Экранирование электромагнитных полей

Рассмотрим процесс экранирования электромагнитного поля при падении плоской волны на бесконечно протяженную металлическую пластину толщиной d, находящуюся в воздухе (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Экранирование электромагнитного поля металлическим экраном

В этом случае на границе раздела двух сред с различными электрофизическими характеристиками (воздух–металл и металл–воздух) волна претерпевает отражение и преломление, а в толще экрана ввиду его проводящих свойств происходит частичное поглощение энергии электромагнитного поля. Таким образом электромагнитная волна при взаимодействии с экраном отражается от его поверхности, частично проникает в стенку экрана, претерпевает поглощение в материале экрана, многократно отражается от стенок экрана и, в конечном счете, частично проникает в экранируемую область.

В результате общая эффективность экранирования (величина потерь энергии электромагнитной волны) металлической пластиной определяется суммой потерь за счет поглощения (затухания) энергии в толще материала А_погл, отражения энергии от границ раздела внешняя среда–металл и металл–экранируемая область А_отр и многократных внутренних отражений в стенках экрана А_мотр:

(4.1)

Потери на поглощение связаны с поверхностным эффектом в проводниках, приводящим к экспоненциальному уменьшению амплитуды проникающих в металлический экран электрических и магнитных полей.

Это обусловлено тем, что токи, индуцируемые в металле, вызывают омические потери и, следовательно, нагрев экрана.

Глубина проникновения d определяется как величина, обратная коэффициенту затухания, и зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше глубина проникновения. В СВЧ–диапазоне глубина проникновения d в металлах имеет малую величину и тем меньше, чем больше проводимость металла и его магнитная проницаемость.

(4.2)

где m – абсолютная магнитная проницаемость материала экрана;

f – частота электромагнитного поля;

s – удельная проводимость материала экрана.

Выражение для определения потерь на поглощение экраном толщиной d может быть представлено в следующем виде:

(4.3)

Таким образом, потери на поглощение растут пропорционально толщине экрана, магнитной проницаемости и удельной проводимости его материала, а также частоте электромагнитного поля.

Потери на отражение на границе раздела двух сред связаны с различными значениями полных характеристических сопротивлений этих сред. При прохождении волны через экран она встречает на своем пути две границы раздела: воздух–металл и металл–воздух.

Хотя электрическое и магнитное поля отражаются от каждой границы по-разному, суммарный эффект после прохождения обеих границ одинаков для обеих составляющих поля. При этом наибольшее отражение при входе волны в экран (на первой границе раздела) испытывает электрическая составляющая поля, а при выходе из экрана (на второй границе раздела) наибольшее отражение испытывает магнитная составляющая поля. Для металлических экранов потери на отражение определяются выражением

(4.4)

Откуда следует, что потери на отражение велики у экрана, изготовленного из материала с высокой проводимостью и малой магнитной проницаемостью.

Потери на многократные отражения в стенках экрана связаны с волновыми процессами в толще экрана и в основном определяются отражением от его границ. Для электрических полей почти вся энергия падающей волны отражается от первой границы (воздух–металл) и только небольшая ее часть проникает в экран. Поэтому многократными отражениями внутри экрана для электрических полей можно пренебречь.

Для магнитных полей большая часть падающей волны проходит в экран, в основном отражаясь только на второй границе (металл–воздух), тем самым создавая предпосылки к многократным отражениям между стенками экрана. Корректирующий коэффициент А_мотр многократного отражения для магнитных полей в экране с толщиной стенки d при глубине проникновения d равен

(4.5)

Величина А_мотр имеет отрицательное значение, т. е. многократные отражения в толще экрана ухудшают эффективность экранирования. С уменьшением эффективности можно не считаться в случаях, когда на данной частоте выполняется условие d>d, но им нельзя пренебрегать при применении тонких экранов, когда толщина экрана меньше глубины проникновения.