Экранирующие устройства

Характеристики экранов

Экранирование имеет свои специфические особенности, обусловленные его физической сущностью, принципами действия и конкретными условиями применения экранов. Это находит свое выражение в количественной оценке эффективности экранирования. Функциональные качества экрана чаще всего характеризуются коэффициентом экранирования

Kf = F3/F (5.1)

или коэффициентом отражения (реакции)

WF = Fo/F, (5.2)

где F3, F — напряженности поля в данной точке соответственно при наличии экрана или при его отсутствии; Fo, F — напряженности соответственно отраженного от экрана поля в данной точке и падающего.

Из формул (5.1) и (5.2) следует, что коэффициент экранирования определяет степень уменьшения поля в экранируемой области пространства, а коэффициент отражения — длину отраженной волны и основные закономерности изменения поля со стороны источника. Оба параметра взаимосвязаны и в общем случае являются комплексными. Аргумент их характеризует фазу прошедшего через экран (или отраженного от экрана) поля по отношению к фазе падающего поля.

В инженерной практике иногда вместо коэффициента экранирования KF используют обратную величину — эффективность экранирования:

3F = 1/JT< (5.3)

которая определяется в относительных единицах и показывает, во сколько раз экран уменьшает напряженности поля в заданной точке.

В ряде случаев эффективность экранирования (или иначе — экранное затухание) представляют в логарифмических единицах — децибелах (Дб):

SF = 20 lg |ЭР|. (5.4)

В технике связи экранное затухание оценивают в неперах (Нп):

(5.5)

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

Для СВЧ-диапазона эффективность экранирования оценивается в виде

q ППЭ

свч ППЭэ

где ППЭ — плотность потока энергии без экранирования; ППЭэ — то же, при экранировании.

Принципы экранирования полей

Источник ЭМП помех может быть представлен в виде набора расположенных в геометрическом центре электрических и магнитных мультиполей или произвольно ориентированных в пространстве магнитных и электрических диполей. В зависимости от типа источника, частоты f и расстояния до экрана г поле имеет различную структуру, поэтому один и тот же экран будет вести себя по-разному. Например, электрический и магнитный диполи в ближней зоне, когда г < ( Х/2л),Х — длина волны, создают соответственно квази-электростатическое или квазимагнитостатическое поле. В этой зоне можно рассматривать только ЭП с напряженностью Е или МП с напряженностью Н, которые действуют на рецептор через емкостные или индуктивные связи. В промежуточной зоне (зоне индукции), когда (Х/2л )< г < 2лХ, составляющие Е и Н несут неодинаковую энергию и сдвинуты по фазе примерно на 90°. В дальней зоне (волновой), когда г > 2тгХ, поле имеет структуру поперечной электромагнитной волны, поля находятся в фазе и несут одинаковую энергию. Соответственно структуре поля различают следующие режимы экранирования: электростатический, магнитостатический, квазиэлектростатический, квазимагнитостати-ческий, электромагнитный и волновой. При всех режимах, кроме статических, экран взаимодействует с экранируемым элементом. Например, уменьшается индуктивность и увеличивается емкость катушки, уменьшается добротность контуров, возрастает активное сопротивление экранируемого элемента и, кроме того, в экране теряется мощность энергии.

Электростатический режим экранирования основан на использовании явления электростатической индукции и заключается в замыкании зарядов на «землю» или корпус электрооборудования. Размеры замкнутого экрана здесь не играют роли. Для экранирования может быть применен очень тонкий экран из магнитного или немагнитного металла и даже диэлектрика.

Квазиэлектростатический режим экранирования возникает при работе электростатического экрана на низких частотах ( 0 < f < 5 • 103 Гц). В этом режиме по экрану протекает переменный ток. Поле проникает в глубь металла, а эффективность экранирования становится зависимой от толщины и электрической проводимости материала экрана. С ростом частоты все большую роль играют индукционные токи. Они создают вторичное поле, которое взаимодействует с первичным и ослабляет его. Для характеристики материала экрана и оценки проникающего в экран поля вводится понятие глубины проникновения 8 (предполагается ослабление поля в е раз):

  • 8 = V2/(wyh)>
  • (5.8)

где о) = 2nf; f — частота поля, рад/с; у, ц — электрическая проводимость и магнитная проницаемость материала экрана.

Магнитостатический режим экранирования основан на замыкании силовых линий магнитного поля в материале экрана. Целью таких экранов является отвод магнитного потока из защищаемой области и направление этого потока по желательному пути, где он не приносит вреда. При использовании магнитостатических экранов редко интересуются их способностями ослаблять также и электростатическое поле. Однако эффективность таких экранов может оказаться по отношению к электростатическому полю значительно выше, чем по отношению к магнитостатическому. При конструировании магнитостатических экранов используются только магнитные материалы. Большей их эффективности достигают не за счет увеличения толщины, а за счет создания многослойных конструкций, в которых магнитные слои чередуются с немагнитными (например, с воздушными промежутками).

Квазимагнитостатический режим экранирования возникает при работе магнитостатического экрана на низких частотах (0 < f < 5 • 103 Гц). По экрану начинает протекать переменный ток, который вытесняет МП из толщи экрана.

Вторичное МП, создаваемое индукционными токами, сдвинуто относительно первичного по фазе на 180° и ослабляет первичное поле. С ростом частоты возрастает роль индукционных токов, возрастает поверхностный эффект, толщина экрана начинает играть все меньшую роль.

Во многих практических случаях достаточным оказывается экранирование лишь МП. Если частота поля помех низка, то помеха распространяет свое действие на рецептор за счет электромагнитной индукции. Экранирование сводится к уменьшению связи между цепями за счет уменьшения общего для обеих цепей МП.

Электромагнитный режим экранирования возникает на высоких частотах (5« 103 < f < 109 Гц), когда индукционные токи играют первостепенную роль в эффективности экранирования. Как ЭП, так и МП вытесняются из экрана. Квазиста-тические режимы переходят в электромагнитный режим экранирования. Физическая сущность такого экранирования, рассматриваемая с точки зрения теории цепей и ЭМП, сводится к взаимодействию вторичного и первичного полей, которые близки по значению и противоположны по фазе. Результирующее поле оказывается сильно ослабленным. Если рассматривать электромагнитный режим экранирования с точки зрения волновых процессов, то процесс сводится к многократному отражению электромагнитных волн от поверхности экрана и к затуханию их в толще экрана. Отражение энергии связано с несоответствием волновых характеристик металла и окружающего диэлектрика. Чем больше отличаются эти сопротивления, тем больше отражение и лучше эффективность экранирования. Затухание энергии обусловлено тепловыми потерями, вызванными индукционными токами в материале экрана. На эффективность экранирования влияют и переот-ражения волн в материале самого экрана. Как уже отмечалось, электромагнитное экранирование охватывает широкий частотный диапазон и может осуществляться с помощью экранов из магнитных и немагнитных материалов. Последним отдается предпочтение в случаях, когда желательно иметь меньшие потери, вносимые экраном в источник поля.

Волновой режим экранирования (f > 109 Гц) имеет место, когда длина волны соизмерима с размером экрана. В этом случае появляются резонансные накопления и резонансные поглощения энергии. Электромагнитный режим экранирования переходит в волновой. Резонанс внутри экрана может возникнуть на волнах любого типа. Для анализа и расчета таких экранов используются полные уравнения. Особеннос тью волнового режима является колебательный характер изменения эффективности экранирования при изменении частоты. Закономерности в изменении эффективности зависят от конструкции экрана.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >