Белорусский государственный университет
Информатики и радиоэлектроники
Утверждаю И.Ю. Малевич
ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Методические указания
по выполнению лабораторной работы №2
На тему: «Исследование эффективности экранов из тонколистовых металлов»
Минск 2015
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ № 2
Исследование эффективности экранов из тонколистовых металлов
1.Цели работы:
1.1 Изучение механизмов прохождения помех излучения через корпуса приборов.
1.2 Приобретение навыков расчета эффективности экранов из тонколистовых металлов и выбора материалов для изготовления экрана.
Пояснения к занятию
Краткие теоретические сведения
Экран представляет собой металлическую перегородку, разделяющую две области пространства. Он предназначен для регулирования распространения электрических и магнитных полей от одной из этих областей в другую.
Экран можно использовать для предотвращения распространения электромагнитных полей в пространство, окружающие источник шумов, если последний заключить в экран. Он может также защищать область пространства от проникновения в нее электромагнитного излучения.
Экранировать можно схемы, компоненты, кабели и системы, являющиеся источниками или приемниками шумов или и тем и другим вместе.
Рисунок 1.1 источник шума.
Рисунок 1.2 область защищенная экраном.
БЛИЖНИЕ И ДАЛЬНИЕ ПОЛЯ
Характеристики поля определяются источником, средой окружающей его н расстоянием от источника до точки наблюдения. Вблизи источника свойства поля определяются в основном характеристиками источника, вдали от источника свойства поля зависят от среды, в которой распространяется поле. Пространство, окружающее источник можно разделить на две области. Рядом с источником расположено ближнее или индуктивное поле, на расстоянии более λ/2п дальнее поле или поле получения. Область на расстоянии λ /2п является переходной между ближним и дальним полем
Отношение напряженности электрического поля Е к напряженности магнитного поля Н представляет собой полное волновое сопротивление
Рисунок. 1.3 Ближнее (индуктивное) поле и дальнее поле (поле излучения).
В дальнем поле это отношение равно полному характеристическому напряжению среды (для вакуума E/H=Z0=377 Ом).
В ближнем поле величина этого отклонения зависит от параметров источника и расстояния от него до рассматриваемой точки. Если в источнике генерируется большой ток н низкое напряжение (Е/Н<377 Ом), ближнее поле является в основном магнитным, если в источнике малый ток и большое напряжение (Е/Н>377 Ом), то в ближнем поле преобладает электрическая составляющая.
На частоте до 1 МГц почти все наводки внутри электронного оборудования определяются условиями ближнего поля, поскольку ближнее поле на этих частотах простирается на расстояние до 45 м и более. На частоте 30 кГц поле является ближним на расстоянии 1,5 км от источника. Отсюда следует, что проблему помех внутри любого оборудования нужно рассматривать как проблему ближнего поля, если только не является очевидным, что они относятся к проблемам дальнего поля.
В ближнем зоне электрическое и магнитное поле следует рассматривать раздельно, поскольку отношение их напряженностей не является постоянным. Однако в дальнем поле эта составляющая взаимодействует, образуя плоскую волну с полным сопротивлением 377 Ом, т.е. при рассмотрении плоских волн предполагается, что они порождены дальнем полем. При раздельном рассмотрении электрического и магнитного полей считается, что они соответствуют ближнему полю.
  |
Рисунок. 1.4 Ближние и дальние поля.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКРАНИРОВАНИЯ
Эффективность экранирования можно определить как создаваемое экраном уменьшение магнитного и (или) электрического поля. Обычно коэффициенты эффективности экранирования 1) выражаются в децибелах, что позволяет суммировать коэффициенты экранирования для различного рода эффектов или экранов, ослабляющих поле для получения общего коэффициента экранирования.
= 20lg(
/ 
) (дБ) (1.1)
= 20 lg(
/ 
) (1.2)
где () - напряженность падающей волны, () - напряженность прошедшей волны непосредственно на выходе экрана.
Эффективность экранирования зависит от следующих факторов: частоты, конфигурации экрана, положение внутри экрана точки, в которой производится измерение, вида ослабляемого поля, направления его распространения и поляризации.
В данной работе рассматривается экранирование, обеспечиваемое плоским листом проводящего материала. На примере простой конфигурации изучаются общие концепции экранирования и характеристики материала экрана, от которых зависит эффективность экранирования. При этом опускаются из рассмотрения эффекты, определяемые геометрической формой экрана. Результаты вычислений для плоского листа полезны для оценки относительной экранирующей способности различных материалов.
Для электромагнитной волны, падающей на металлическую поверхность, существуют два вида потерь, потери на поглощение и потери на отражение. Потери на поглощение, одинаковы для ближнего и дальнего, электрического и магнитного полей. В отличии от потерь на поглощение, потери на отражение за- висят от вида поля и полного волнового сопротивления среды. Общая эффективность экранирования материала равна сумме потерь на отражение 
., потерь на поглощение 
. и корректирующего коэффициента 
учитывающего многократное отражение.
= + ., + (1.3)
Все члены уравнения должны быть выражены в децибелах. При потерях на поглощение свыше 10 дБ и при определении экранирования электрических полей и плоских волн можно пренебречь.
Рисунок. 1.5 Потери электромагнитной волны при поглощении.
ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для любой электромагнитной волны волновой импеданс (полное волновое сопротивление) есть:
(2.1)
Полное характеристическое сопротивление среды определяется следующим образом:
(2.2)
В случае плоской волны в дальнем поле 
равно полному волновому сопротивлению 
. Для диэлектриков (
«
) выражение для полного характеристического сопротивления приобретает вид
В вакууме равно 377 Ом. В случае проводников ( «) полное характеристическое сопротивление называется полным сопротивлением экрана 
и определяется как:
(2.3)
(2.4)
Для меди на частоте 1 кГц 
=1,16- 
Ом. В общем случае для любого проводника:
(2.5)
Для вакуума 
(Г/м)
(Ф/м)
Для меди = 5,82 
(мСм/м)
ПОТЕРИ НА ПОГЛОЩЕНИЕ
При прохождении электромагнитно» волны в среде ее амплитуда уменьшается экспоненциально. Это объясняется тем, что токи, индуцируемые в среде, выбывают омические потерн и, следовательно, нагрев вещества. Таким образом, можно записать, что:
и 
(3.1)
где 
н 
- напряженность волны на расстоянии tот поверхности среды. Расстояние, которое волна должна пройти до того, как будет ослаблена в е раз, или до 37% своего первоначального значения, определяется как глубина скин-слоя:
(дБ) (3.2)
где µ - магнитная проницаемость, - удельная электрическая проводимость.
В применении к реальным веществам уравнение можно преобразовать. Подстановка численных значении 
и замена единиц измерения таким образом, чтобы глубина скин-слоя выражалась в миллиметрах, дает следующее выражение:
(дБ). (3.3)
В таблице приведены некоторые характерные значения глубины скин-слоя для меди, алюминия и стали.
Окончательное выражение для расчета потерь на поглощения имеет следующий вид:
(дБ). (3.4)
В этом уравнении tпредставляет собой толщину экрана (в миллиметрах). Значения относительной удельной проводимости и относительной магнитной проницаемости различных материалов, которые чаще всего используются для экранов, приведены в таблице.
ПОТЕРИ НА ОТРАЖЕНИЕ
Потери на отражение на границе раздела двух сред связаны с различными значениями полных характеристических сопротивлений этих сред. Напряженность волны, прошедшей из среды с сопротивлением 
в среду с сопротивлением 
, равна:
; (4.1)
. (4.2)
Здесь и представляют собой напряженность электрической и магнитной составляющих падающей волны, a и - преломленной волны.
При прохождении волны через экран она встречает на своем пути две границы раздела сред. Вторая граница располагается между средами с сопротивлениями н . Параметры волны 
и 
, прошедшей через эту границу, определяются выражениями:
Импеданс Импеданс Импеданс 
Электрическое
Поле 
 |  |
Магнитное
Поле 
; 
.
Рисунок. 1.6 Потери на отражение.
Если экран имеет толщину, значительную по сравнению с глубиной скин-слоя, общую напряженность волны, пропущенной экраном, можно найти подставив 
и 
в уравнения для 
и 
. При этом в полученных уравнениях не будут учтены потери на поглощение, которые были подсчитаны ранее.
Таким образом, для толстых экранов параметры волны, прошедшей через экран, составят:
; (4.3)
. (4.4)
Следует отметить, что хотя электрическое и магнитное поля отражаются от каждой границы по-разному, суммарный эффект после прохождение обеих границ одинаков для обоих полей. Если экран изготовлен из металла и окружает область изолятора, то 
» 
. При этих условиях наибольшее отражение (наименьшая напряженность пропущенной волны) наблюдается для электрических полей при входе волны в экран (на первой границе), а для магнитных полей - при ее выходе из экрана (на второй границе). Поскольку отражение электрических полей происходит главным образом от первой поверхности, то даже очень тонкие материалы обеспечивают большие потерн на отражение. Однако отражение магнитных полей происходит в основном от второй поверхности, и, как будет показано ниже, многократное отражение внутри экрана уменьшает эффективность экранирования. При » уравнения упрощаются:
(4.5)
. (4.6)
Если в эти уравнения подставить 
вместо , 
и , то потери на отражение для электрического или магнитного поля можно записать в следующем виде:
(дБ). (4.7)
где - волновое сопротивление до прохождения волны в экран и – сопротивление экрана.
Приведенные соотношения справедливы для потерь на отражение плоской волны, падающей на поверхность под прямым углом. Если направление падения не совпадает с нормалью к поверхности, отражение увеличивается с увеличением угла падения.
Полученные результаты применимы не только к плоской волне, так как любое поле можно получить суперпозицией плоских волн. Приведенные уравнения справедливы также для искривленной поверхности, если радиус кривизны намного больше глубины скин-слоя.
В случае плоской волны (в дальнем поле) волновое сопротивление равно характеристическому сопротивлению вакуума 
(377 Ом). Уравнениедля 
при этом приобретает следующий вид:
(дБ). (4.8)
Подставив и произведя преобразования, получим:
(4.9)
Чем меньше полное сопротивление экрана, тем больше потери на отражение. Сопротивление экрана будет минимальным при изготовлении его из материала с высокой проводимостью н малой магнитной проницаемостью.
Сравнивая медь со сталью можно отметить, что хотя сталь дает большие потери на поглощение, чем медь, однако потерн на отражение у нее меньше.
