Эффективность экранирования магнитной составляющей поля
advertisement
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА На тему «Моделирование и расчет эффективности экранирования реальных конструкций» Студент группы РБ-71 Ерохин Ярослав Игоревич Научный руководитель К.т.н. Доцент кафедры РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ, Захарова Светлана Сергеевна Консультанты: Старший преподаватель кафедры РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ, Крючков Николай Михайлович Аспирант МИЭМ НИУ ВШЭ, Дмитрий Демский Викторович Москва, 2013 г. Оглавление Введение .............................................................................................................................3 2. ТЕОРИЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ .....................................................................................5 2.1 Эффективность экранирования ..................................................................................5 2.2 Ближняя и дальняя зоны .............................................................................................6 2.3 Разновидности экранирующих материалов ............................................................13 2.4 Зависимость эффективности экранирования от частоты ......................................15 2.5 Влияние апертур на эффективность экранирования ..............................................16 3. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС..............................................................................21 3.1 Экранирование низкочастотных магнитных полей ...............................................21 3.1.1 Шунтирующее действие магнитного экрана .......................................................23 3.1.2 Экранирование в режиме вихревых токов ...........................................................30 3.1.3 Комбинированный режим шунтирования и вихревых токов.............................33 3.2 Электростатическое и электродинамическое экранирование ...............................37 3.2.1 Металлический экран в электрическом поле .......................................................37 3.2.2 Заземляющие перемычки и оплетки .....................................................................42 3.2.3 Диэлектрические экраны .......................................................................................45 3.2.4 Экранирование поля диполя ..................................................................................47 4. РОЛЬ ЭМС В ПРОЕКТИРОВАНИИ ...................................................................49 4.1 Стандартизация......................................................................................................50 4.2 Военное применение ЭМС .......................................................................................54 4.3 Оценка эффективности экранирования реальных конструкций ...........................56 4.4 Концепция измерения эффективности экранирования..........................................57 5. Моделирование расчета эффективности экранирования с учетом геометрических параметров апертур реальных конструкций .............................................................................59 Заключение.......................................................................................................................66 Список литературы ..........................................................................................................67 2 Введение Неуклонный рост быстродействия электронных средств приводит к повышению их чувствительности к воздействию внешних электромагнитных полей. Так же за последние десятилетия существенно расширился рабочий диапазон частот и возросли уровни мощности электромагнитных воздействий, увеличилось число источников помех самой разнообразной природы. Интеграция рынка и расширение действия стандартов ЭМС заставляют производителей все больше уделять внимания методам и средствам обеспечения ЭМС. Экранирование является одним из основных методов защиты электронной аппаратуры от внешних дестабилизирующих электромагнитных воздействий или устранения повышенных уровней помехоэмиссии от аппаратуры. По этим причинам экранирование является одним из важнейших факторов обеспечения ЭМС Системы управления с использованием полупроводниковых элементов, и особенно основанные на применении процессоров, стали выполнять многие функции, которые раньше возлагались на электромеханические или аналоговые устройства, такие как элементы релейной логики или пропорциональные контроллеры. В отличие от устройств с жесткими программами, применявшихся ранее для выполнения конкретных задач, программируемые электронные системы основаны на использовании цифровых систем, соединенных с общей шиной, в которой в соответствии с программным обеспечением обрабатывается множество сигналов. Такая структура не только более восприимчива к электромагнитным помехам, потому что для изменения состояния элемента необходим низкий уровень энергии, но и результат воздействия помехи невозможно предсказать, так как случайный импульс может или нарушить, или не нарушить функционирование системы в зависимости от его временного положения по отношению к состоянию внешнего тактового генератора, передаваемых данных и состояния исполняемой программы. Длительная помеха может не 3 оказывать влияния на работу схемы до тех пор, пока ее уровень ниже, чем пороговый уровень логических устройств, но когда помеха увеличивается дальнейшее функционирование процессора будет полностью нарушено. Возрастание функциональной сложности приводит к тому, что становятся возможными отказы системы в целом и неожиданные аварийные режимы работы. Очевидно, что последствия воздействия помехи на систему управления будут зависеть от характеристик контролируемого процесса. В некоторых случаях нарушение процесса управления может привести к экономическому ущербу или опасности для жизни. Объем усилий, прикладываемых для обеспечения ЭМС будет зависеть от ожидаемых последствий нарушения функционирования системы. Целью данной работы является оценка эффективности экранирования с учетом геометрических параметров апертур реальных конструкций Задачи для достижения цели: Анализ методики расчета неоднородных экранов; Анализ применяемых для экранирования материалов; Моделирование зависимости эффективности экранирования от геометрических параметров апертур на базе SECalculator; Разработка рекомендаций к экспериментальному стенду. Актуальность проведения работы: Отсутствие в учебном процессе кафедры РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ инструментов экранированных для измерения блоков ЭС напряженности для вычисления поля внутри эффективности экранирования, а так же их моделирования; Отсутствие в курсе ЭМС лабораторных работ и устройств по измерению и моделированию эффективности экранирования. 4 2. ТЕОРИЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ 2.1 Эффективность экранирования Эффективность экранирования определяется по формуле S 20 lg E , дБ , EЭ (1.1) где Е — электрическая (или магнитная Н) составляющая поля до установки экрана; EЭ — электрическая (или магнитная HЭ) составляющая поля после установки экрана. Очевидно, что эффективность экранирования и коэффициент экранирования связаны соотношением S 20 lg Эффективность 1 20 lg K , дБ . K экранирования является основным показателем качества экрана, характеризующим его способность снижать уровень электромагнитной энергии, как воздействующей на рецептор, так и исходящей от излучающего источника. Выражение (1.1) определяет потери, и поэтому значение S всегда положительно. В общем случае электромагнитного экранирования степень ослабления, обеспечиваемая экраном, зависит от трех механизмов. Первый это отражение электромагнитной волны от экранирующего барьера. Второй — поглощение волны по мере ее прохождения через металлический барьер (экран). Третий — многократные отражения электромагнитной волны внутри экрана от границ раздела сред «металл—воздух» и «воздух—металл». В общем случае эффективность экранирования определяется, как было сказано выше, тремя составляющими: S R A B, дБ , 5 где R — составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе волны в экран; А – определяет эффективность экранирования за счет поглощения электромагнитной волны в толще экрана; В характеризует потери за счет многократных отражений в толще экрана. Рис. 1.1. Представление прохождения плоской электромагнитной волны через экран 2.2 Ближняя и дальняя зоны Ряд базируется важных на вопросов проектирования знаниях структуры системы экранирования электромагнитного поля. Электродинамическое рассмотрение данной задачи даёт ее описание во всей полноте. Но для многих практических случаев решения достаточно сложны или вообще не могут быть получены. Определенные обоснованные упрощения с вполне приемлемым результатом для инженерной практики существенно облегчают решение поставленной задачи. Подобные упрощения 6 вводятся при разработке систем экранирования. Для их обоснования необходимо рассмотреть элементы теории распространения электромагнитных волн. Распространяющиеся электромагнитные волны имеют две компоненты в виде вектора Е напряженности электрического поля (В/м) и вектора Н напряженности магнитного поля (А/м). Они ортогональны и находятся в одной плоскости, нормаль к которой определяет направление распространения электромагнитной волны. Параметры электромагнитного поля характеризуются свойствами источника излучения, средой вокруг источника и на пути распространения волны, а так же расстоянием между источником и точкой наблюдения волны. 7 Соотношение между напряженностями Е электрического поля и Н магнитного поля определяет волновое сопротивление Z среды распространения: Z = E/H, Ом В непосредственной близости от источника электромагнитное поле характеризуется внутренними свойствами источника. Источники с высоким волновым сопротивлением могут быть представлены в виде электрического диполя (антенна-штырь). В окрестности этого диполя формируются относительно интенсивное электрическое поле и слабое магнитное поле, чему соответствует весьма высокое (приблизительно 3000 Ом) волновое сопротивление среды в непосредственной близости от диполя. Источники помех, модель которых представлена в виде токовой петли (магнитного диполя), создают интенсивное магнитное поле и слабое электрическое в непосредственной близости от источника. Эти определяет согласно (1.10) достаточно малое волновое сопротивление среды в окрестностях источника (приблизительно 30 Ом). Высокое н низкое волновое сопротивление среды характерно только в непосредственной близости от источника помех. По мере удаления от источника волновое сопротивление Z среды стремится к волновому сопротивлению свободного пространства 377 Ом, что соответствует режиму распространения плоской электромагнитной волны. Принято считать что при расстоянии от источника, равном λ/2π. где λ - длина волны синусоидального колебания, плоская электромагнитная волна полностью сформирована и волновое сопротивление для нее составляет 377 Ом. На рисунке ниже показана граница, после которой можно говорить о сформировавшейся плоской электромагнитной волне. Наличие такой границы позволяет разделить всю область распространения электромагнитных волн на две зоны: 8 ближнюю, охватывающую область от источника до границы, расположенной на расстоянии λ/2π; дальнюю, простирающуюся от границы λ/2π до бесконечности. Очевидно, что никакого резкого перехода между зонами быть не может. Поэтому всегда имеет место некоторая переходная зона формирования плоской электромагнитной волны. На рис. 1.25 показано изменение волновых сопротивлений различных источников при удалении от них. Например, для частоты 100 МГц длина волны составляет 3м, и граница между ближней и дальней эонами будет расположена на расстоянии примерно 0,5м. Чем выше частота, тем ближе к источнику находится граница между зонами. На очень высоких частотах практически все пространство будет соответствовать дальней зоне. 9 Для выделенных зон характерны следующие особенности. В ближней зоне преимущественно действует механизм индукции с достаточно четким разделением на магнитную и электрическую составляющие, что требует отдельного рассмотрения электрического и магнитного экранирования. При наличии индукции источник и рецептор связаны силовыми линиями, и задача экранирования состоит в перехвате этих линий и замыкании на заземленные элементы конструкции (для электрического поля) или в направлениях их в сторону от рецепторов (магнитное поле). Интенсивности основной компоненты в ближней зоне уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния от источника, а другой компоненты – обратно пропорционально квадрату расстояния. Переходная зона – зона формирования плоской электромагнитной волны. В дальней зоне распространяется плоская электромагнитная волна (Тволна). Электромагнитное поле отрывается от источника и распространяется в пространстве с постоянном волновым сопротивлением. Поэтому в дальней 10 зоне поле будет абсолютно одинаково по своей структуре (соотношение между Е и Н) для любого источника. Это, кстати, придает однозначности результатам измерений на помехоэмиссию, которые проводятся при расположении антенн в дальней зоне. Интенсивности электрической и магнитной компонент поля в дальней зоне уменьшается обратно пропорционально удалению от источника. К сожалению, тип источника известен только в частных случаях (например, трансформатор как источник магнитного поля). Поэтому, экранирование в ближней зоне требует априорных знаний свойств источника. Очевидно, что для дальней зоны тип источника не имеет значения, поскольку в любом случае воздействующее поле будет представлять собой плоскую электромагнитную волну. Особенности экранирования в ближней зоне Если сигнал гармонический с определенной частотой f, то для него может быть определена длина волны λ = vc/f, где vc – скорость света в свободном пространстве. При импульсном сигнале длина волны рассчитывается для высокочастотных составляющих спектра сигнала. Как будет показано далее, максимальной проникающей способностью через апертуры обладают наиболее высокочастотные составляющие спектра сигнала. Максимальная спектральная составляющая определяет минимальную длину волны и, следовательно, минимальное расстояние, на котором расположена переходная зона между ближней и дальней зонами. Для других, менее высокочастотных, составляющих эта граница будет удалена от источника электромагнитных возмущений. Таким образом, при произвольном сигнале и фиксированном расстоянии между источником и рецептором помех последний может для одних частот находиться в ближней зоне, а других – в дальней. 11 Для выделенных зон, как отмечалось ранее, характерны следующие особенности. В ближней зоне преимущественно действует механизм индукции с доминантным эффектом магнитной или электрической составляющей, что требует отдельного рассмотрения электрического или магнитного экранирования. Дальняя зона – зона действия плоской электромагнитной волны, для которой следует рассматривать электромагнитное экранирование. Таким образом, при анализе экранирования необходимо разделять задачи экранирования электрического, магнитного и электромагнитного полей. В ближней зоне, поскольку «электрический размер» расстояния от источника до границы меньше длины волны, процессы определяются в квазистатическом приближении. В дальней зоне процессы более сложные и требуют электродинамического анализа. Принимая во внимание спектральный состав информационных сигналов и электромагнитных воздействий, при проектировании экранов в ряде случаев приходится учитывать особенности их работы как в дальней зоне, так и в ближней, ориентируясь на свойства источника излучений. Структура поля в ближней зоне зависит от типа источника излучений. К сожалению, он известен только в частных случаях. Поэтому разработка экранов для аппаратуры, работающей в ближней зоне, нуждается в тщательном анализе типа источника. При этом методы и способы экранирования для электрического поля будут принципиально отличаться от приемов экранирования магнитного поля. Очевидно, что для дальней зоны тип источника не имеет значения, поскольку в любом случае будет сформирована плоская электромагнитная волна и методы экранирования окажутся едиными для любого источника. 12 2.3 Разновидности экранирующих материалов Экранирующие материалы весьма разнообразны и включают в себя металлы, сплавы, пластические массы с наполнителями, слоистые, тканые и композиционные материалы. Во всех случаях базовым требованием является высокая проводимость, а для экранирования магнитных полей – высокая магнитная проницаемость. Разработка новых материалов сводится к поиску технических решений, которые позволяют обеспечить их высокие электрические показатели и хорошую технологичность. В ряде случаев существенную роль играет масса экрана, что так же привносит ряд специфических требований при выборе экранирующих материалов. Все это осложняет их классификацию. 13 Классификация экранирующих материалов Назначение Материал Примеры изделий Изготовление Металлические Корпуса, металлических корпусов листы из стали, медных перегородки, локальные и экранирующих и алюминиевых сплавов экраны пластин Металлические Воздуховодные листы с отверстиями, панели, смотровые окна металлические сетки Для придания электропроводящих Материалы с обработанной Металлические фольговые ленты, свойств пластмассовым электропроводящей слоистые материалы с корпусам металлической фольгой поверхностью Повышение Медь и медные Пружинные целостности сплавы, обладающие проводящие экранирования пружинными уплотняющие свойствами прокладки Проводящие Проводящие резины прокладки широкой номенклатуры, как из Проводящие органические эластомеров, так и в высокомолекулярные комбинации соединения металлическими с элементами Выполнение оптически апертур Прозрачный прозрачных материал: пластмасса стекло Экранирующие или смотровые окна для приборов и шкафов и экранирующие окна для помещений и строений 14 2.4 Зависимость эффективности экранирования от частоты Эффективность экрана по отношению к электрическому полю равна или выше, чем для плоских волн, а по отношению к плоским волнам равна или выше, чем к магнитному полю. Область, где с ростом частоты начинает расти эффективность для плоских волн, является началом зоны потерь на поглощение. Она возникает в ситуации, при которой толщина металла становится соизмеримой с глубиной скин-слоя и больше его. Тонкие материалы из металлов с низкой относительной магнитной проницаемостью не работают как защита от магнитных низкочастотных полей. Так, эффективность алюминиевой фольги толщиной 40 мкм будет 130 дБ для электрического поля и плоских волн во всем спектре частот, но с другой стороны, у нее нулевая эффективность по отношению к магнитным полям частоты 50 Гц. 15 Следует отметить, применение формул для расчетов электродинамических экранов в случае ближней зоны и квазистатического режима работы требует критического анализа. Для ближней зоны на низких частотах пользуются другими соотношениями. 2.5 Влияние апертур на эффективность экранирования В реальных ситуациях защитные свойства экранов снижаются из-за щелей, отверстий для элементов управления и кабелей, резонансных эффектов полостей и т.д. Строго учесть эти факторы – чрезвычайно сложная задача, и в инженерной практике удобно использовать поправочные коэффициенты, корректирующие неидеальность экрана. Это один из распространенных подходов, поскольку строгое решение задачи получения адекватных моделей для неоднородностей в экране не гарантирует приемлемых по точности решений. При конструировании экранов утечки должны быть определены для одного или нескольких ниже приведенных вариантов апертур: Соединения: стыковые; резьбовые; обжимные; паяные. Дверцы, крышки, люки: открывающиеся редко; открывающиеся часто. Вводы трубопроводов: вентиляции; кондиционирования; 16 охлаждение и отопление. Отверстия и щели для: соединений; предохранителей; линий питания; сигнальных и управляющих кабелей; оптоволокна; потенциометров; окон; индикаторов состояния; кнопок; выключателей. Неоднородные зоны: оплётки; сетки. 17 На рисунке 4.26 показана физическая картина проникновения электрического и магнитного полей через апертуру в экране. Если силовые линии попадают в экранированную полость, то велика вероятность воздействия поля на кабели и провода, расположенные в его зоне. При конструировании экранов следует предусмотреть меры по снижению отрицательного влияния апертур. Конструкция корпуса может вызвать падение эффективности из-за стоячих волн, вызванных резонансными эффектами на высоких частотах. Другая причина уменьшения эффективности – усиление поля в его углах и на острых краях. Это имеет место при высоком уровне поля вблизи резкой смены металлической стенки. Усиление происходит из-за завихрения поля в неровностях. Отрицательное действие данного фактора снижается путем 18 выполнения углов с возможно большими радиусами сопряжений, что приближает форму экрана к оптимальным конфигурациям сферы или цилиндра. В инженерных расчетах, принимается, что все утечки складываются вместе когерентно, и когерентно же их сумма складывается со значением эффективности экранирования. Это самый плохой случай, потому что фазы полей утечек могут быть как одинаковы, так и различаться случайным образом. Обычно преобладают только один или несколько путей утечек, и поэтому приемлемо пользоваться наихудшим когерентным случаем. Расчет суммарной эффективности экранирования с учетом утечек через апертуры ведется по формуле: 𝑛 𝑆𝛴 = −20lg[𝐾 + ∑ 𝐾𝑎𝑝𝑛 ], дБ, 𝑖=1 где К – коэффициент экранирования сплошного экрана; Kapn – коэффициент экранирования в зоне n утечки, n – число зон апертур, вызывающих утечки. Данная формула соответствует худшему случаю, когда складываются значения коэффициентов экранирования отдельных путей прохождения электромагнитной волны. Напомним, что коэффициент экранирования отражает относительное ослабление электромагнитной волны, прошедшей через экран, и всегда меньше единицы. Зная эффективность экранирования, выраженную в децибелах, можно рассчитать коэффициент экранирования по формуле: 𝐾 = 1 10𝑆/20 . Эффективность экранирования идеального экрана, обусловленная применяемым материалом, не играет решающей роли. При наличии апертур суммарная эффективность экранирования будет определяться эффективностью экранирования зон апертур. Поэтому именно этим зонам 19 следует уделять повышенное внимание при разработке конструкции экранирующих корпусов или при создании экранирующих систем в зданиях и помещениях. Там, где общая эффективность относительно невысокая, скажем, меньше 40 дБ, обычно хорошо взаимоувязаны практика с теорией. Если полная эффективность лежит в пределах от 40 дБ до 100 дБ, то эта связь может варьироваться от хорошей до плохой в зависимости от степени отклонения однородности экрана от идеальной, частоты поля и конструкторского выполнения апертур. Когда теория с практикой связаны плохо, реальные показатели, как правило, всегда ниже расчетных. Например, если теоретическая эффективность экранирования превышает 100 дБ, то это значение наверняка не совпадёт с практикой, потому что в обычных условиях оно будет меньше из-за наличия в экране неучтенных апертур. Следует иметь в виду, что для магнитных материалов их магнитная проницаемость меняется как от интенсивности магнитного поля, так и от частоты, особенного на частотах выше килогерца. Начиная со 100 кГц, магнитная проницаемость у многих из них приближается к единице. Поэтому 20 применимость материалов с высокой магнитной проницаемостью на высоких частотах должна быть всесторонне изучена. 3. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС 3.1 Экранирование низкочастотных магнитных полей Один из наиболее сложных случаев экранирования – магнитное. Это объясняется рядом факторов (приближенностью математических моделей эффекта магнитного экранирования, разнообразием применяемых материалов и их параметров, неопределенностью направления магнитного поля), которые следует учитывать при конструировании экранов. Кроме того, значительная масса и нетехнологичность магнитных экранов с приемлемой эффективностью экранирования являются дополнительными ограничениями. Определение места расположения источника магнитного поля, его интенсивности и поляризации, что важно для обоснованного проектирования магнитного экрана, в практических случаях представляет значительные трудности. С достаточной очевидностью определяются магнитные поля от различных низкочастотных источников с большими токами, в частности, от трансформаторов, дросселей, проводов и кабелей систем электропитания. Большую практическую цену имеют задачи экранирования постоянного геомагнитного поля. В ближней зоне их решение основано на квазистатическом приближении. Эффективность магнитного экранирования определяется магнитной проницаемостью и другими магнитными параметрами применяемого металла, формой экрана, числом его слоёв. Применяемые подходы теоретической оценки эффективности магнитостатического экранирования могут существенно отличаться от реальных ситуаций, поскольку экраны содержат отверстия, щели и места стыков отдельных фрагментов их конструкций. Кроме этого, имеющиеся ограничения по массо-габаритным 21 параметрам в большинстве случаев не позволяют реализовать требования по толщине экрана, которые вытекают из теоретических расчетов. Поэтому, целесообразно в инженерной теоретический анализ для практике определения проводить приближенный направлений последующего проектирования и влияния параметров экрана на его эффективность. Конечное значение эффективности экранирования и подтверждается экспериментальными данными. Анализ в квазистатическом приближении работы магнитного экрана может основываться на двух различных механизмах его работы: 1. Шунтирующее действие материала с высокой магнитной проницаемостью. Такие материалы «притягивают» силовые линии магнитного поля и шунтируют магнитный поток, разрежая область около экрана от силовых линий. Этот механизм особенно эффективно проявляется на низких частотах и при постоянном поле. Тогда степен ослабления магнитного поля определяется магнитной проницаемостью материала экрана, его геометрией и толщиной стенки. В любом случае, чем выше магнитная проницаемость, тем эффективней экран; 2. Компенсация внешнего магнитного поля вихревых токов экрана. Наведенные внешним, изменяющимся во времени, магнитным полем вихревые токи в стенке экрана создают связанные с ними магнитные поля, направление которых противоположно направлению возбуждающего поля. При этом происходит некоторая компенсация внешнего поля, что определяет эффективность его ослабления. Такой механизм типичен для переменного магнитного поля. В данном случае существенную роль играет проводимость материала, которая должна быть минимальной при возможно большей магнитной проницаемости. Здесь также важны геометрия экрана и толщина его стенок. Следует иметь в виду, что на частотах около 100кГц магнитная проницаемость большинства магнитных материалов резко снижается. 22 Модели на основе шунтирующего действия экрана целесообразно применять в ближней зоне при относительно низких частотах, а модели на основе компенсации – при частотах в десятки килогерц. Геометрия экрана является серьезным фактором анализа его эффективности. Реальные конструкции экранирующих корпусов произвольной формы при наличии множества апертур практически не поддаются точному расчету. Для инженерных оценок используют упрощенные геометрические формы и, прежде всего, бесконечно длинный цилиндр и сферу, которые обеспечивают наилучшие показатели экранирования. Поэтому следует стремиться к такой конфигурации экранов, а при невозможности их реализации избегать изменения направлений стенок экрана под прямым углом и обеспечивать максимально возможный радиус сопряжения. 3.1.1 Шунтирующее действие магнитного экрана Если материал с магнитной проницаемостью μ расположить в воздухе, то на границе раздела сред для вектора Н напряженности магнитного поля и магнитной индукции В должны соблюдаться условия непрерывности: тангенциальной компоненты магнитного поля Н; нормальной компоненты магнитной индукции В. Поскольку в воздухе В=μ0Н, а в некотором материале В=μН, магнитное поле и магнитная индукция должны менять направление на границе раздела сред. Изменение направления магнитного потока на границе двух сред с различными магнитными проницаемостями определяется выражением: tga1/tga2=μr1/μr2, где a1 и a2 – углы преломления. 23 Если магнитная проницаемость одной среды бесконечно велика, то угол a1 стремится к 90 градусам и поток выходит из среды с μ r1 (с бесконечно большой магнитной проницаемостью) под прямым углом. Хотя сред с бесконечно большой проницаемостью нет, тем не менее практически считают, что магнитные силовые линии нормальны (перпендикулярны) к поверхности ферромагнитных тел. В целом эффективность магнитостатических экранов невелика. Она зависит от μ экрана (чем больше, тем лучше) и толщины его стенки (чем больше до определенного предела, тем лучше). Например, экран из материала «Армко» (специальный сплав с μ=3000) при радиусе 40 см и толщине 1 см обеспечивает эффективность экранирования примерно 37,5 дБ. Такой экран сложен и в значительной мере эффективность магнитного экранирования определяется наличием апертур и рядом других факторов. Для цилиндрического и сферического представления геометрии экрана возможны две ситуации расположения источника, рецептора и экрана между ними. В первом случае эффективность экранирования рассчитывается для области внутри экрана при воздействии однородного магнитного поля от удаленного источника вне экрана. Во стором случае рассматривается некоторый источник поля в виде диполя, расположенный в центре экранированной области, и эффективность экранирования оценивается по отношению к внешней области. 24 2. 1 Шунтирование внешнего магнитного поля: а) сечение экрана; б) картина поля Понятие «диполь» имеет различное представление для цилиндрического и сферического экранов. В протяженном цилиндре дипольный источник коаксиальных с имеет цилиндром, вид двух которые протяженных несут токи проводников, противоположных направлений. Для сферического экрана дипольный источник образует круговую петлю тока, чей центр расположен в центре среды. 25 2.2 Альтернативные геометрии экранирования: а) экранируется рецептор от внешнего поля; б) экранируется источник (1 – область воздействующего поля, 2 – защищенная экраном область) Таким образом, при анализе магнитного экранирования на основе модели шунтирования можно выделить четыре варианта: 1) цилиндрический экран в однородном поле; 2) сферический экран в однородном поле; 3) цилиндрический экран с линейным диполем; 4) сферический экран с токовой петлей. Для 1 и 2 вариантов магнитное поле внутри экранированной области будет однородным для всей области при однородном воздействующем поле. Для вариантов 3 и 4 интенсивность поля в зоне 2 уменьшается по некоторому закону в зависимости от расстояния до экрана. Кроме того, конфигурации с однородным полем и с диполями удовлетворяют условию взаимности: экран обеспечивает такую же эффективность экранирования от однородного внешнего поля, как и при внутреннем дипольном источнике. Для протяженного цилиндрического экрана с относительной магнитной проницаемостью μ, внутренним радиусом ri и внешним радиусом r0 коэффициент экранирования любого источника равен: 𝐾𝑐 = 4𝜇𝑟 𝑟𝑖2 2 (𝜇𝑟 + 1) − 2 (𝜇𝑟 − 1)2 𝑟0 26 Для оценки предельных значений эффективности экранирования рассмотрим два случая: малая толщина стенки экрана и бесконечно большая толщина стенки. При этом μr >> 1. В первом случае, когда толщина 1 стенки экрана мала по сравнению с его внутренним радиусом, а магнитная проницаемость существенно больше 1. Кс = 2(1/μr)(ri/t) Из формулы выше видно, что чем больше относительная проницаемость материала экрана и толще его стенки, тем меньше значения коэффициента экранирования, т.е. выше эффективность экранирования. Кроме этого, при уменьшении внутреннего радиуса экрана эффективность экранирования повышается, что говорит о целесообразности выполнения магнитных экранов в виде сфера или цилиндров минимальных размеров. Зависимость коэффициента экранирования цилиндрического экрана от отношения толщина его стенки к внутреннему диаметру при различных относительных магнитных проницаемостях. Из графиков видно, что при увеличении толщины стенки экрана коэффициент экранирования уменьшения нелинейно. Во втором случае при значительном возрастании толщины стенки экрана справедливо неравенство r0 >> ri. Тогда при μr >> 1 коэффициент экранирования стремится к некоторому минимальному значению, которое равно Ксmin = 4/μr. Если продолжить пример, приведённый выше, с материалом «Армко» с проницаемостью 3000, то минимально достижимый коэффициент 27 экранирования Кcmin для цилиндрического экрана при увеличении толщины стенки экрана будет 4/3000 = 0,00133, а максимальная эффективность составит S = 20lg(1/Kc) = 57,5 дБ Следует учесть, что это теоретически предельное значение, которое не может быть достигнуто из-за требуемой большой массы экрана, наличия апертур и других особенностей конструкции экрана. Для сферического экрана с относительной магнитной проницаемостью μr, внутренним радиусом ri и внешним радиусом ro, коэффициент экранирования любого источника равен 𝐾 𝑠𝑝= 9𝜇𝑟 𝑟3 (𝜇𝑟 +2)(2𝜇𝑟 +1)−2( 𝑖3 )(𝜇𝑟 −1)2 𝑟0 Когда толщина t стенки экрана мала по сравнению с внутренним радиусом экрана, т.е. t = ro-ri << ri, ro ~ ri, а магнитная проницаемость существенно больше 1, тогда выражение можно записать в приближенном виде 𝐾𝑠𝑝 = 9𝜇𝑟 2𝜇𝑟2 (1 − 𝑟𝑖3 ) 𝑟03 ≈ 9𝜇𝑟 (𝑟𝑖 + 𝑡)3 − 𝑟𝑖3 2 2𝜇𝑟 ( ) 𝑟𝑖3 После алгебраических преобразований выражения в круглых скобках и упрощений получаем приближенную оценку коэффициента экранирования сферического экрана при малой толщине стенки Ksp = 3ri/(2μrt). 28 Как и при цилиндрическом экране, эффективность экранирования растет с увеличением его магнитной проницаемости и толщины стенки. Коэффициент экранирования сферического экрана с тонкими стенками в 1,33 раза меньше, чем цилиндрического. Это говорит о большей эффективности экранирования сферического экрана и подтверждает факт влияния формы экрана на его эффективность. На рис. 2.3 представлена зависимость коэффициента экранирования сферического экрана от отношения толщины его стенки к внутреннему диаметру при различных относительных магнитных проницаемостях. Из графиков видно, что при увеличении толщины стенки экрана коэффициент экранирования уменьшается нелинейно. При значительном утолщении стенки коэффициент экранирования стремится к некоторому минимальному значению, которое равно Kspmax = 4,5 / μr. Рис. 2.3 Зависимость коэффициента экранирования сферического экрана от 29 отношения его стенки к диаметру: μr = 1000(1), μr = 3000(2), μr = 5000(3), μr = 10000(4). 3.1.2 Экранирование в режиме вихревых токов Когда на поверхность металлического экрана падает изменяющееся по времени магнитное поле с плотностью магнитного потока В, в материале индуцируется электрическое поле, согласно закону Фарадея пропорциональное скорости dB/dt изменения плотности магнитного потока. Если материал обладает проводимостью σ, то индуцированное электрическое поле вызывает ток определенной плотности в толщине материала. Этот ток, в свою очередь, является источником магнитного поля, которое направлено противоположно относительно возбуждающего поля. Суперпозиция возбуждающего и индуцированного полей формирует суммарный магнитный поток в материале экрана и в экранированной области на противоположной от источника стороне. Описанный механизм экранирования работает только тогда, когда внешнее поле изменяется во времени. При этом он проявляется в любом материале, который имеет определенную проводимость, но не обязательно должен обладать магнитной проницаемостью больше μ0, т.е. быть ферромагнетиком. Глубина проникновения индуцированных токов определяется скинслоем, характерным для материала экрана. Это одна из важных характеристик проводящих материалов. Поскольку глубина скин-слоя δ = √2/ωμσ зависит от частоты, то коэффициент экранирования в общем случае является комплексным числом, амплитуда которого сформирована отношением амплитуд поля в экранированной и неэкранированной областях, а фаза – разностью фаз этих полей. На практике оперируют преимущественно с действительной частью коэффициента экранирования, т.е. соотношением амплитуд полей. 30 Для немагнитных материалов μ = μ0, и при низких частотах произведение ωσ μ0 мало, что определяет большую толщину сикн-слоя, часто превышающую толщину стенки экрана. Например, для меди толщина скинслоя на частоте 50 Гц составляет 9,33 мм, что выше разумного значения толщины стенки экранирующего корпуса. На частоте 5 кГц толщина скинслоя равна 0,93 мм. Как видно, на низких частотах толщина слоя для немагнитных материалов превышает толщины стенок экранов. В этом случае индуцированный ток протекает по всей толщине стенки практически равномерно. В результате, эффективность экранирования не будет столь высока, как при протекании индуцированных токов в тонком поверхностном слое, т.е. при толщине скин-слоя, меньшей толщины стенки экрана. Тем не менее, для хорошо проводящих материалов протекание индуцированных токов по протяженным путям в экране больших размеров может существенно ослабить действие внешнего магнитного поля. Механизмы шунтирования и вихревых токов действуют совместно. На низких частотах превалирует механизм шунтирования, а при повышении частоты – механизм вихревых токов. Для магнитных материалов на частотах в десятки килогерц магнитная проницаемость резко уменьшается, что приведет к увеличению скин-слоя и резкому снижению эффективности экранирования за счет механизма шунтирования. Рассмотрим протяженный цилиндрический экран из материала с проницаемостью μ0, проводимостью σ, внутренним радиусом ri и с толщиной t стенки экрана, который находится в синусоидальном магнитном поле, изменяющемся с частотой ω. Если толщина скин-слоя значительно больше толщины стенки, которая в свою очередь, значительно меньше внутреннего радиуса, комплексный коэффициент экранирования определяется выражением 31 𝐾𝐶 = 1 1+𝑗𝜔 , где τ – постоянная времени диффузии – аналог постоянной 𝜏 2 времени L/R для цепи с последовательно включенными индуктивностью и сопротивлением. Для сферического экрана при тех же условиях коэффициент экранирования определяется по формуле 𝐾𝑠𝑝 = 1 1+𝑗𝜔 𝜏 3 , где τ – постоянная времени диффузии. Из выражений выше видно, что коэффициент экранирования магнитного поля в режиме, при котором толщина стенки экрана меньше толщины скин-слоя, уменьшается при возрастании проводимости материала, радиуса изгиба и толщины стенки экрана. Особенно важно отметить, что в данном случае степень экранирования повышается при увеличении радиуса экрана в отличие от шунтирования, когда возрастание радиуса экрана приводит к ухудшению экранирования. Это объясняется тем, что при увеличении радиуса экрана растет взаимная индуктивность, пропорциональная площади контура, между источником поля и экраном, а это вызывает большие индукционные токи и снижение суммарного поля. Одновременно происходит увеличение сопротивление пути протекания тока, но оно возрастает пропорционально периметру контура. 32 Рис 3.1 Зависимость коэффициента экранирования для режима индукционных токов: 1 – цилиндрический экран, 2 – сферический экран На рисунке 3.1 показана зависимость коэффициента экранирования от постоянной времени диффузии для режима индуцированных токов у цилиндрического и сферического экрана. Графики позволяют сделать вывод: поскольку мнимый член в формулах при цилиндрическом экране в 1,5 раз больше, чем при сферическом, коэффициент экранирования цилиндрического экрана меньше при одинаковом значении постоянной времени диффузии. Поэтому цилиндрический экран в данном режиме обеспечивает несколько большую эффективность экранирования, хотя в режиме магнитного потока сферический экран эффективнее цилиндрического. 3.1.3 Комбинированный режим шунтирования и вихревых токов При использовании для экрана магнитных материалов, у которых μ > μ0, включается режим шунтирования, и при необходимости учета магнитной 33 проницаемости и проводимости экрана существенно усложняет задачу. Получаемые при этом аналитические выражения весьма громоздки и мало пригодны для инженерной практики, учитывая приближенность моделей экранов к реальным конструкциям. Поэтому целесообразно ограничиться рассмотрением физической сути комбинированного режима, когда работа экрана рассматривается на базе режимов шунтирования и вихревых токов. Итоговые расчетные графики для экранов с внутренним радиусом 0,1 м, толщиной стенки 5мм и для частоты 60 Гц даны на рисунках ниже. Видно, что данные по цилиндрическому и сферическому экранам различаются мало. Рис 3.2 Зависимость коэффициента экранирования от проводимости и магнитной проницаемости для цилиндрического экрана (радиус 0,1 м, толщина стенки 5мм, частота 60 Гц); μ равно: 1(1), 10(2), 100(3), 1000(4), 10000(5) 34 Рис. 3.3 Зависимость коэффициента экранирования от проводимости и магнитной проницаемости для сферического экрана (радиус 0,1 м, толщина стенки 5мм, частота 60 Гц); μ равно: 1(1), 10(2), 100(3), 1000(4), 10000(5) В том случае, когда проводимость материала настолько мала, что эффектом индуцированных токов можно пренебречь, рассматривается только режим шунтирования на основе тех соотношений, которые приведены ниже. Для немагнитных материалов на определенном частоте по мере увеличения проводимости коэффициент экранирования изменяется несущественно до тех пор, пока толщина скин-слоя остается больше толщины стенки экрана. При дальнейшем увеличении проводимости толщина скин-слоя становится меньше толщины стенки экрана и эффективность экранирования резко начинает возрастать. 35 Работа экранов из проводящих материалов может осуществляться в трех различных режимах: 1) режим шунтирования (при малой проводимости и при постоянном или низкочастотном поле); 2) переходной режим, при котором проводимость начинает играть определенную роль, но толщина скин-слоя на соответствующих частотах оказывается больше толщины стенки экрана; по эффективности приближается к режиму шунтирования; 3) комбинированный режим, когда параметры проводимости и проницаемости таковы, что толщина скин-слоя на рабочих частотах становится существенно меньше толщины стенки экрана; при этом эффективность экранирования резко повышается. В практических случаях рассмотрение механизмов магнитного экранирования может использоваться для выбора материалов и формы экрана, хотя, идеализированные цилиндрические и сферические формы не в состоянии охватить все разнообразие реальных конструкций. Как правило, материалы с высокой магнитной проницаемостью имеют невысокую проводимость, а материалы с высоком проводимостью – не магнитные. Кроме этого, реализация комбинированного режима способна потребовать применения специальных многослойных материалов, обладающих высокими проводимостью и проницаемостью, которые обеспечат большую эффективность экранирования, чем однослойные. При выборе магнитных материалов следует иметь в виду, что их проводимость постоянна в очень широком диапазоне частот и не зависит от плотности магнитного потока, а магнитная проницаемость является ее линейной функцией внутри материала и частоты. При высокой плотности магнитного потока большинство ферромагнитных материалов переходят в режим насыщения, и их магнитная проницаемость становится относительно малой. 36 3.2 Электростатическое и электродинамическое экранирование 3.2.1 Металлический экран в электрическом поле Металлический барьер является действенной электростатической защитой, но для разработки конструкции эффективно функционирующего экрана необходимо четко понимать физику его работы. Если в электрическое поле некоторого положительно заряженного источника внести проводник, то в результате поляризации электроны в нем начнут перемещаться в сторону источника, и на части проводника, обращенной к нему, возникает отрицательный потенциал, а противоположная часть окажется заряженной положительно. Положительная и отрицательная части проводника создают свое собственное вторичное поле, которое равно внеш- Рис 3.4 Электрическое поле проводника во внешнем электрическом поле 37 нему и имеет направление, противоположное ему. Следовательно, внешнее поле, создаваемое проводником, компенсируется во всех точках внутри его тела. Этим и объясняется распределение зарядов только на его поверхности. Внутри проводника поле отсутствует. Поскольку всюду внутри металлического тела поле равно нуля, достаточно поместить в его внутренней полости устройство, подверженное влиянию электростатического поля и тем самым исключить влияние внешнего электрического поля на устройство. Тогда эффективность экранирования оказывается независимой ни от формы экрана, ни от толщины его стенок, ни от металла, из которого он изготовлен. Поместим заряд +q в центр сферической металлической оболочки: Рис 3.5 Заряд в центре металлической оболочки 38 На внутренней поверхности оболочки возникают заряды –q, а на внешней +q, и экран перестает быть эффективным. Однако, если теперь подключить металлическую оболочку через систему заземления к Земле, это приведет к тому, что заряды, находящиеся на внешней поверхности стекут на Землю, т.к. она обладает очень большой емкостью. При этом поле вне экранирующей оболочки окажется равным нулю. Рис 3.6 Заземленная металлическая оболочка Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на Землю. Заземление электростатического экрана, как видно, является необходимым элементом, вытекающим из сущности электростатического экранирования. Без заземления электростатический экран почти полностью теряет свою эффективностью. Если электрический экран не замкнут, его работа сводится к уменьшению емкостной связи между источником и рецептором помех. 39 Рис 3.7 Электростатическое экранирование: а) электрическое поле между двумя телами; б) система двух заряженных тел, разделенных замкнутым экраном; в) частичное экранирование заземленной пластины; г) незаземленная, близко расположенная пластина: 1 – источник помех, 2 – рецептор помех, 3 – экран При замкнутом экране тело, находящееся в нем, не будет иметь емкостных связей с телами вне экрана, но обладает емкостной связью с экраном. Данный фактор следует учитывать при экранировании, например, высокоскоростных печатных плат, когда наличие экрана платы приведет к увеличению емкости ее проводников относительно экрана и к снижению быстродействия при передаче цифровых сигналов с крутыми фронтами. Экран во многих случаях не может быть выполнен замкнутым. Поэтому емкостная связь между источником и рецептором помех полностью не прерывается, а только уменьшается. 40 Рис 3.8Крышка корпуса в роли электростатического экрана Если С3 = 0, т.е. крышка соединяется с заземленным корпусом способом, обеспечивающим малое полное сопротивление контакта, связь между телами будет только через емкость С12, значение которой в этом случае намного меньше, чем при отсутствии крышки. Место контакта крышки и корпуса определяет полное сопротивление места контакте. Незаземленный частичный экран увеличивает взаимодействие между телами по электрическому полю. Подобная соединение ситуация экрана с может системой встретиться, заземления когда имеет электрическое высокое полное сопротивление, которе будет мало на постоянном токе при низких частотах и велико на высоких частотах. При неполном экранировании необходимо определять электрическое поле между источником и рецептором помех, формируемом вне экрана. В общем случае это весьма сложная задача. Поэтому электростатический экран 41 должен быть по возможности максимально замкнут и однороден, т.е. выполнен с минимальным числом апертур. Методы уменьшения емкостной связи между объектами: разнесение объектов на максимальное расстояние; использование в конструкции миниатюрных компонентов для снижения взаимной емкости; установка экранов для перехвата силовых линий электрического поля, связывающего объекты; применение комбинированных методов. Металлический экран обязательно должен быть заземлен по соображениям электробезопасности. 3.2.2 Заземляющие перемычки и оплетки Для современной электронной аппаратуры характерны высокие скорости изменения тока в цепях технических средств, что определяет значительное влияние сопротивлений индуктивностей, проводящих путей. а следовательно, Качество и полных электростатического экранирования в значительной мере зависит от свойств заземляющих проводников. Одно из основных требований заключается в том, что они должны обладать минимальным полным сопротивлением. Если требование не выдержано, то на относительно высоких это частотах сопротивление заземляющих проводников будет настолько большим, что экран окажется практически не заземленным. Поэтому проектировщику необходимы знания в области снижения полного сопротивления проводников и других проводящих структур. Полное сопротивление определяется по формуле: 42 𝑧 = 𝑅 + 𝑗 (𝜔𝐿 − 1 ), 𝜔𝐶 где R – активное сопротивление проводника; L – индуктивность проводника; C – емкость проводника; ω – круговая частота. Если на постоянном токе для системы заземления требуется минимальное активное сопротивление проводников заземления, то на переменном следует обеспечить минимальное полное сопротивление. В общем случае наибольшее влияние на полное сопротивление оказывает индуктивность проводника. Если ток, протекающий по проводнику, представить в виде набора определенного числа условных нитей тока, то их распределение по сечению будет характеризовать индуктивность проводника. Чем плотней эти нити расположены в сечении, тем больше индуктивность. На постоянном токе они равномерно проходят по сечению одиночного проводника. На высоких частотах начинает проявляться скинэффект, и нити тока оттесняются к периферии проводника. При наличии соседних проводников с одинаковым или противоположным направлением токов возникает еще эффект близости, за счет которого происходит дополнительное перераспределение тока по сечению проводника. Все эти физические эффекты приводят к изменению индуктивности. Понимание данной зависимости позволяет целенаправленно управлять полным сопротивлением проводников, добиваясь его снижения. В плоских широких проводниках нити тока располагаются более свободно, чем в узких. Полное сопротивление плоской перемычки в зависимости от коэффициента формы l/w (l, w – соответственно длина и ширина перемычки), как правило, составляет 0,5-0,8 от полного сопротивления провода круглого сечения с такой же площадью поперечного сечения. По мере расширения проводника его индуктивность снижается. Поэтому плоские перемычки и плетенки имеют меньшую индуктивность, чем провода круглого сечения с одинаковой площадью поперечного сечения. 43 Для систем заземления предпочтительнее использовать следующие разновидности проводников: плоские металлические перемычки; плоские оплетки с плоскими зажимами; плоские оплетки с полюсными наконечниками; многопроволочные перемычки. ; Рис 3.9 Полные сопротивления плоских перемычек различной длины и ширины: сплошная линия – ширина 10 мм, толщина 0,3 мм; пунктирная линия – ширина 25 мм, толщина 1 мм (1 – длина 1м, 2 – длина 0,3 м, 3 – длина 0,1 м) Для максимальной эффективности длина заземляющего провода должна составлять малую часть длина волны для самой высокой частоты спектра воздействующего электромагнитного поля. 44 3.2.3 Диэлектрические экраны Если металлический экран может практически полностью устранить влияние электростатического поля, то использование диэлектрическая проницаемость материала, т.к. из поля свободных зарядов вычитается поле поляризационно связанных зарядов диэлектрического экрана. Поместим в поле двух параллельных металлических пластин диэлектрик. Под влиянием сил электростатического поля он поляризуется: нейтральные в электрическом отношении молекулы превращаются в электрические диполи, а диполи, уже имеющиеся в диэлектрике, поворачиваются осями в направлении действия сил поля, образуя на боковых поверхностях электрические заряды. При этом на одной стороне диэлектрика образуется отрицательный поверхностный заряд, а на второй – положительный. Связанные электрические заряды создают в диэлектрике собственное поле, направленное навстречу внешнему, что приводит к уменьшению результирующего электростатического поля в диэлектрике. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше связанных электрических зарядов и тем слабее результирующее электрическое поле. Следовательно, устройство, целесообразно подверженное размещать влиянию в самом электростатического диэлектрике. поля, Конструкционные диэлектрики имеют существенно более низкие значения относительной диэлектрической проницаемости. 45 Рис 3.10 Тело с переменными зарядами внутри Теперь представим, что источник ЭДС является переменным, заряды на теле А (рисунок выше) изменяются, а следовательно, будут изменяться и заряды, распределенные на внутренней поверхности экрана, которые в каждый момент времени стремятся иметь такую полярность, чтобы компенсировать поле тела А. В результате подобных действий по экрану потечет переменный ток. Компенсация поля в данном случае с помощью заземления не может быть полной, т.к. в результате появления тока в стенках экрана на них падает напряжение. Поэтому эффективность экранирования электрического поля оказывается зависимой как от толщины стенок, так и от проводимости материала. С увеличением толщины и проводимости материала остаточное поле за пределами экрана уменьшится, поскольку снизится падение напряжения на его стенках и одновременно возрастет эффективность экранирования. 46 В целом диэлектрические экраны обеспечивают очень низкую эффективность экранирования и применяются только в некоторых особых случаях. 3.2.4 Экранирование поля диполя В ближней зоне источник электрического поля может быть промоделирован диполем, поле которого представлено на рисунке ниже. Заключив диполь в экран, получим полностью экранированное внешнее пространство, для которого напряженность электрического поля Е равна нулю. Рис 3.11 Схематическое изображение (а) и экранирование (б) диполя 47 Пояснение процесса экранирования дано с помощью следующего рисунка: Рис 3.12 Экранирование поля диполя металлической обложкой, состоящей из двух частей До соприкосновения обеих частей экрана на каждой из них существуют индивидуальные заряды того же знака, что и заряды соответствующих половин диполя. Вне экрана электрическое поле будет по интенсивности таким же, как и без экрана. При соприкосновении частей экрана в его внешней поверхности возникает затухающий колебательный процесс, в результате которого энергия поля перейдет в другие виды. Поэтому вне экрана Е=0. Подобное рассмотрение позволяет подчеркнуть важность отсутствия щелей и зазоров в соединяемых частях экранов. Любая 48 неоднородность способствует утечке электромагнитной энергии из экранированного объема и проникновению электромагнитного поля в защищаемую область. 4. РОЛЬ ЭМС В ПРОЕКТИРОВАНИИ В проект разрабатываемого РЭС рекомендуется включать специальный раздел, подробно излагающий пути выполнения требований межсистемной и внутренней ЭМС – план обеспечения ЭМС (ПОЭМС). Он составляется на основе действующих технических условий, стандартов, норм, правил и других документов и определяет программу обязательных работ, проведение которых обеспечит в последующем высокую надежность работы данной аппаратуры при допустимом запасе на ЭМП. При этом в ПОЭМС следует указывать возможные отклонения от установленных требований, если они технически оправданы. Ранее такие требования к аппаратуре не предъявлялись. Однако опыт показал, что при современной насыщенности электронной аппаратурой это необходимо, причем на выполнение требований к ЭМС расходуется 5-10% стоимости радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время в контракт (договор) на поставку аппаратуры обязательно включаются пункты, оговаривающие санкции за отсутствие ПОЭМС или несоблюдение его требований. Так, например, если разработчиком не предусмотрены все необходимые меры для того, чтобы данное устройство обеспечивало нормы на электромагнитные помехи (ЭМП) при работе в системе, заказчик должен составить рекламацию на невыполнение соответствующих требований. Для надзора за выполнением ПОЭМС основная роль отводится специалистам по контролю ЭМС, обязанность которых заключается в 49 обеспечении точного соблюдения установленных методов и принципов контроля. При этом в ПОЭМС указываются их права и обязанности, а также оговаривается необходимость организации повышения квалификации и регулярной консультативной помощи в вопросах ЭМП и ЭМС. Монтаж и установку подсистем (компоновку комплекса) следует выполнять персоналу, компетентному в вопросах ЭМС. 4.1 Стандартизация Международная электротехническая комиссия (МЭК) занимается тем, чтобы развивать и координировать работы по международной стандартизации и связанным с ней вопросам, таким как оценка соответствия стандартам в области электроники и соответствующих технологиях. МЭК был основан в 1906 г., и его состав в настоящее время включает национальные электротехнические комитеты из более чем 50 стран, включая все промышленные, и все большее число развивающихся стран. Для работы в конкретных областях техники МЭК имеет приблизительно 200 комитетов и подкомитетов, из которых около 50 сталкиваются с проблемой ЭМС в той или иной степени. Эти комитеты и подкомитеты представляют результаты своей работы в форме стандартов или технических докладов. Организация работы Первая работа в области ЭМС может быть отнесена к тому времени, когда в 1934 г. был образован Международный специальный комитет по радиопомехам (СИСПР, организация, которая является в настоящее время частью МЭК). 50 Сегодня работа в области ЭМС организована следующим образом (рис. 4.11). ТК 77, созданный в 1973 г., является комитетом с горизонтальными функциями и ответственен – вместе с другими комитетами до некоторой степени – за базовые (основополагающие) стандарты в области ЭМС, которые имеют всеобщее применение, а также за общие (универсальные) стандарты по ЭМС. Рис. 4.1. Организация работы в области ЭМС в рамках МЭК СИСПР, основанный в 1934 г., является также комитетом с горизонтальными функциями и ответственен, прежде всего, за защиту радиои телевещания от помех. Однако в настоящее время он расширил поле своей деятельности в части разработки стандартов ЭМС на виды продукции, например, на оборудование информационной технологии (ОИТ) и бытового применения. Многочисленные комитеты на конкретные виды продукции ответственны за разработку стандартов на те изделия, которые отнесены к их компетенции. Консультативный комитет по электромагнитной совместимости (АСЕС) был основан для того, чтобы обеспечивать координацию работ в 51 области разработки стандартов ЭМС между всеми этими специальными комитетами и внешним миром, а также выдавать рекомендации для комитетов по видам продукции. В большинстве государств – членов МЭК существуют органы, соответствующие ТК 77, СИСПР или комитетам по видам продукции, которые решают вопросы ЭМС на национальном уровне. Международная деятельность по стандартизации в области ЭМС не ограничивается рамками МЭК. Другие многочисленные международные организации также принимают участие в данной работе. К ним относятся: ИСО (Международная организация по стандартизации); CIGRE (Международная конференция по большим электрическим системам); UNIPEDE (Международное объединение производителей и распределителей электрической энергии); ITU (Международный союз дальней связи); OILM (Международная организация по законодательной метрологии). Данные организации разрабатывают специфичные стандарты для своей области деятельности, которые, если они касаются вопросов ЭМС, могут также служить основой для документов по стандартизации в рамках МЭК. Работа по стандартизации в области ЭМС также выполняется в региональных организациях, таких как Европейский комитет по стандартизации в области электротехники. МЭК может заключить соглашения по сотрудничеству с другими организациями. Одним из важнейших является соглашение с CENELEC, региональным органом по гармонизации электротехнических стандартов Европейского союза. Заключенное в 1991 г. с целью избежать дублирования 52 при создании стандартов и ускорения выпуска документов, а также обеспечения максимально возможной согласованности международных и европейских стандартов, данное соглашение дает хороший пример эффективной координации работы, особенно в области ЭМС. В настоящее время основная задача CENELEC в отношении проблемы ЭМС – это подготовка стандартов, необходимых для реализации Директив по ЭМС Европейского союза. В рамках CENELEC создана структура, которая в некоторых отношениях является более простой, чем подобная в МЭК. Это – Технический комитет 210 СЕНЕЛЕК, первоначально ТК 110, который отвечает за базовые и универсальные стандарты (в этом отношении он соответствует ТК 77 МЭК и СИСПР), а также за управление созданием стандартов на конкретные виды изделий. Параллельно с комитетами МЭК, но не со всеми, имеются комитеты на конкретные виды изделий. Согласно соглашению 1991 г., МЭК в принципе и в первую очередь ответственен за разработку стандартов. В случае, когда CENELEC видит потребность в специфическом стандарте, например, в области ЭМС, он просит, чтобы МЭК разработал его. Только если МЭК не имеет возможности выполнить требования CENELEC – например, в случае, если срок разработки слишком мал – CENELEC будет выполнять работу непосредственно. Международные стандарты МЭК предлагаются CENELEC для параллельного голосования и могут быть приняты и изданы как Европейские стандарты (EN), с некоторыми изменениями, если это целесообразно. Соглашение также применяется и в обратном направлении. Так, МЭК может принимать стандарты, подготовленные в CENELEC, с изменениями, которые также могут иметь место. Вообще, с технической точки зрения, стандарты МЭК и CENELEC эквивалентны или чрезвычайно подобны между собой. 53 В принципе, стандарты МЭК являются только рекомендациями, представляющими современное состояние в данной области техники, и в этом смысле могут служить как точка отсчета. Они, однако, могут приобретать юридический статус, если вводятся в законодательство страны посредством закона или другого законодательного документа (это часто имеет место со стандартами СИСПР, касающимися защиты радиосвязи). Они также могут иметь договорный статус в коммерческих документах. 4.2 Военное применение ЭМС В настоящее время сфера возможностей и влияния радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на борьбу противоборствующих сторон в значительной степени расширилась и становится основой информационного аспекта вооруженной борьбы, затрагивая практически все процессы обнаружения, сбора, передачи, обработки и использования информации. Появление комплексных многоуровневых систем радио–радиотехнической разведки (РРТР), боевого управления, РЭБ и высокоточного оружия определило резко возросшую зависимость хода и исхода боевых действий от готовности и эффективности функционирования этих систем. Целью РЭБ стало не только решение частных задач по нарушению функционирования систем управления оружием и войсками (силами) противника, но и достижение решительного превосходства над ним в оперативности, устойчивости и качестве управления. Таким образом, радиоэлектронная борьба представляет комплекс мероприятий, последующего проводимых для выявления собой (разведки) и радиоэлектронного подавления (РЭП) радиоэлектронных систем (РЭС) различного назначения (радиолокационные системы и системы радиосвязи), а также в целях радиоэлектронной защиты (РЭЗ) своих РЭС. Наряду с эволюционным развитием средств РЭБ в прогнозируемый период за рубежом возможно создание и развертывание нового класса 54 техники – комплексов электромагнитного оружия, создаваемых на основе разработки генерирующих устройств со сверхмощным направленным излучением в СВЧ диапазоне, определяемых как силовая радиоэлектронная борьба поражения разнотипных РЭС. Поэтому совершенствование электромагнитных импульсов для методов генерации создания мощных силовых систем радиоэлектронного подавления различного типа РЭС и, особенно, систем современного высокоточного оружия (ВТО) является актуальной и важной и проблемой в развитии перспективного вооружения и военной техники (ВВТ). В целом класс объектов РЭС может быть достаточно широк: входные цепи устройств ПВО, аппаратура летательных аппаратов, спутников и т.д. Однако, наиболее актуальное значение в настоящее время приобретает проблема эффективного применения силовой РЭБ для борьбы с высокоточным оружием (ВТО). Работа по решению данной проблемы (ввиду её крайней актуальности) ведется достаточно давно, но до настоящего времени не известны другие (не считая описанного в настоящей работе) способы и устройства генери­рования пачек мощных СВЧ сверхкоротких импульсов (СКИ). Известные и применяемые способы и уст­ройства обладают рядом недостатков. Например, в СВЧ РЛС действующих на основе эффекта параметрического поглощения (ЭПП) в США используются устройства задержки, которые за счет эквидистантных щелевых соединений обеспечивают разложение одиночного сверхмощного (от единиц до сотен мегаватт) СВЧ импульса на пачку мощных СКИ. Недостатки данного способа хорошо известны и описаны в научно-технической литературе, однако, до настоящего времени иного решения поставленных задач не было. Известны не только способы использования пачек мощных СВЧ СКИ в целях радиолокационного обнаружения (РЛО) малозаметных летательных 55 аппаратов (МЗЛА), но и попытки использо­вать такие СКИ в целях создания стабилизированных энергетических обра­зований или сгустков (СЭС). Однако, до настоящего времени, такие по­пытки приводили к положительным результатам только в США (создание СЭС со временем стабилизации порядка единиц микросекунд). Интерес к такому использованию СКИ, а также и к способам и устройс­твам генерирования пачек таких СКИ) связан с тем, что одиночный элект­ромагнитный импульс (ЭМИ), излучаемый СЭС при дестабилизации, может достигать энергетических показателей сравнимых с ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) средней мощности (что является весьма актуальным как в смысле по­ражающего фактора, так и в смысле имитации ЯВ). 4.3 Оценка эффективности экранирования реальных конструкций При разработке специальных технических средств, в области информационной и функциональной безопасности экранированию уделяется особое внимание. Экран должен предотвращать утечку информации путем перехвата излучаемого от технического средства электромагнитного поля. С другой стороны, такого рода технические средства нуждаются в защите от преднамеренных мощных сверхширокополосных электромагнитных воздействий. Известно, что эффективность электромагнитного экранирования к сигналам разных частот определяется не только выбором материала (его проводимости и толщины), но и конструкцией экрана: наличием щелей, отверстий и других неоднородностей. Теоретическая оценка эффективности экрана носит весьма условный характер, поскольку трудно получить объективную модель экрана с учетом реальной конструкции [1-3]. При проектировании и изготовлении различных экранов и экранирующих корпусов необходимо количественно оценивать эффективность экранирования реальной конструкции. Существующие методики и средства 56 измерения не позволяют достоверно измерить эффективность экранирования реальных конструкций, т.к. производится с помощью моделирования и/или математического расчета по известным формулам. 4.4 Концепция измерения эффективности экранирования Наиболее достоверно и просто оценить эффективность электромагнитного экранирования можно с помощью измерений напряженности поля вне экрана и внутри экрана и дальнейшему вычислению количественной оценки эффективности экранирования. Эффективность электрического и электромагнитного экранирования вычисляется по формуле: S 20 lg( E ) ,дБ E sh где E – напряженность электрического поля в некоторой точке пространства до установки экрана (В/м); Esh – напряженность электрического поля в той же точке пространства после установки экрана (В/м). Эффективность экранирования магнитной составляющей поля вычисляется по аналогичной формуле: S 20lg( H ) , дБ, H sh где H – напряженность магнитного поля в некоторой точке пространства до установки экрана (А/м); Hsh – напряженность магнитного поля в той же точке пространства после установки экрана (А/м). Из вышеперечисленного следует, что для наиболее достоверной оценки эффективности экранирования реальных конструкций необходимо специализированное устройство, измеряющее электромагнитное поле внутри экранированных блоков. Поэтому на кафедре РТУиС МИЭМ1 был разработан и изготовлен макет автономного малогабаритного измерителя электромагнитного поля, который устанавливается внутри испытуемого экранированного блока (рис. 2) . 1 С 1 июля 2012 года кафедра РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ. 57 Рис. 2. Измеритель с антенной (антенна изображена не полностью) Первый опытный образец измерителя питается от литиевого элемента CR2032, но учитывая низкое потребление можно использовать более миниатюрные элементы. Основные узлы прибора (см. Рис. 4), выпускаются в интегральном исполнении и малогабаритных корпусах, что позволило реализовать такое устройство в миниатюрном исполнении. Размеры первого образца на рис. 2 составляют 95×25×10, но после проработки схемотехники и конструкции в последующих исполнениях объем изделия можно уменьшить не менее чем на 30–40 %. На рис. 3 изображена схема проведения измерения напряженности поля внутри экранированного блока с помощью такого устройства. Рис. 3. Схема проведения измерения поля внутри экранированного блока Устройство производит цикл измерений с сохранением значений в собственную энергонезависимую память. Каждому измерению присваивается свой порядковый номер. По окончанию цикла измерений устройство извлекается из испытуемого объекта и подключается к персональному компьютеру (ПК) для считывания результатов измерений. На основе полученных данных по формуле 1 вычисляется значение эффективности экранирования. Для получения зависимости эффективности экранирования от частоты необходимо в процессе испытания менять частоту воздействия с определенным шагом через фиксированные интервалы времени. Зная период сохранения значений в память и период перестройки частоты, можно установить какой частоте воздействия какие номера измерений соответствуют. Далее для каждой частоты вычисляется эффективность экранирования и по полученным значениям строится зависимость эффективности экранирования от частоты. Современная элементная база позволила реализовать такое устройство с высокой чувствительностью и приемлемыми габаритами. 58 Преимуществом данного способа измерения является то, что измерительное устройство находится внутри испытуемого блока, таким образом, отпадает необходимость кабельной линии от измерительной антенны к измеряющему блоку, которая может создать дополнительную не штатную апертуру в испытуемом блоке. 5. Моделирование расчета эффективности экранирования с учетом геометрических параметров апертур реальных конструкций В данном моделирование расчета эффективности электромагнитного экранирования с помощью программы SECalculator и проведу оценку зависимости эффективности от геометрических параметров апертур и частоты электромагнитных помех для определения. 59 Для круглых отверстий При частоте 1МГц: Диаметр отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 3280 0,015 2214 0,02 1680 0,025 1360 0,03 1147 0,04 880 0,05 720 0,1 400 0,2 240 0,3 187 0,5 144 1 112 2 97 5 89 10 87 15 87 20 87 3500 3000 2500 2000 Эффективность экранирования 1500 1000 500 0 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.04 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 5 10 15 60 При частоте 500 МГц: Диаметр отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 3226 0,015 2160 0,02 1626 0,025 1306 0,03 1093 0,04 826 0,05 667 0,1 346 0,2 186 0,3 133 0,5 90 1 58 2 43 5 35 10 33 15 33 20 33 3500 3000 2500 2000 1500 Эффективность экранирования 1000 500 0 61 При частоте 1 ГГц: Диаметр отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 3220 0,015 2145 0,02 1599 0,025 1287 0,03 1074 0,04 802 0,05 644 0,1 325 0,2 146 0,3 112 0,5 67 1 39 2 35 5 30 10 27 15 27 20 27 3500 3000 2500 2000 1500 Эффективность экранирования 1000 500 0 62 Для прямоугольных отверстий При частоте 1 МГц и высоте отверстия 0,01мм: Ширина отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 2830 0,015 1921 0,02 1466 0,025 1193 0,03 1011 0,04 783 0,05 647 0,1 373 0,2 235 0,3 188 0,5 150 1 120 2 104 5 92 10 86 15 83 20 81 25 79 30 79 3000 2500 2000 1500 Эффективность экранирования 1000 500 15 10 5 2 1 0.5 0.3 0.2 0.1 0.05 0.04 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0 63 При частоте 500 МГц и высоте отверстия 0,01мм: Ширина отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 2776 0,015 1867 0,02 1412 0,025 1139 0,03 957 0,04 729 0,05 593 0,1 319 0,2 235 0,3 181 0,5 96 1 66 2 50 5 38 10 32 15 29 20 27 25 25 30 24 3000 2500 2000 1500 1000 Эффективность экранирования 500 0 64 При частоте 1 ГГц и высоте отверстия 0,01мм: Ширина отверстия, мм Эффективность экранирования, дБ 0,01 2770 0,015 1861 0,02 1406 0,025 1133 0,03 951 0,04 723 0,05 587 0,1 313 0,2 175 0,3 128 0,5 90 1 60 2 44 5 32 10 26 15 23 20 21 25 19 30 18 3000 2500 2000 1500 1000 Эффективность экранирования 500 0 65 Заключение В работе проведен обзор теории экранирования по следующим разделам: Теория экранирования (в том числе эффективность экранирования, ближняя и дальняя зоны, разновидность экранирующих материалов, зависимость экранирования от частоты помех, влияние апертур на эффективность экранирования), методы обеспечения электромагнитной совместимости, роль электромагнитной совместимости на проектировании и военное применение средств ЭМС. Далее было проведено моделирование расчета эффективности электромагнитного экранирования с помощью программы SECalculator и оценил зависимость эффективности от геометрических параметров апертур и частоты электромагнитных помех для определения рациональных для расчета областей геометрических параметров апертур. При круглом отверстии и частоте электромагнитных помех 1 МГц значительное падение эффективности экранирования наблюдается при увеличении диаметра отверстия от 0,01 мм до 2 мм. При частоте 500 МГц целесообразно проводить расчет до диаметра отверстия 0,5 мм. При частоте 1 ГГц при диаметре значительное падение эффективности экранирования продолжается до диаметра отверстия 0,3 мм. При прямоугольном отверстии и частоте электромагнитных помех 1 МГц резкое падение эффективности экранирования наблюдается при увеличении диаметра отверстия от 0,01 мм до 1 мм. При частоте 500 МГц эффективность экранирования приближается к минимальному при 0,5 мм. При частоте 1 ГГц минимальное значение эффективности экранирование приближается к минимальному уже при диаметре отверстия 0,3 мм. 66 Список литературы 1. Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие системы. М.: ООО "Группа ИДТ", 2010. 470 с. 2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М.: Издательский дом "Технологии", 2003. 540 с. 3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.: Издательство "Мир", 1979. 310 с. 4. Журавлёв И.Н., Кечиев Л.Н., Крючков Н.М., Савин Ю.В., Демский Д.В. «Специализированный измеритель напряжённости электрического поля для измерения эффективности экранирования» Технологии ЭМС, №1 (44) 2013, с. 23 – 28. 5. Патент на полезную модель №118442 “Малогабаритный измеритель электрической и магнитной составляющих переменного электромагнитного поля” зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 20.07.2012. Авторы: Журавлев И.Н, Кечиев Л.Н., Крючков Н.М., Савин Ю.В., Лафишев М.А. 6. Журавлев И.Н. Диссертация на соискание степени магистра техники и технологии. "Разработка специализированного измерителя напряженности электромагнитного поля и исследование с помощью него влияния апертур на эффективность экранирования реальных конструкций" по специальности 210200.68 – "Проектирование и технология электронных средств". Руководитель: профессор, д.т.н. Кечиев Л.Н., консультанты: инженер I категории Савин Ю.В., старший преподаватель Крючков Н.М. 7. Демский Д.В., Лафишев М.А. «Расчёт эффективности экранирования неоднородных экранов» Технологии ЭМС, №2 (37) 2011, с. 55 – 56. 8. Демский Д.В., Фомина И.А., Марченко М.В. «Автоматизация расчёта эффективности экранирования» Технологии ЭМС, №1 (44) 2013, с. 44 – 54. 67