Электромагнитное экранирование

Наиболее существенное ослабление воздействиям ЭМИ на электронные системы и их элементы можно получить, применяя электромагнитные экраны [1, 3, 5].

Электромагнитными экранами называются конструкции, предназначенные для ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников, и широко используемые в современной электротехники.

В подавляющем большинстве случаев электромагнитные экраны делаются из металла: меди, алюминия, стали.

Принцип действия электромагнитного экрана заключается в следующем. Под действием первичного поля на поверхности экрана индуцируются заряды, а в его толще – токи и магнитная поляризация. Эти заряды, токи и поляризация создают вторичное поле. От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее поле, которое оказывается слабее первичного в защищаемой области пространства.

Таким образом, можно считать, что электромагнитный экран отражает и направляет поток электромагнитной энергии и отводит его от защищаемой области.

Электромагнитный экран – система линейная; отсюда следует, что для него справедлив принцип взаимности перемещений. Сказанное, в частности, означает, что эффективность экрана - коробки сохраняется одной и той же независимо от того расположен ли внутри него источник поля или защищенная область пространства. Это положение имеет большое практическое значение, так как при излучении эффективности экранирования позволяет ограничиться случаем расположения источника поля внутри экрана.

Количественную оценку эффективности электромагнитного экрана (эффективность экранирования) можно характеризовать отношением напряженности поля в защищенной области пространства при отсутствии экрана Е₀, Н₀ и при наличии его (Е, Н):

Величина Э_Е, Н может быть выражена в простых отношениях или в децибелах (дБ).

Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля. Разнообразие возможных источников бесконечно: однако любой реальный источник может быть с необходимой точностью представлен в виде более или менее сложной совокупности электрических диполей и витков (рамок) с током (магнитных диполей).

В основе различия поведения экрана по отношению к разным реальным источникам лежит различие в его поведении по отношению к электрическому и магнитному диполям. Последнее различие является следствием разной структуры полей этих двух источников. В свободном пространстве при

где r – расстояние от источника;

λ – длина волны, различие в структурах полей обоих источников стирается: в любой точке пространства Е и Н практически синфазны, а их отношение оказывается почти такими же, как и в плоской волне, т.е. Е/Н = 120π Ом.

При r << λ/2πотношение Е/H зависит от положения точки наблюдения. В экваториальной плоскости (плоскости, проходящей через диполя перпендикулярно к его оси) оно приближенно и определяется следующими формулами:

- для электрического диполя:

- для магнитного диполя

Таким образом, с уменьшением r или увеличением λ (с уменьшением частоты f) отношение Е к Н в случае электротехнического поля растет, роль магнитной составляющей убывает, и оказывается возможным рассматривать поле как квазиэлектростатическое.

В общем случае экран не только ослабляет, но и искажает поле источника в защитной области пространства. Поэтому его эффективность различна для электрической и магнитной составляющих поля. Это обстоятельство существенно затрудняет ее количественную оценку.

Только в простейших случаях эффективность экрана определяется однозначно (например, экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечным однородным экраном).

Для последнего случая можно получить формулу, удобную для практических расчетов:

где σ – удельная проводимость материала экрана, см/м;

d – толщина экрана, м;

δ – эквивалентная глубина проникновения,

т.е. расстояние, на котором электромагнитная волна ослабевает в е раз и отстает на π/2 .

где A – коэффициент материала;

μ_a – абсолютная магнитная проницаемость;

f – частота электромагнитного излучения, Гц.

Электрофизические параметры, данные об эквивалентной глубине проникновения для материалов экранов, представляющих наибольший интерес, приведены в таблицах 5.8 и 5.9.

Таблица 5.8 Электрические параметры некоторых металлов

Таблица 5.9. Эквивалентная глубина проникновения δ для различных экранирующих материалов, мм

На высоких частотах при относительно большой толщине материала d > δ эффективность экрана можно определить по приближенному уравнению

где d – толщина стенок экрана;

δ – эквивалентная глубина проникновения;

D – ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического или сферического;

μ_r – относительная магнитная проницаемость;

m – коэффициент формы экрана, для прямоугольного m = 1, для цилиндрического m = 2 и для сферического m = 3.

Величину Э_пл можно рассматривать как произведение двух сомножителей:

Первый из сомножителей характеризует эффективность отражения первичной падающей волны электрического поля от поверхности экрана.

Можно получить следующие приближенные зависимости для оценки величины первого сомножителя зависимости (5.14):

Из формулы (5.15) видно, что с увеличением толщины экрана величина Э_пл.отр возрастает до некоторой величины, после чего не меняется. Это и понятно, так как при d > δ явления на поверхности практически перестают зависеть от d.

С повышением частоты эффективность отражения сначала сохраняется неизменной, а потом начинает уменьшаться и при d > δ оказывается практически обратно пропорциональной . Причина в том, что из-за поверхностного эффекта возрастает поверхностное сопротивление экрана.

Второй сомножитель формулы (5.14) характеризует степень ослабления электрической составляющей при проникновении поля сквозь толщу стенки экрана. Приближенно его можно оценить по зависимости

Формулы (5.12) позволяют сравнивать между собой различные металлы, как материалы для экрана. Действительно, при d/δ < 0,1 эффективность экрана пропорциональна удельной проводимости δ и не зависит от магнитной проницаемости материала. Следовательно, при равных толщинах медный экран лучше алюминиевого и намного лучше стального. Однако с ростом толщины d или частоты f картина изменяется, так как существенную роль при определении Э начинает играть член е^d/δ. А так как у стали толщина поверхностного слоя много меньше, чем у меди и алюминия, то стальной экран оказывается более эффективным. Граничная частота f_гр, при которой эффективность стального и медного экранов одна, зависит от d и определяется формулой

где μ – относительная магнитная проницаемость стали.

При произвольной форме экрана и конечных размерах диполя (источника поля) количественная оценка эффективности экранирования сильно затруднена. Поэтому для получения такой оценки обратимся к простейшему случаю – шаровому экрану.

Эффективность шарового экрана с внутренним радиусом R и толщиной стенок d по отношению к элементарному диполю, расположенному в его центре, при d << R << λ2π определяется формулой

где Э_пл находится из (5.12).

Электромагнитная волна элементарного диполя не плоская, а сферическая; однако при d << R можно считать поле в толще стенок экрана плоским и воспользоваться для оценки ослабления его формулой (5.17), а для оценки ослабления поля от экрана следующей приближенной зависимостью:

Нетрудно видеть, что с повышением частоты эффективность ослабления уменьшается.

Расчеты и испытания показывают, что на частотах ниже 100 кГц плоский стальной экран менее эффективен, чем медный и алюминиевый, но на частотах выше 1 МГц его эффективность уже на пять порядков выше эффективности плоского медного экрана. Эти соотношения сохраняются и для шаровых экранов при экранировании диполей обоих типов. Напомним, что большая часть энергии ЭМИ излучается в диапазоне частот 15 ÷ 30 кГц.

Эффективность экранирования замкнутыми экранами источников типа электрического диполя очень велика. Даже при толщине стенок 0,1 мм она на всех частотах при всех практически возможных размерах и для всех трех рассмотренных материалов превышает 106 (120 дБ).

При экранировании источников типа магнитный диполь на частотах порядка 10 кГц и ниже для получения большой эффективности экран должен быть толстостенным. Так на частоте 10 кГц при R = 100 мм эффективность экранов различной толщины принимает значения, приведенные в таблице 5.10.

Таблица 5.10. Эффективность экранов различной толщины

В случае замкнутого экрана поле может проникнуть в экран только через толщу стенок.

Из сказанного ранее следует, что соответствующим выбором материала экрана и толщины стенок принципиально можно получить сколь угодно большую эффективность экранирования. В реальных же экранах неизбежны более или менее значительные отверстия и щели, которые образуют дополнительный канал для проникновения поля. Вследствие этого эффективность экрана уменьшается.

Если стенки очень тонкие, а отверстия и щели незначительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через стенки. Смена материала и утолщение стенок могут в этом случае повысить эффективность экранирования. Напротив, если стенки относительно толстые, а отверстия и щели значительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через эти отверстия и щели, так что утолщение стенок малоэффективно.

В большинстве ситуаций свойства экрана часто определяются не толщиной и типом материала, а дефектами – отклонениями от идеальной конструкции. Этими дефектами являются в основном различные отверстия и щели (нарушения однородности экрана).

Анализ проникновения электромагнитного поля через малое отверстие в бесконечно тонком идеально проводящем экране позволяет сделать следующие выводы. Круглое и квадратное отверстие одной и той же площади пропускают электромагнитное поле практически одинаково. Через узкую щель поле проникает слабее, чем через квадратное отверстие той же площади. Особый интерес представляет то обстоятельство, что при данной форме отверстия момент эквивалентности диполя пропорционален площади этого отверстия в степени три вторых. Из этого следует, что замена одного большого отверстия несколькими малыми, общая площадь которых равна площади этого большого отверстия, будет способствовать улучшению эффективности экрана. Расчеты показывают, что замена одного большого отверстия N малыми с той же общей площадью, ведет к ослаблению поля, проникающего в защищаемую область пространства в раз.

Ориентировочно ослабление поля, проникающего через отверстие, вследствие конечности толщины стенок d можно учесть, рассматривая отверстие как запредельный волновод – волноводный фильтр. Обозначив коэффициент ослабления такого поля через Э_α, можно соответственно принять

где α зависит от характера поля, формы и величины отверстия. Значение α для круглого и прямоугольного отверстия приведены в таблице 5.11.

Проникновение поля через отверстие может быть существенно ослаблено путем насадки на это отверстие патрубка.

При этом величина Э_α может быть найдена по формуле (5.20) с заменой в ней d на длину патрубка l.

Таблица 5.11. Зависимость коэффициента α от формы и величины отверстия в экране

Форма отверстия	α
квазиэлектростатическое поле	квазимагнитостатическое поле
Круглое с радиусом R
Прямоугольное с шириной b и длиной a

Значительное ослабление проникновения поля через отверстие можно получить, применяя разделение одного большого отверстия на несколько малых с одновременным применением патрубков [8, 9].

Заключение

В учебном пособии рассматриваются основные проблемы ЭМС различных радиоэлектронных средств.

В первой главе проведен анализ основных источников ЭВМ и рассмотрены предельно доступные уровни электромагнитного поля для потребительской продукции, на рабочих местах и населения.

Во второй главе рассмотрены естественные источники, подробно описывается электромагнитная обстановка, дана теория области близких и волновых зон грозовых разрядов. Проведены основные методы грозозащиты оборудования, локальных сетей, линий передач (коаксиальных).

Подробно рассмотрен пример устройства грозозащиты для бытового применения.

Мощные радиопередающие средства создают МЭМП в первую очередь излучением антенн как над поверхностью земли, так и в подземный район и излучения РЭС.

Приведена инженерная методика расчета стоимости РЭС к воздействию МЭМП.

В пятой главе рассмотрена методика оценки устойчивости РЭС к воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва и рассмотрены практические задачи электромагнитного экранирования, решаемые в курсовом и дипломном проектировании.

Список литературы

1. Иванов В.А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / В.А. Иванов, Л.Я. Ильинский, М.И. Фузик. – К.: Техника, 1983. – 120 с.

2. Князев, А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1984. – 336 с.

3. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / под ред. В.И. Кравченко. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с.

4. Крылов, В.А. Защита от электромагнитных излучений / В.А. Крылов, Т.В. Югенков. – М.: Советское радио, 1972. – 216 с.

5. Уайт, Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи / Д. Уайт; пер. с англ. – М.: Советское радио, 1977. – Вып. 1. – 348 с.

6. ГОСТ 11001–80. Измерители радиопомех. Общие требования.

7. Михайлов, А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС / А.С. Михайлов. – М.: Связь, 1980. – 244 с.

8. Михайлов, А.С. Справочник по расчету электромагнитных экранов / А.С. Михайлов. – М.: Энергоатом изд-во, 1988. – 244 с.

9. ГОСТ Р 51724–2001. Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное.

10. САНПИН 2.2.4.1191–03 Электромагнитные поля в производст-венных условиях. Постановление о введении в действие санитарных правил и нормативов.

Содержание