Характеристика металлов, применяемых для экранирования ЭМП

 

Металл	Электрическая проводимость s×106, см/м	Магнитная проницаемость m/m9	Коэффициент распространения , мм-1	Импеданс ,Ом
Медь   Алюминий Сталь Свинец	57,1   34,5 7,2 4,8

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

(6.57)

 

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя

(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

(6.59)

импеданс среды преимущественно магнитному полю

(6.60)

С увеличением расстояния от источника импеданс z^E уменьшается, а импеданс z^H увеличивается (рис. 6.51). Оба импеданса будут стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излучения (kr >> 1): z = z^EH = z_*.

Рис. 6.51. Импеданс среды для элементарных и дучателей

в зависимости от расстояния до источника:

 

 

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

(6.61)

Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экрана h необходимо знать коэффициент распространения k̂_* и импедансы z₁и z₂. Так как экран обычно изготовляют из металла, то c учетом зависимостей (6.27) и (6.56) коэффициент распространения k̂_* и импеданс z₂ будут равны:

. Более сложно определяется импеданс z₁. В зоне излучения импеданс диэлектрической среды — воздуха — будет равен (для воздуха m» m₀, e» e₀) Ом. Однако в зоне индукции импеданс z₁ зависит 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 импеданс Zi при экрани-повании электоического поля записывают в виде

(6.62)

 

где т = 2 при r_* = l/ 2 для плоского экрана; т = 1 при г_* = r —для цилиндрического экрана; т = 1/Ö2 при г_* = r - для сферического экрана (см. рис. 6.52).

 

Рис. 6.52. Конструкции экранов

 

Тогда при k̂_* << 1, что обычно достигается на низких частотах (f< 10⁴ Гц), ch k̂_*h» 1, a th k̂_*h» k̂_*h и эффективность экранирования электрического поля

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) , а для немагнитных металлов (медь, алюминий, свинец) .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 w®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 Т_П, цилиндрического Т_ц и сферического Т_с экранов при z₁ > z₂ имеют приблизительно следующее соотношение: Т_П:Т_Ц:Т_С = 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 = 2r или 2r). Таким образом, если эффективность экранирования плоским экраном принять за исходное значение е_П = 20 lg|1/T_П|, то эффективность экранирования цилиндром e_Ц = 20 lg|1/T_Ц| = 20 lg|1/T_П| =

= е_П – 20lg2» е_П -6 дБ, а эффективность экранирования сферой е_С =е_П—9,5 дБ. При экранировании магнитного поля магнитными материалами (z₂ > z₁) соотношение амплитудных коэффициентов передачи будет иметь обратную закономерность Т_П:Т_Ц:Т_С= 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 ³ 10⁹…10¹⁰ Гц), длина волны l соизмерима с диаметром экрана d, т. е. l ³ d, и эффективность экранирования носит колебательный характер (рис. 6.53). В этой области импеданс Zi при экранировании магнитного и электрического полей цилиндрическим экраном следует определять по формулам:

 

(6.63)

 

где J_n(u) и Н_п{и) — функции Бесселя* соответственно первого и третьего рода, порядка п (штрихом отмечены производные). С учетом соотношений (6.63) эффективность экранирования рассчитывают по формуле (6.61), при этом надо иметь в виду, что во многих случаях можно принять й/й «1 и пренебречь этим слагаемым.

 

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

 

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 = z^E₁ при экранировании электрического поля; z₁ = z^H₁ при экранировании магнитного поля; импеданс ; слагаемые А и множитель В = 2p h / l учитывают негерметичность экрана

где г_*» 0,62V^1/3 — эквивалентный радиус экрана любой геометрической формы (V — внутренний объем экрана); l - наибольший размер отверстия (щели) в экране; . Формула (6.64) применима в диапазоне частот, пока k₁l < 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 радиопоглоща-ющие материалы, сотовые решетки.

Эффективность экранирования электрического поля при использовании проволочных сеток

.

Здесь слагаемое А означает то же, что в выражении (6.64) (k₁l < 2), а множитель С и величину z при заданном диаметре провода d и шаге s сетки рассчитывают по формулам: С= pd/(s—d), z = 1/s₂h_*, где эквивалентная толщина сетки h_* = p d²/4s.

В сортамент фольговых материалов толщиной 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/s₂h.

Радиопоглощающие материалы изготовляют 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 решетками зависит вплоть до сантиметрового диапазона от отношения глубины к ширине ячейки.

 

 

Таблица 6.11.