

Правильное использование экранирования на этапах разработки, изготовления и размещения РЭС на объектах позволяет существенно улучшить характеристики ЭМС радиоаппаратуры и возможности совместной работы в условиях непреднамеренных помех.