Расчет и конструирование магнитостатических экранов

Функциональные узлы и элементы РЭС, несущие большие токи с малым перепадом напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей.

Рассмотрим магнитную связь двух электрических цепей, величина которой зависит от их взаимной индуктивности М, определяемой индуктивностями ИП L_и и РП L_р (рисунок 5.7). Здесь на этом рисунке: Z_и, Z_р - внутренние сопротивления цепей ИП и РП; Z_ни, Z_нр - сопротивления нагрузки ИП и РП.

e_и ~ Z_и

I_и Z_ни

L_и

М U_p

L_р

Z_p I_р Z_нp

e_и ~

Рисунок 5.7. Схема индуктивной связи

В этом случае

М = К_св . (5.61)

Если в цепи ИП протекает ток I_и, то в цепи РП будет наводиться ЭДС

е = -i MI_и , (5.62)

которая в цепи РП вызовет ток I_р

. (5.63)

В результате наведенная ЭДС на сопротивлении нагрузки рецептора равна

. (5.64)

В области низких частот (L_р << Z_p +Z_нр )

, (5.65)

т.е. напряжение помехи увеличивается с ростом частоты.

В области достаточно высоких частот (Lр >> Zp +Zнр )

, (5.66)

т.е. это напряжение ограничивается самоиндукцией.

Рассмотрим влияние магнитной связи, определяемой конечной длиной сигнальных проводников в устройствах цифровой обработки (рисунок 5.8).

ИП

I I

M

М U_п

РП

I R_вх R_вых

Im

t

а) б)

Рисунок 5.8. Перенос помех индуктивным путем в цифровых схемах

Полагая, что импульсный ток при переключении ИС изменяется линейно и R_вх>>R_вых,

, (5.67)

где I_m - амплитуда импульса тока;

- длительность среза фронта импульса.

Очевидно, что при конструировании необходимо ограничивать величину магнитной связи во избежание ложного срабатывания цифровых схем.

Для определения влияния конструктивных параметров на величину магнитной связи рассмотрим распространенный случай воздействия ИП в провода длиной l' и током I_и на РП в виде замкнутого контура цепи, длиной l <<l', шириной h и находящегося на расстоянии d от ИП в плоскости, перпендикулярной помехонесущему магнитному полю (рисунок 5.9).

РП ИП

~ . ~ I_и Шаcси

h d

Рисунок 5.9. Индуктивная связь между проводниками

Считаем, что шасси изготовлено из немагнитного материала и не влияет на характер магнитного поля. Магнитный поток, пронизывающий контур РП, определяется

Ф = , (5.68)

где - угол между вектором Ф и нормалью к плоскости контура РП.

Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС, наведенная в цепи РП

e_m = . (5.69)

Для случая, приведенного на рисунке 5.9, величина взаимной индуктивности цепей ИП и РП определяется

М = . (5.70)

Таким образом, для ослабления магнитной связи в РЭА необходимо:

· по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной направлению помехонесущего магнитного поля;

· максимально возможно разносить цепи РП и ИП;

· уменьшать площадь петли цепи РП, сокращая длину проводников l и расстояние между ними h (рисунок 5.9).

Укладка изолированного прямого провода на корпус или шасси РЭC существенно снижает размер h (рисунок 5.10,а). Применение отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет также уменьшить размер h (рисунок 5.10,б). При скручивании прямого и обратного проводов все наведенные на них напряжения компенсируются (рисунок 5.10,в). Аналогичный эффект достигается при использовании коаксиального кабеля.

Z_р Z_р Z_р

е_п е_п l е_п l Z_нр

lZ_нр Z_нр

h ∞∞∞

h

а) б) в)

Рисунок 5.10. Варианты снижения размера h

Если принятых мер недостаточно, то для обеспечения необходимого ослабления помех используют магнитостатическое экранирование, которое использует:

· шунтирование (замыкание) магнитного поля ферромагнитным материалом;

· вытеснение помехонесущего поля полем вихревых токов в экране.

В случае магнитостатического экранирования магнитное сопротивление R_м, оказываемое экраном или областью пространства с магнитной проницаемостью, длиной средней линии магнитной индукции l и поперечным сечением S в направлении, перпендикулярном магнитному потоку, определяется выражением /17/

R_м = . (5.71)

Если экран выполнен из немагнитного металла с магнитной проницаемостью = 1 (медь, латунь, алюминий), то он не оказывает на помехонесущее магнитное поле никакого влияния и его эффективность будет нулевой (на низких частотах). Если же экран выполнен из пермаллоя, стали, ферромагнитного материала, у которых значение велико (30-3000), то магнитный поток замыкается на стенках экрана (поскольку R_м << R_средн.).

Рассмотрим магнитостатический экран в виде куба, внешняя сторона которого равна а, толщина экрана d и внутренний размер (а-2d) (рисунок 5.3,б).

В этом случае, чтобы граничная магнитная линия не попала во внутреннюю часть экрана, необходимо выполнить условие tg ₂ = d/(a-d). Тогда при ( ₁/ ₂) tg ₁ <<1

d = и d<<a, (5.72)

При ( ₁/ ₂) tg ₁ = 1 получается d=a/2, что ограничивает внутренний размер экрана. Таким образом, чтобы обеспечить значительное ослабление магнитного поля, экран должен быть изготовлен из материала с большой относительной магнитной проницаемостью при большой толщине стенок. Чем больше значение, тем более тонкую стенку будет иметь экран.

Основные требования, которые предъявляются к МСЭ следующие:

· магнитная проницаемость материалов должна быть возможно более высокой. Наибольшая эффективность экранирования обеспечивается при использовании магнитомягких низкочастотных материалов (электротехническая сталь, пермаллой);

· увеличение толщины стенок экрана приводит к повышению эффективности экранирования, но приводит к увеличению массы и габаритов экрана и изделия в целом;

· стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно линии магнитной индукции или в направлении вихревых токов в экране;

· заземление экрана не влияет на эффективность МСЭ;

· не допускаются крепления экранируемого элемента и оболочек экрана стальными деталями, которые могут образовывать пути с малым Rм для магнитных силовых линий помехи.

Действие металлического экрана в переменном магнитном поле основано на использовании явления электромагнитной индукции, приводящей к образованию переменной ЭДС, которая создает вихревые токи в экране. Вихревые токи создают вторичное магнитное поле, направленное встречно помехонесущему полю, и ослабляют его. Чем меньше сопротивление стенок экрана и чем больше их толщина, тем меньше разница между напряженностью поля вихревых токов и напряженностью внешнего поля.

С повышением частоты возрастает неравномерность распределения вихревых токов в сечении материала экрана, т.е. наблюдается скин-эффект, который сопровождается сосредоточением вихревых токов на поверхности экрана.

Следовательно, экранирование переменных магнитных полей, также как и электрических, состоит из двух физических процессов:

· компенсации поля экранируемого витка полем вихревых токов, как короткозамкнутого витка;

· ослабления поля при проникновении и распространении его сквозь толщу стенок экрана.

До тех пор, пока толщина экрана меньше (d< ) глубины проникновения (для низких частот), основной вклад в ослабление вносит компенсация поля экранируемого витка полем экрана. На более высоких частотах, когда толщина стенок экрана становится больше глубины проникновения (d> ), решающим оказывается затухание поля в стенках экрана, а следовательно, можно применять немагнитные металлические экраны.

В общем случае эффективность магнитного экранирования, основанная на действии вихревых токов, в области низких частот находится по выражению /17/

[дБ], (5.73)

где R_э - эквивалентный радиус экрана.

При d> эффективность магнитного экранирования может быть определена (в разах)

, (5.74)

где m - множитель, зависящий от формы экрана.

Плоский экран - m = 1, R_э = d/2.

Цилиндрический экран - m = 2.

Сферический экран - m = 3.

Чаще всего ВЧ экраны изготавливаются из алюминия, меди и латуни. В практике магнитного экранирования используют и плоские незамкнутые экраны. Для ослабления индуктивной связи между катушками используют плоский экран (рисунок 5.11), эффективность которого рассчитывается по следующим зависимостям:

- для медного экрана

К = 10lg[(6,35D_срdf)² +1] [дБ]; (5.75а)

- для алюминиевого экрана

К = 10lg[(4D_срdf)² +1] [дБ], (5.75б)

где Dср - средний диаметр катушки (или высота катушки), см;

d - толщина экрана, см;

f - частота, кГц.

а₁ а₂

D_ср

1 2

d

Рисунок 5.11. Ослабление индуктивной связи плоским экраном

Формула (5.75) обеспечивает приемлемые условия экранирования при условии, что ширина экрана превышает D_ср 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 формулы расчета характеристического сопротивления:

Z_пл =-j ₀2r; Z_ц = -j ₀r; Z_сф = - j ₀r/ , (5.76)

где r - радиус или половина ширины экрана.

Аналогично и для ЭСЭ характеристические сопротивления рассчитываются по формулам:

Z_пл = ; Z_ц = ; Z_сф = . (5.77)

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

Плоский экран

немагнитный металл Э_нм = 20lg(1 + μ₀ωσR_эd) (5.78)

магнитный металл Э_мм = 20lg(1 + μ_rd/4R_э) (5.79)

Цилиндрический экран

немагнитный металл Э_нм = 20lg(1 + 0,5μ₀ωσR_эd) (5.80)

магнитный металл Э_мм = 20lg(1 + μ_rd/2R_э) (5.81)

Сферический экран

немагнитный металл Э_нм = 20lg(1 + μ₀ωσR_эd /2 ) (5.82)

магнитный металл Э_мм = 20lg(1 + μ_rd/2R_э), (5.83)

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