Экраны кабелей могут быть интерпретированы как приемные или передающие антенны для электромагнитных волн. Электромагнитная волна, воздействующая на оболочку кабеля, приводит к излучению электромагнитных волн во внешнее пространство. Экранирующее действие оболочки характеризует коэффициент затухания.
где PI =U2I/Z — подводимая к испытуемому кабелю мощность; Р2 = I2Z' —измеряемая мощность вне кабеля; Z' — эквивалентное полное сопротивление связи.
Измерение наружной мощности осуществляется при помощи двух абсорбирующих клещей — на ближнем к передатчику и дальнем концах кабеля — или при помощи подвижного трансформатора тока (рис.7.3). Аналогичные проблемы обсуждаются в [Л.]).
Рис. 7.3 – Измерение коэффициента затухания экранов
кабелей поглотительными
Излучение кабелей и штепсельных разъемов возможно зарегистрировать также непосредственно приемными антеннами и тем самым оценить их экранирующее действие [Л.].
7.2 Экранирующие корпусы приборов и стенки помещений
Коэффициент экранирования замкнутой оболочки, т. е. бесшовного однородного экрана, определяемый конфигурацией, размерами стенок и материалом экрана, чаше всего очень велик (исключение составляют напыленные экраны, см. гл. 5). Он может быть оценен по формулам, приведенным в гл. 6, либо измерен устройствами, перечисленные в §8.3. Технические экраны из-за неизбежных швов и отверстий, обусловленных технологией изготовления или функционированием обычно обладают заметно меньшим коэффициентом затухания, который должен определяться путем измерений.
Коэффициент затухания экранированных помещений измеряется как разность коэффициентов без экрана и с экраном (рис. 7.4)
При измерениях в зависимости от частотного диапазона и направления поляризации применяются различные антенны (рис. 7.5).
Рис. 7.4 – Измерение коэффициентов затухания экранирующих корпусов. а — измерение без экрана (показание аб) б — измерение с экраном (показание ас)
Для измерения коэффициента затухания корпусов приборов и шкафов с электронным оборудованием необходимо установить в них возможно меньшие по размеру антенны. Так как калибровка антенны не требуется, можно применить антенны любой конструкции, рис. 7.5.
Рис. 7.5 – Антенны для измерения коэффициента затухания экранированных помещений в различных частотных диапазонах
Рис. 7.6 – Измерение коэффициента затухания корпусов приборов:
а — магнитное поле частотой 30 Гц — 3 МГц (измеритель внутри прибора);
б — электромагнитное поле частотой 30 МГц — 1 ГГц (измеритель снаружи прибора)
В зависимости от расположения антенны — перед однородными стенками, щелями и отверстиями или в центре корпуса определяются различные значения коэффициента затухания. Следует принимать его наименьшее значение. Тем самым определяются неблагоприятные условия работы устройств внутри корпуса. Измеряя поисковыми антеннами коэффициент затухания в различных местах, легко установить элементы экрана, через которые проникает поле внутрь [Л.].
В больших экранированных помещениях измерения коэффициента затухания проводятся в центре помещения (рис. 7.7).
Рис. 7.7 – Измерение коэффициента затухания по методу
средней точки пространства
В выше приведенных примерах определяется коэффициент затухания не столько экрана, сколько всего устройства с учетом влияний швов, окон в виде сот. Кроме того, результат измерения существенно зависит от диаграмм направленности антенн, и поэтому при других источниках помех коэффициент затухания в данном месте может принимать совсем иные значения.
Ввиду неоднозначности измерений коэффициента затухания указанным способом все более привлекательней становится его оценка при помощи измерений путем пропускания тока по стенке экрана [Л.]. Хотя связь между сопротивлением связи корпуса и коэффициентом затухания тоже неоднозначна, такое измерение значительно проще.
Измерения коэффициента затухания могут удовлетворительно проводиться только в тесной взаимосвязи с существующими нормами, а также при ясном понимании недостатков, присущих соответствующим методам. Более обширные сведения по этим вопросам содержатся в [Л.].
7.3 Коэффициент затухания материалов экрана
Коэффициент затухания материала экрана, т.е. чистое свойство материала, независимо от геометрических размеров подлежащего изготовлению экрана, определяется согласно рис. 7.8. Разница коэффициентов затухания без экрана и с ним является коэффициентом затухания материала
Как и в других случаях, результат измерения зависит не только от испытуемого объекта, но и от измерительной установки. Так, при различных конструкциях антенн, их диаграммах направленности и расстояниях до образца, а также различных размерах образцов, получают различные результаты измерений для одного и того же материала. Поэтому были разработаны модифицированные методики, которые, хотя тоже не приводят к единым результатам, однако в их совокупности допускают более точную оценку свойств материалов экранов [Л.].
Коаксиальная измерительная ТЕМ - ячейка со сплошным внутренним проводником. У коаксиальной измерительной ТЕМ - ячейки с внутренним проводником образец материала располагается в середине коаксиальной линии с постоянным волновым сопротивлением (рис. 7.9). Образец имеет форму шайбы, внутренний проводник ячейки проходит внутри шайбы. Тем самым измерительная установка обеспечивает условия дальней зоны. Векторы напряженностей электрического и магнитного полей ориентированы параллельно поверхности образца. Часть приходящей от измерительного генератора волны отражается, часть проходит через образец, а остальная рассеивается в образце, т.е. превращается в джоулево тепло. Коэффициент затухания электромагнитных волн определяется
для тонкостенных образцов
Рис. 7.9 – Коаксиальная измерительная ячейка для ТЕМ-волн с проходящим внутренним проводником (ASTM — Американское общество испытаний и материалов, США [Л.].
для толстостенных образцов
где d — толщина шайбы.
Измеренный коэффициент затухания зависит от качества контакта образца с внутренним и наружным проводниками ячейки. Для того, чтобы устранить влияние контакта, была разработана разъемная коаксиальная измерительная ячейка.
Разъемная коаксиальная измерительная ячейка. Для улучшения контакта с образцом в этой ячейке образец материала в форме диска расположен между торцами двух сжимаемых половин коаксиальной линии (рис. 7.10). Места соединений между половинами внутреннего и наружного проводника шунтированы емкостями. Для того чтобы учесть это емкостное влияние, проводится опыт холостого хода, при котором вместо образца устанавливается шайба в стенке наружного провода и круглая прокладка в стыке внутреннего провода заданной толщины, изготовленные из исследуемого материала.
Рис. 7.10 - Коаксиальная измерительная ТЕМ - ячейка, (NBS — Национальное бюро стандартов, США [Л.])
В сравнении с измерительной ячейкой, показанной на рис. 7.9, разъемное устройство позволяет получить более воспроизводимые и лучше согласующиеся с теорией результаты измерений. Верхняя граничная частота обеих ячеек определяется образованием высших мод и достигает приблизительно 1,6 ГГц.
Двойная измерительная ячейка. Двойная ТЕМ - ячейка служит для определения коэффициента затухания квазистатических электрических и магнитных полей и состоит из двух обычных ТЕМ-ячеек прямоугольного поперечного сечения, которые подобно направленному ответвителю связаны друг с другом электромагнитным полем через отверстие (рис. 7.11). Испытуемый образец закрепляется под отверстием, причем качество контакта играет существенную роль. В противоположность обеим вышеописанным ТЕМ-ячейкам в двойной ТЕМ - ячейке векторы напряженности электрического поля направлены нормально, а напряженность магнитного поля — тангенциально поверхности образца. Благодаря наличию двух выходов в нижней ячейке можно раздельно определить коэффициенты затухания квазистатических магнитного и электрического полей [Л.]. Сумма выходных сигналов а1 и а2 соответственно при отсутствии образца и с образцом дает коэффициент затухания электрического поля
, (7.9)
их разность – коэффициент затухания магнитного поля
. (7.10)
Рис. 7.11 – Двойная измерительная ячейка для ТЕМ-волн с апертурной связью (NBS [Л.])
Рис. 7.12 – Измерительная ячейка "дуаль - чембер" (нормы [9.22]):
а — коэффициент затухания электрического поля;
б — коэффициент затухания магнитного поля
В измерительной ячейке с экранирующим корпусом по нормам ASTM (American Society for Testing and Materials — Американское общество испытаний и материалов) [Л.] образец может быть расположен непосредственно между двумя электрическими или магнитными диполями (рис. 7.12). Векторы электрической и магнитной напряженности полей ориентированы в этом устройстве нормально к поверхности образца (имитация ближней зоны).
Из-за собственных резонансов и неоднородного распределения поля результаты измерений коэффициента затухания слабо согласуется с результатами, полученными другими методами или расчетами.
Коэффициент затухания может быть определен путем измерения сопротивлений связи [Л.], а также расчетом во временной области [Л.].
7.4 Коэффициент затухания уплотнений
Действие электромагнитных экранов основано на образовании токов в экранах. Швы и щели в корпусе экрана, крышке и дверцах затрудняют прохождение тока и должны, поэтому перекрываться проводящими уплотнениями. Качество уплотнения проверяется устройством, показанном на рис. 7.13.
Рис. 7.13 – Устройство, проверяющее качество уплотнений
Эта установка аналогична устройству для измерения сопротивления связи
. (7.11)
Чем меньше падение напряжения на уплотнении при заданном токе, тем лучше экранирующее действие уплотнения. Для обобщения результата измерения учитывают сопротивление связи единицы длины уплотнения. Сжатие уплотнения следует выбирать по рекомендациям изготовителя. Конструкции уплотнений, укладываемых в канавки, должны предусматривать канавки, как в подвижной части, так и в опорной пластине.
Для ослабления влияния емкостной связи в месте уплотнения при высоких частотах опорная пластина в местах контакта выполняется перфорированной. Так как экранирующее действие в основном зависит от удельной проводимости уплотняющего элемента, то оценка качества уплотнения проводится при помощи источника постоянного тока и омметра.
7.5 Коэффициент затухания, обусловленный поглощающими стенами
Электромагнитные волны испытывают у препятствий частичное или полное отражение. При интерференции падающих и отраженных волн возникают стоячие волны с неподвижными в пространстве узлами и пучностями.
Рис. 7.14 – Образец стоячей волны перед проводящей стенкой
На рис. 7.14 показана стоячая волна перед проводящей экранирующей стенкой. Если 
, то это означает, что мгновенное значение напряженности падающей волны 
на проводящей поверхности в каждый момент времени компенсируется таким же мгновенным значением противоположной полярности (отраженная волна). Следовательно, наложение падающих и отраженных волн всегда приводит к образованию узла у проводящей стенки и узлов перед стеной на расстояниях R/2 друг от друга. Отличные от нуля мгновенные значения амплитуд стоячей волны ограничиваются огибающей, показанной штриховыми линиями на рис. 7.14. Максимальное значение огибающей соответствует двойной амплитуде падающей волны.
Рис. 7.15 – Образец стоячей волны перед плохо проводящей стенкой
Если стенка изготовлена из плохо проводящего материала,
напряженность Е в стенке отличается от нуля, и в этом случае отражается только часть волны. Наложение падающей волны и волны, отраженной с меньшей амплитудой, приводит к огибающей, показанной на рис. 7.15. Падающая и отраженные волны имеют различные амплитуды, их наложения приводят к образованию бегущей волны. Следует иметь в виду, что огибающая не является синусоидальной функцией. Отношение максимального и минимального значений огибающей называют коэффициентом стоячей волны:
(7.12)
Коэффициент стоячей волны принимает значение 1, если препятствия отсутствуют, т.е. не возникает отраженная волна; он становится бесконечно большим при полном отражении у идеально проводящей стены (
).
При известном коэффициенте стоячей волны может быть легко рассчитан коэффициент отражения
. (7.13)
Значение коэффициента отражения колеблется между 0 и 1 и может быть как положительным, так и отрицательным. При известном коэффициенте отражения коэффициент стоячей волны определяется как
. (7.14)
Если относительная магнитная и диэлектрическая проницаемости материала стенки отличается от единицы, то коэффициент отражения является комплексным числом
(7.15)
и в (7.14) следует подставить модуль коэффициента отражения
. (7.16)
На рис. 7.16 показана измерительная установка. Все элементы
Рис. 7.16 – Измерительная установка для определения коэффициента стоячей волны и коэффициента отражения, вызываемого поглощающими стенами
установки механически закреплены на тележке из диэлектрического материала (сухого дерева). Путем горизонтального перемещения на расстояния, которые малы по сравнению с расстоянием между антенной и поглощающей стенкой, могут быть измерены направленным ответвителем и измерительным приемником максимальные и минимальные значения напряженности с интервалом А/2. Коэффициент отражения определяется из максимальных и минимальных значений напряженности в соответствии с (7.13), а коэффициент затухания:
. (7.17)
Коэффициент стоячей волны рассчитывается из (7.12).
Результаты измерений зависят не только от геометрических размеров и коэффициента затухания материала поглотителя, но и от диаграммы направленности примененной антенны и угла падения электромагнитной волны [Л.].
Они зависят и от многократных отражений от стенок потолка и пола безэховой камеры электромагнитных волн, сложность которых понятна из схематического их представления на рис. 7.14 и 7.15. Например, на рис. 7.17 показано распределение напряженностей электрического поля при частоте 50 МГц в безэховой измерительной камере.
7.6 Коэффициент затухания фильтра
Коэффициент затухания, вносимый фильтром, измеряется обычно в системах, согласованных со стороны входа и выхода, причём различают коэффициенты затухания симметричных, асимметричных и несимметричных напряжений помех (рис. 7.18).
Рис. 7.17 – Распределение электрического поля в безэховой
камере при частоте 50 МГц
Рис. 7.18 – Измерение коэффициента затухания фильтра в согласованной системе:
а) - для симметричных помех;
б) - асимметричных помех; в) - несимметричных помех
Получаемое таким образам значение коэффициента затухания фильтра в своей информативности ограничено согласованными системами с определенным сопротивлением (например, 50 Ом, 600 Ом) малым уровнем сигналов, т.е. токами, при которых катушки индуктивности с ферромагнитными элементами ведут себя линейно. Эти условия, как правило, у фильтров, предназначенных для высокочастотных цепей или систем связи и т. д., выполняются. При других сопротивлениях источника и нагрузки получаются совершенно другие значения коэффициентов затухания. Если сопротивление источника и нагрузки существенно меньше 50 Ом, как, например, у сетевых фильтров, то через последовательно включенные катушки индуктивности фильтра течет ток, который может привести к насыщению железные сердечники. В этом случае фильтры с одинаковым паспортным значением коэффициента затухания могут иметь фактические различающиеся коэффициенты.
Кроме того, могут возникать резонансные явления, если источник питания или нагрузка обладает полным сопротивлением с большой реактивной составляющей. Следовательно, более точные характеристики фильтра могут быть получены лишь из конкретной схемы с учетом реальных условий эксплуатации, учитывающих не только частотные линейные свойства, но и значения сигналов. Полезными в этом отношении могут оказаться измерения с подмагничиванием постоянным или переменным током, а также с усилителями мощности [Л.].
