WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

6.2. Эффективность экранирования Определяется величинами, обратными коэффициентами экранирования.

1 E1 1 HВ теории: ЭЕ = = и ЭH = = SE E2 SH H1 EI 1 HI На практике: ЭЕ = = и ЭH = = SE EIII SH HIII Изменяются от 1 до.

6.3.Экранное затухание При расчетах эффективности экранирования электрического и магнитного полей обычно выражается очень большими числами. Кроме того, при учете различных физических явлений эти числа приходится перемножать.

Поэтому удобнее пользоваться логарифмической величиной, называемой экранным затуханием А. Она связана с эффективностью экранирования соотношением:

A = 20lgЭ Удобство использования величины А объясняется тем, что можно оперировать небольшими числами и умножение их заменять сложением.

7. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКРАНОВ 7.1. Металлы Заданная эффективность экранирования в определенном диапазоне частот может быть достигнута при использовании любых металлических листовых материалов (сталь, медь, латунь, алюминий).

Однако при равной толщине листа, но на разных частотах эффективность экранирования зависит от материала экранов.

Для магнитостатического экранирования следует применять ферромагнитные материалы с >> 1.

Для электромагнитного экранирования с преимущественным отражением ЭМ-энергии эффективнее работают немагнитные материалы.

Для электромагнитного экранирования с преимущественным поглощением ЭМ-энергии ферромагнетики работают лучше.

Исходя из требований экономичности и технологичности, на практике чаще применяют стальные листы.

При экранировании элементов, узлов и блоков, которые очень чувствительны к вносимым потерям, сталь применять не желательно.

7.2. Глубина проникновения ЭМ-поля в металл Необходимая минимальная толщина экрана определяется эффективной глубиной проникновения ЭМ-поля в металл.

Условно принято считать эффективной глубиной проникновения расстояние от поверхности, на котором амплитуда напряженности поля убывает в е раз и соответственно мощность поля убывает в e27,4 раза.

Из уравнений электродинамики: zo = = [рад/с] [Гц] o fo 0 = 410-7 [Гн/м] Ag - =0,110-7 [Омм] Cu - =0,17510-7 [Омм] Al - =0,2810-7 [Омм] Fe - =0,9210-7 [Омм] Эффективная глубина проникновения в металл [мм] f 50 Гц 1 кГц 10 кГц 100 кГц 1 МГц металл Ag 9 мм 2 мм 0,64 мм 0,2 мм 64 мкм Cu 9,4 мм 2,1 мм 0,67 мм 0,21 мм 67 мкм Al 12 мм 2,7 мм 0,84 мм 0,27 мм 84 мкм сталь 3 мм 0,68 мм 0,22 мм 0,068 мм 22 мкм = Сталь 0,96 мм 0,22 мм 0,068 мм 0,022 мм 6,8 мкм = 7.3. Пример выбора экрана Потери энергии в экране не только нагревают его, но и влияют на параметры экранируемого элемента. Например, катушки индуктивности очень чувствительны к вносимым потерям.

Рассмотрим цилиндрический экран, соосный с экранируемой катушкой.

Мощность потерь в катушке:

2 2n2I rк p= lкrэ3zo Здесь: n - число витков катушки;

I - действующее значение тока в катушке;

lк - длина катушки;

rк - радиус катушки;

rэ - радиус экрана (внутренний);

- удельное объемное сопротивление материала экрана;

z - эффективная глубина проникновения поля в материал экрана.

Эта формула справедлива при условии, что толщина экрана много больше глубины проникновения z.

При неизменной конструкции катушки и экрана мощность потерь зависит от материала экрана ().

Возьмем отношение мощностей потерь в стальном и алюминиевом экране:

PFe FezoAl FeFe = =. Подставим из таблицы PAl AlzoFe Al Fe 0,92 PFe = =3,28 и, приняв Fe =500, получим =40,5.

Al 0,28 PAl Мощность потерь в стальном экране превышает мощность потерь в алюминиевом более, чем в 40 раз. Соответственно и больше вносимые в катушку потери, т.е. уменьшение ее добротности.

При одинаковых вносимых потерях размеры экрана должны быть различными в зависимости от выбора материала.

Введем условие равенства потерь в экранах:

Fe Al = 3 rFezoFe rAl zoAl Решая, получим отношение диаметров:

rFe DFe 3 FezoAl 6 FeFe = = = rAl DAl Al zoFe Al DFe Приняв Fe =500, имеем =3,DAl Таким образом, стальной экран должен иметь диаметр в 3,43 раза больше, чем алюминиевый.

Занимая на плате или шасси площадь в 11,8 раза больше, чем алюминиевый, он отнимает эту площадь у других элементов, увеличивая габариты и массу всего устройства.

7.4. Экранирующие сетки Металлические сетки применяются для уменьшения массы экрана, упрощения технологии его изготовления и обеспечения вентиляции сквозь экран.

Преимущества экранирующих сеток:

1. Малая масса экрана.

2. Простота изготовления и сборки.

3. Пропуск воздуха для вентиляции и света для наблюдения.

4. Достаточная эффективность на радиочастотах.

Недостатки экранирующих сеток:

1. Малая механическая прочность, поэтому плоские сетки зажимаются по периметру в держателях.

2. Потери эффективности при старении. При этом нарушение контакта в узлах сетки компенсируется малым сопротивлением переходной емкости в точках нарушения контакта. Поэтому контакт в узлах не обязателен. Эффективность уменьшается вследствие коррозии металла. Сетки следует покрывать гальваническим путем коррозионностойкими металлами или антикоррозионным лаком.

3. Сетки не экранируют статических полей (Е и Н ). Сетки работают на отражение в дальней зоне как ЭМ-экран.

Эффективность экранирования сетчатого экрана:

Э=, d 2S ln S где - длина волны, S - шаг сетки (расстояние между смежными узлами), d - диаметр провода.

Экранное затухание сеточного экрана:

[ ] A=20lg дБ d 2S ln S Очень удобны для применения объемные сетки. Лучше сетку выполнять из железных проволок, покрытых медью (меднение) толщиной (2 …3) z.



7.5. Примеры расчета сеточного экрана Шаг сетки S =3мм =310-3 м Диаметр провода d =3мм =310-4 м f 100 кГц 1 МГЦ 10 МГц 3000 м 300 м 30 м А 113 дБ 93 дБ 73 дБ 4,3105 рад 4,3104 рад 4,3103 рад Э 7.6. Фольговые материалы.

Промышленностью выпускается фольга толщиной 10...100 мкм из меди, латуни, алюминия и цинка. Это немагнитные материалы.

Технология проста: фольга приклеивается к диэлектрическим деталям.

Фольговые материалы хорошо экранируют от электрического и электромагнитного поля. Магнитное экранирование фольга не обеспечивает.

При ЭМ-экранировании следует избегать резонансных явлений за счет переотражения от поверхностей фольги (стоячие волны по толщине).

Обычно у фольги возникает при толщине ее, равной половине длины волны в металле, так как в этом случае на первой поверхности волна, пришедшая снаружи, и волна, пришедшая изнутри (отраженная от второй поверхности), оказываются инфазными.

Резонанс в фольге возникает при соблюдении условий:

П =(2n-1) где - толщина фольги, м, П - длина волны в материале фольги, м, n - целое число, т.е. число полуволн на пути распространения между поверхностями.

7.7. Пример расчета фольгового экрана Длина волны в проводнике определяется из уравнения:

= или П =2zo П fa Для медной фольги: =0,17510-7 [Омм] п =0 = 410-7 [Гн/м] 0,[ ] П =, м f Для расчетов удобнее формула:

П = f Резонанс в фольге возникает при толщине материала, кратной половине длины волны:

П n = n, где n - целое число.

f П При f =1,0[МГц] имеем = 0,21[мм] Поэтому желательно применять фольгу 0,3 [мм].

7.8. Скорость распространения и длина волны в металле Скорость распространения ЭМ-волны в металле определяется по формуле:

2 4f v= или v= = f(f,a,) a a где а и - свойства металла.

Для немагнитного материала а = 0 и тогда: v= f Материал 50 Гц 1 кГц 1 МГц 100 МГц медь 3 м/с 13,2 м/с 118 м/с 4,18 м/с Алюминий 3,7 м/с 16,7 м/с 530 м/с 5,3 м/с сталь 0,3 м/с 1,4 м/с 43 м/с 0,43 м/с =Длина волны в любой среде определяется частотой и скоростью распространения v:

v v = или =f Длина волны в магнитном проводнике:

2 4 П =2 или П = = а fa fo преобразуя, получим: П = f Для немагнитного проводника = материал 50 Гц 1 кГц 1 МГц медь 59 мм 13,2 мм 0,42 мм алюминий 75 мм 17 мм 0,53 мм сталь 6 мм 1,4 мм 0,043 мм f = 7.9. Токопроводящие краски Основа красок - пленкообразующий диэлектрик, пластификатор, отвердитель и проводящие компоненты - графит, сажа, коллоидное серебро, порошки меди и алюминия.

Проводимость краски зависит от толщины слоя и свойств токопроводящей компоненты.

Металлические порошки в смеси с другими компонентами краски быстро окисляются. Поэтому наилучшими проводящими компонентами краски являются ацетиленовая сажа и графит.

7.10. Металлизация поверхностей Для металлизации больших поверхностей наиболее удобен метод пульверизации расплавленного металла на подложку струей сжатого воздуха. Можно наносить слой на любые диэлектрики, картон, бумагу, ткани. Обычно напыляют цинк или алюминий.

Эффективность экранирования на 30-50 дБ ниже, чем у металлических листов, но в некоторых случаях экономичнее, если поверхность больше. К покрытию можно припаивать контакты и прижимы токонесущие поверхности деталей конструкции.

Для небольших пластмассовых деталей можно применять методы электролитического осаждения или напыления металлов.

7.11. Специальные ткани Выпускаются несколько видов технических тканей с металлической нитью, работающих как отражающие ЭМ-экраны.

Ткань РТ - из капроновой нити, скрученной и сплющенной, с посеребренной медной проволокой толщиной 0,03...0,05 мм (30...50 мкм).

Ткань 4381 - нитка свита с эмалированным проводом ПЭЛ-0,06. Провод изолирован, в сетке нет контактов в узлах. Поэтому ткань экранирует только СВЧ-поле. Из такой ткани делают спецодежду.

7.12. Электропроводящий клей Применяются для электрической герметизации швов взамен пайки или резьбы, для заполнения щелей, малых отверстий, для крепления экранов к несущим металлическим конструкциям. Представляют собой эпоксидные смолы с заполнением металлическими порошками.

8. СПЛОШНЫЕ ЭКРАНЫ 8.1. Физические принципы экранирования Металлические экраны создают затухание поля по трем причинам за счет:

1) отражения от поверхности экрана;

2) поглощения в толще экрана;

3) переотражения внутри экрана.

Здесь: W1 - энергия падающей волны, W2 - энергия отраженной волны, W3 - энергия затухающей волны, W4 - энергия переотраженной волны, W5 - энергия прошедшей волны.

Рис.8.1.

8.2. Экранирование за счет отражения энергии Коэффициент отражения от поверхности Г есть отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны. Он может быть выражен через волновое сопротивление среды z1 = E1/H1, из которой приходит волна, и среды z2 = E2/H2, от которой она отражается.

Наиболее частый случай, когда z1 - волновое сопротивления воздуха, а z2 - волновое сопротивление материала экрана.

Ео(отраж) z2-zЕ Г = = - для электрической компоненты поля, ЕП(падающ) z2 +zНо z1-zН Г = = - для магнитной компоненты поля, НП z1+z z1-z2 П Е Н Г =Г Г =- - для плотности потока мощности z1+z (знак - означает изменение направления потока мощности на обратное) Для расчетов экранирования следует определить степень прохождения поля сквозь экран, характеризуемую коэффициентом прохождения Р. Он определяется как отношение амплитуды прошедшей (пр) сквозь границу сред волны к амплитуде падающей на границу волны.





Из волновых уравнений электродинамики: P = 1+Г Рассмотрим прохождение волны через границу «среда-экран» в дальней зоне:

ЕПР 2z2 HПР 2z1 4z1zРЕ = =, PH = =, PП =РЕРН = ЕП z1+z2 НП z1+z2 ()z1+zКоэффициент прохождения для плотности потока мощности положительный. Это показывает, что направление распространения не изменилось.

Эффективность экранирования Э при отражении - величина, обратная коэффициенту прохождения Р.

( )z1+z2, ЭОТР = z1+z2, ЭОТР = z1+zЕ Н П ЭОТР = 2z2 2z1 4z1zСоответственно можно выразить экранные затухания для каждой компоненты поля за счет отражения в дальней зоне:

z1+zЕ Е [ ] AОТР =20lgЭОТР дБ =20lg 2zz1+zН Н [ ] АОТР =20lgЭОТР дБ =20lg 2zВ ближней зоне zЕ zН и поэтому нужно определить эффективность и экранное затухание раздельно для электрической и магнитной компонент поля. В воздухе они различны по величине, а в металле одинаковы, т.е. в металле zЕ = zН = z2.

Поэтому для ближней зоны:

E H z1 +z2 z1 +zЕ Н ЭОТР =, ЭОТР = H 2z2zПосле логарифмирования:

H E z1 + zН z1 +zЕ АОТР = 20 lg [дБ] [ ], AОТР =20lg дБ H 2z2zВ ближней зоне: zЕ очень велико, и эффективность экрана для электрической компоненты поля велики, а zН мало и магнитное поле проникает в экран. Соответственно проходит в экран и мощность, поэтому в ближней зоне экранирование за счет отражения дает эффект только для электрического поля. Магнитное поле почти не отражается.

8.3. Поглощение энергии в толще экрана По мере распространения поля в металле амплитуды векторов поля затухают по экспоненте, т.е.

zo ЭПОГЛ =е ЭПОГЛ - эффективность, вызванная поглощением энергии, - толщина экрана, z0 - глубина проникновения поля в металл.

Экранное затухание:

() [ ] AПОГЛ =20lg ЭПОГЛ =20 lge=8,686 дБ, zo zo т.к. Lg e = 0,На частоте f = 1[МГц] имеем для различных материалов:

медь А = 130 [дБ]; латунь А = 62 [дБ] алюминий А = 103 [дБ]; сталь (=500) А = 1280 [дБ] На более высоких частотах глубина проникновения z0 меньше, поэтому затухание за счет поглощения больше.

Эффективность экрана за счет поглощения зависит только от свойств материала, его толщины и частоты. Она не зависит от типа поля (Е и Н) и расстояния от ИП.

8.4. Переотражение от второй (внутренней) поверхности экрана При прохождении через вторую поверхность поле переходит границу из среды с волновым сопротивлением (материал экрана) в среду с сопротивлением (воздух, открытое пространство):

z2+z3 1 z2+zЕ Н ЭПЕР =, ЭПЕР = >> 2z3 2 2zдля воздуха z3 =377[Ом] Отраженная от границы сред энергия быстро затухает в толще экрана, превращается в тепловую энергию.

При прохождении сквозь вторую границу сред электрическая компонента поля не затухает (амплитуда увеличивается в 2 раза), а магнитная компонента затухает очень быстро.

Если экран состоит из нескольких слоев «металл-диэлектрик-металл», то общее затухание может быть больше, чем у сплошного металлического экрана при той же массе.

8.5. Общая эффективность сплошного экрана Процессы отражения, поглощения и переотражения протекают друг от друга, поэтому общая эффективность сплошного экрана определяется как произведение:

ЭЭКР = ЭОТРЭПОГЛЭПЕР Соответственно общее экранное затухание определяется суммированием:

АЭКР = АОТР+АПОГЛ+АПЕР Для тонких экранов, работающих в основном на отражении и переотражении, нужно применять хорошо проводящие немагнитные материалы (Cu, Al, Ag и др.) 8.6. Пример расчета сплошного экрана Исходные данные:

материал - латунь =0,7210-7 [Омм] а = 0 =410-7 [Гн/м];

частота f = 1[МГц] (длина волны = 300 м);

расстояние от ИП r = 0,1 м (ближняя зона);

толщина экрана = 0,3 мм = 3104 м;

среда по обе стороны Э - воздух, поэтому z3 =120[Ом] = 377[Ом].

1. Волновой коэффициент:

r = 2 = 2,110-3 << 2. Волновое сопротивление материала экрана:

z = 2fo =7,5410-7 f =7,5410-4 Ом 3. Волновое сопротивление воздуха для электрической компоненты поля:

о Е [ ] z1 = =10104 Ом о 4. Волновое сопротивление воздуха для магнитной компоненты поля:

o H [ ] z1 = =0,79Ом o 5. Экранные затухания для компонент Е и Н за счет отражения:

E z1 +zЕ [ ] AОТР =20lg =161,5дБ 2zH z1 +zН [ ] АОТР =20lg =54,4дБ H 2z6. Экранные затухания для компонент Е и Н за счет переотражения:

z2+zЕ [ ] AПЕР =20lg =-6дБ 2zz2+zН [ ] АПЕР =20lg =108дБ 2z7. Экранное затухание за счет поглощения энергии в толще Э:

Е Н [ ] АПОГЛ =АПОГЛ =8,686 =18,6дБ zo Найдем общее экранное затухание для компонент Е и Н:

Е [ ] АОБЩ =161,5-6+18,6=174,1дБ Н [ ] АОБЩ =54,4+108+18,6=181дБ Учтем несовершенство конструкции экрана, т.е. отсутствие его электрической герметичности. Будем считать, что экран используется на 5% теоретической возможности, т.е. его действительная эффективность в 20 раз меньше теоретической. В этом случае нужно вычесть из полученных результатов величину:

20lg20 = 26[дБ] Окончательно получим:

Е [ ] АПОЛЕЗ =174,1-26=148,1дБ Н [ ] АПОЛЕЗ =181-26=155дБ Экран обеспечивает хорошее затухание.

8.7. Многослойные электромагнитные экраны Применяются с целью повышения эффективности экранирования в широком диапазоне частот с учетом воздействия обеих компонент поля Е и Н.

Наибольшее применение нашли трехслойные симметричные экраны благодаря своей технологии.

8.8. Принцип работы многослойного экрана Zi - волновое сопротивление слоя, Wi - направление распространения энергии.

- толщина слоя, i Рис.8.2.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.