Материал: Белов БЖД

Таблица 6.10. Характеристика металлов, применяемых для экранирования ЭМП

При определении электромагнитного поля сложных источников их разбивают на элементарные, а затем используют принцип суперпозиции полей. Импеданс среды для поля элементарного электрического излучателя

Z=Z0(1+jkr+1/jkr)(1+jkr), (6.57)

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя

Z=Z0(1+1/jkr)/(1+jkr+1/jkr), (6.58)

Из выражений (6.57) и (6.58) видно, что вблизи источника, т. е. в зоне индукции (kr «1), импеданс среды преимущественно электрическому полю

Z=ZE≈Z/jkr(6.59)

импеданс среды преимущественно магнитному полю

Z=ZH≈jk/Z0 (6.60)

С увеличением расстояния от источника импеданс ZEуменьшается, а импедансZH увеличивается (рис. 6.51). Оба импеданса будут стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излученияZ=Z^EH=Z0.

Различают экранирование магнитного, электрического и электромагнитного (плоская волна) полей. В большинстве случаев с двух сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая среда – воздух, и эффективность экранирования,пользуясь формулой (6.39), можно записать в виде

E=20lg│ch_k*h│+20lg│1+0,5(Z2/Z1+Z1/Z2)thk*h│

Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экрана hнеобходимо знать коэффициент распространенияk* и импедансыZ1иZ2. Так как экран обычно изготовляют из металла, то с учетом зависимостей (6.27) и (6.56) коэффициент распространенияk* и импедансZ2будут равны:k* = √jwμ2ς2. Более сложно определяется импедансZ1. В зоне излучения импеданс диэлектрической

Рис. 6.51. Импеданс среды для элементарных излучателей в зависимости от расстояния от источника:

среды – воздуха – будет равен (для воздуха μ≈μ0, ε≈ε)Z1=Z^EH=√μ1/ε1≈√μ0ε0≈ 377 Ом. Однако в зоне индукции импедансZ1зависит не только от вида основной составляющей электромагнитного поля |см. формулы (6.59) и (6.60)]. Он определяется также формой конструкции экрана (рис. 6.52). С учетом формы импедансZ1при экранировании электрического поля записывают в виде

Z1=Z1^E=Z*/jkr*m=1/jωε1r*m

а при экранировании магнитного поля в виде Z1=Z1^H=jk1r*mZ*=jωμ1r*m,

где т= 2 приr* =l/2 для плоского экрана;т= 1 приr* = р –для цилиндрического экрана;т= 1/√zприr* =r–для сферического экрана (см. рис. 6.52).

Тогда при k*h, что обычно достигается на низких частотах (f< 10⁴Гц),chk*h≈ 1,athk*h≈k*hи эффективность экранирования электрического поля (Z1^E/Z2>Z2/Z1^H)

Рис. 6.52. Конструкции экранов

Эта эффективность будет большой на низких частотах, а в диапазоне относительно высоких частот е →0.

При экранировании магнитного поля необходимо учитывать особенности материала, из которого изготовлен экран. Обычно для магнитных металлов (сталь, пермаллой, феррит)Z1/Z2^H>Z1^H/Z2, а для немагнитных металлов (медь, алюминий, свинец)Z1^H/Z2>Z2/Z1^H. Тогда для защитных устройств из магнитных металлов эффективность экранирования.

Она не зависит от частоты. Для защитных устройств из немагнитных металлов.

Эта эффективность зависит от частоты и при частоте ω→0 тоже стремится к нулю.

В области относительно высоких частот (10⁴<f, Гц < 10⁹) эффективность экранирования удобно определять* по формуле

Из соотношения импедансов следует, что амплитудные коэффициенты [формула (6.38)] для плоского Tn, цилиндрическогоTц и сферического Тcэкранов приZ1>Z2и имеют приблизительно следующее соотношение:Tn:Tц:Tс = 1:2:3. Это соотношение справедливо для экранов, изготовленных из одинакового материала и имеющих равную толщину стенок, причем расстояние между параллельными пластинами плоского экрана равно диаметру сферического или цилиндрического экранов (l= 2rили 2p). Таким образом, если эффективность экранирования плоским экраном принять за исходное значениеen= 20lg1/Tn, то эффективность экранирования цилиндром ец= 201g|1/Tц| = 201g|l/Tn| =en–20 lg 2 ≈ Сп–6 дБ, а эффективность экранирования сферойeс=en–9,5 дБ. При экранировании магнитного поля магнитными материалами (Z2>Z1) соотношение амплитудных коэффициентов передачи будет иметь обратную закономерность Тn:Тц:Тe = 1:1/2:1/3. На практике полученными соотношениями пользуются при определении, например, эффективности цилиндрического экрана по формулам плоского.

В области СВЧ, охватывающей дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны (f^ 10⁹...10¹⁰ Гц), длина волны λ соизмерима с диаметром экранаd, т. е. λ≥d,и эффективность экранирования носит колебательный характер (рис. 6.53). В этой области импедансZ1 при экранировании

Р и с . 6.53. Колебательный характер эффективности экранирования ЭМП в диапазоне СВЧ:

а – электрическое поле; б – магнитное поле; h1- 0,01 мм,h₂= 0,001 мм,r= 5 мм

магнитного и электрического полей цилиндрическим экраном следует определять по формулам:

(6.63)

где Jn(uиНп(и) –функции Бесселя* соответственно первого и третьего рода, порядкап(штрихом отмечены производные). С учетом соотношений (5.63) эффективность экранирования рассчитывают по формуле (6.61), при этом надо иметь в виду, что во многих случаях можно принятьZ1/Z2<<1 и пренебречь этим слагаемым.

При наличии в экране для радиоэлектронной аппаратуры отверстий или щелей, возникающих вследствие несовершенства его конструкции и технологии изготовления, среднюю эффективность экранирования можно определить по эмпирической формуле

(6.64)

где импеданс Z1=Z1^Hпри экранировании электрического поля;Z1≈Z1^H при экранировании магнитного поля; импеданс |Z2│ =│ ωμ₂σ2│; слагаемыеАи множительВ= 2πh/lучитывают негерметичность экрана

где r*=0,62V^1/3– эквивалентный радиус экрана любой геометрической формы(V–внутренний объем экрана);l–наибольший размер отверстия (щели) в экране;k₁=ω√μ0ε0. Формула (6.64) применима в диапазоне частот, покаk_l <2,l> 0.

Для защиты от ЭМП обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако во многих случаях экономически выгодно вместо металлического экрана использовать проволочные сетки, фольговые и радиопоглощающие материалы, сотовые решетки.

Эффективность экранирования электрического поля при использовании проволочных сеток

е =10lg│Z^E/Z│+A+8,686C

* Обычно функцию Н1(и) находят по формуле: H1(и) = J1(u) + jY(u). Чтобы найти производную, можно использовать соотношение: Q1(Z) = Q0(u)–1/2Q(u), где и означает любую функцию Y, Н или любую их линейную комбинацию. Функции Бесселя даны в виде таблиц в справочниках [6.1].

Здесь слагаемое Аозначает то же, что в выражении (6.64)(k1l<2), а множительСи величинуzпри заданном диаметре проводаdи шагеs сетки рассчитывают по формулам: С= πd/(s–d), z=l/G2h*, где эквивалентная толщина сеткиL*=πd²/4s.

В сортамент фольговых материаловтолщиной 0,01...0,05 мм входят в основном диамагнитные материалы–алюминий, латунь, цинк. Расчет эффективности экранирования фольговых материалов производится по формулам для тонких материалов. При негерметичности эффективность экранирования электрического поля

где Z=1/σ₂h.

Радиопоглощающие материалыизготовляют в виде эластичных и жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы или заливочных компаундов. В табл. 6.11 приведены характеристики некоторых радиопоглощающих материалов. В последнее время все большее распространение получают керамикометаллические композиции.

Эффективность экранирования сотовыми решеткамизависит вплоть до сантиметрового диапазона от отношения глубины к ширине ячейки.

Таблица 6.1.1. Основные характеристики радиопоглощающих материалов