Экранирование при конструировании ЭС

Как указывалось уже ранее, экран является основным элементом g₂ реализующим принцип р₁ изоляции защищаемого объекта от воздействующего поля. В качестве защищаемого с помощью экрана объекта выступает целый ЭС или его составные части.

Прием сигналов в линиях связи и радиолиниях осуществляется, как известно, при наличии помех. Помехи могут быть естественного и искусственного происхождения. К первым относятся атмосферные, космические и флуктуационные помехи, ко вторым – промышленные помехи. Промежуточное положение занимают радиопомехи, вызванные электростатическими зарядами.

Электромагнитные экраны предназначаются для локализации в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателем электромагнитной энергии, с целью ослабления или исключения воздействия излучателей на чувствительные элементы ЭС и аппаратуру в целом.

Экранирование призвано обеспечивать надежность ЭС, подавляя до требуемого уровня влияние электромагнитной энергии. В каждом отдельном случае выбор экранирования производится с учетом характера источника помех и чувствительных к ним элементов, их размеров, размещения, допустимой величины воздействия экрана на объект экранирования.

Для оценки функциональных качеств экранов используются различные характеристики. Наиболее обобщенной является эффектность экранирования.

Под эффективностью экранирования понимают отношение действующих значений напряженности электрического поля Е_I (магнитного поля H_I) в данной точке при отсутствии экрана к напряженности электрического поля Е₂ (магнитного поля H₂ ) в той же точке при наличии экрана

                                            Э _0Е = Е₁ / Е₂                                (30)

Здесь эффективность выражается в относительных единицах (разах). На практике обычно эффективность экранирования представляют в логарифмических единицах – децибелах (дБ), Э _Е = 20 lg Э _0Е.

Таким образом, по физическому смыслу характеристики экранов являются функциями пространства и частоты, а параметрами их можно считать ширину полосы частот, в которой определяются действующие значения напряженности поля.

Иногда действие экрана учитывают через коэффициент экранирования B, B= Е₂ / Е₁, который изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае максимальный эффект экранирования.

В технике связи эффективность экранизирования принято выражать в неперах (Нп), B = ln 1/ S = ln (Е₁ / Е₂ ).

При этом для перевода из одной системы единиц в другую может быть использован коэффициент 8,7, тогда Э _дБ = 8,7 _Hn.

Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых объектов, количественно определяемая коэффициентом реакции экрана.

При всех видах экранирования (кроме статического) из-за отражения магнитной энергии от стенок экрана, происходит взаимодействие между экраном и экранируемым устройством. Экран, защищая цепи, колебательные контура от воздействия внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего изменяются, например, магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается первичная емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты настройки, добротности колебательных контуров, потерям энергии и т.д. Все сказанное формально определяется тем обстоятельством, что объект g₁ и экран g₂ образуют новую систему S и ее параметры отличаются от параметров самого объекта g₁ .

Относительные изменения параметров экранируемых объектов можно учесть с помощью коэффициентов:

                                        P_ij = 1- Aэ_ij / Ao_ij,                            (31)

 где P_ij – коэффициент реакции экрана на i-тый параметр j-го элемента;

Aэ_ij – значение i-го параметра j-го экранируемого элемента при наличии экрана;

Ao_ij – значение первичного i-го параметра j-го элемента при отсутствии экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменения параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана, материал, из которого он должен быть, изготовлен, и условия размещения элементов внутри него.

В общем случае экранирование осуществляется с помощью электромагнитных экранов. Однако часто наблюдается преобладание отдельных видов полей, поэтому для учета их специфики различают следующие виды экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.

На низких частотах применяют электро- и магнитостатическое экранирование, а на высоких – одновременно с экранированием магнитного поля происходит экранирование электрического поля, что определяет единый процесс электромагнитного экранирования.  

А. Электростатическое экранирование

Рис. 9.3. Электростатический экран.

Если в электростатическое поле внести проводник, то в результате поляризации электроны в нем начнут перемещаться в сторону положительно заряженной пластины и на поверхности проводника, обращенной к этой пластине, возникает отрицательный потенциал, а на противоположной – положительный. Положительная и отрицательная части проводника создают собственное вторичное поле, которое равно внешнему и имеет противоположное ему направление. Следовательно, внешнее поле и поле, созданное проводником, компенсирует друг друга внутри тела и на поверхности проводника. Этим объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Этим явлением электростатической индукции и пользуются для электростатического экранирования. В самом деле, если внутри металлического тела поле равно нулю, то достаточно поместить в него защищаемое устройство, чтобы защитить его от влияния электростатического поля.

Электростатический экран является элементом, реализующим принцип P₁''' компенсации в определенном пространстве порождающего поля порожденным.

Если теперь подключить металлическую оболочку к земле (к корпусу), то заряды с внешней поверхности оболочки стекут на корпус, т. к. он обладает большой емкостью, и вне оболочки поле окажется равным нулю. Таким образом электростатическое экранирование заключается в замыкании электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электростатических зарядов в землю (на корпус). Заземление является необходимым элементом электростатического экранирования. Экраны изготавливают из материалов с высокой проводимостью, имеющие или замкнутый объем, или в виде металлической перегородки, соединенные с корпусом. Применение сеточных материалов не обеспечивает полного экранирования.

Для установления конкретных реализаций структуры (схемы) объединение экрана и защищаемого объекта исходят обычно из особенностей объекта, т.е. форма и размеры (унарное отношение R₁=íq₁, E₁ý) экрана и взаимное положение экрана и объекта (n-арное отношение Rn=íqn, Ený), определяется условиями защиты и характеристиками объекта.

Б. Магнитостатическое экранирование.

Рис.9.4. Диамагнитный экран

Магнитостатическое экранирование основано на отражении и компенсации (диамагнитный материал экрана) рис.9.4 или поглощении (ферромагнитный материал) магнитного поля в толще экрана рис.9.5.

 

 

Рис.9.5. Магнитооптический поглощающий экран

Такие экраны используют для защиты от постоянного или медленно изменяющегося переменного магнитного поля. Качество экранирования тем выше, чем больше величина магнитной проницаемости материала и чем меньше в экране стыков и швов, идущих поперек направления магнитных силовых линий. Чем больше величина магнитной проницаемости материала экрана, тем тоньше его можно делать. Для повышения эффективности экранирования в ряде случаев применяют экраны, составленные из нескольких слоев, но более тонкого материала. Требуемая эффективность экранирования может быть получена уже у двух или трехслойного экрана.

В. Электромагнитное экранирование

Заключается и том, что переменное высокочастотное электромагнитное поле, проходя через металлический лист перпендикулярно, или под некоторым углом к его плоскости, наводит в этом листе вихревые токи, поле которых ослабляет действие внешнего поля. В данном случае металлический лист является электромагнитным экраном.

С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн в его толще. Глубина проникновения представляет собой постоянную величину, характеризующую материал экрана и зависящую от частоты.

Многообразие и случайный характер факторов, определяющих эффективность экранирования, существенно затрудняет инженерные расчеты. Поэтому прибегают к обобщению экспериментальных данных и построению на этой основе формул для расчета эффективности экранирования в широком диапазоне частот.

Для установления конкретных реализаций структуры (схемы) объединение экрана и защищаемого объекта исходят обычно из особенностей объекта, т.е. форма и размеры (унарное отношение R₁=íµ₁, E₁ý) экрана и взаимное положение экрана и объекта (n-арное отношение Rn=íµn, Ený), определяется условиями защиты и характеристиками объекта.

Известно несколько способов устранения взаимных связей, не предусмотренной функциональной схемой, с помощью экранов: блочное и общее экранирование ЭС.

При поэлементном экранировании размеры экрана определяются габаритами защищаемого элемента. Экран должен вписываться в общее устройство, обеспечивать минимальную реакцию на экранируемый объект, ремонтопригодность и нормальный режим работы ЭС.

При блочном экранировании экран представляет собой кожух ЭС и должен обеспечивать нормальный тепловой режим, защиту от пыли и влажности, устойчивость к вибрации, ослабление воздействия внешних полей.

При общем экранировании экран представляет собой самостоятельное сооружение, предназначенное для зашиты от внешних полей или локализации излучения радиоэлектронного комплекса. При экранировки помещения решается целый комплекс вопросов, связанных с защитой помещения, размещением аппаратуры, вентиляцией и др.

Г. Материалы экранов

В качестве материалов экранов используют латунь, алюминиевые сплавы, электротехническую сталь и пермаллой. Сортамент этих материалов широк – от листов до порошка.

Листовые металлические материалы толщиной 1,5…2 мм. Наиболее технологичны стальные листы - могут легко свариваться.

Фольга. Толщина 0,01…0,05 мм. Алюминий, латунь. Клеится к основе. Электростатическое экранирование.

Сеточные металлические материалы. Легки, удобны в сборке и эксплуатации, хороший воздухообмен, но малая механическая прочность, стареют.

Токопроводящие краски. В пленкообразующий материал вводится токопроводящий наполнитель в виде порошка алюминия, графита, окиси металлов и др. Не нужны специальные экраны. Краска наносится на любую поверхность. Проводимость зависит от толщины покрытия, концентрации пигмента и др. Устойчивы к климатическим условиям и механическим воздействиям.

Металлизация поверхностей. Распылением наносится на любую поверхность, включая полимеры. Наиболее распространенные покрытия – алюминий и цинк. Толщина слоя зависит от свойств подложки. Но при всех равных условиях эффект экранирования металлизированного слоя хуже, чем сплошным листом той же толщины, что объясняется отличием химического состава покрытия от структуры исходного материала. Применяется для экранирования помещений и кабин.

Специальные ткани. Основа такой ткани – капроновая нить, скрученная с посеребренной медной проволокой диаметром 35…50 мкм. Так как провод изолирован, то поверхностное сопротивление такой ткани велико. Предназначена для защиты от СВЧ, шьют специальные костюмы для индивидуальной защиты.

Реальные экраны, состоящие из большого числа элементов, нельзя рассматривать как однородные. В местах стыков листов и соединений элементов ток проходит через участки с сильно уменьшенным сечением. Это приводит к местным увеличениям плотности и неравномерному распределению токов, к возрастанию сопротивления экранов и снижению эффективности в целом. Проникновение энергии через отверстия, щели и другие дефекты конструкции экрана снижает эффективность экранирования.

Конструктивно экран состоит из нескольких составных частей, которые в процессе сборки соединяются между собой разъемными или неразъемными соединениями. Кроме мест соединений в экране имеются отверстия для монтажа проводов. Чтобы уменьшить влияние подобных дефектов необходимо придерживаться определенных правил при конструировании экранов:

1) Поверхность стыка основных частей экрана не должна пересекать магнитных

силовых линий поля и линий наведенных в экран токов. Стык должен быть направлен вдоль этих линий.

 

                    Правильно                                     Неправильно

                    Рис. 9.6. Расположение стыков частей экранов.

 

2) Отверстия в экране не должны пересекать линий наведенных в нем токов, поэтому большой размер отверстия должен располагаться параллельно этим линиям.

Рис.9.7. Расположение отверстий в экранах.

 

3) При конструировании многослойных экранов каждый слой экрана должен быть изолирован от других слоев. В таких конструкциях токи, наведенные в каждом из слоев многослойного экрана, имеют свое направление. Если же слои экрана электрически соединить между собой, то наведенные токи будут взаимно компенсироваться и эффективность экрана резко упадет.

Следует отметить, что соединение листов обшивки экранов (внахлест, встыкфальц), а также контактные соединения в экранах сильно влияют наэффективность экранирования, поэтому конструктивное выполнение этих мест соединений тщательно проработаны и представлены в справочной литературе.