Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование как средство локализации электромагнитных полей. Одно из средств защиты от вредного действия ЭМИ — электромагнитное экранирование помещений. Подлежат рассмотрению три главных случая применения этого способа защиты [10, 11,13, 21]:

  • 1) экранирование помещений, в которых расположена высокочастотная генерирующая аппаратура — радиопередатчики;
  • 2) экранирование жилых помещений;
  • 3) экранирование научно-исследовательских лабораторий, в которых разрабатывается и исследуется электронная аппаратура, и помещения медицинских учреждений, в которых расположена диагностическая аппаратура — кардиографы, энцефалографы и т.п.

По экономическим соображениям разумнее всего экранировать помещения, где находится аппаратура, генерирующая высокочастотные колебания. Существенное значение имеет характер выполнения шкафов радиовещательных и иных передатчиков и качество их монтажа. Источниками излучения из шкафа передатчика могут быть открытые сверху блоки электроизмерительных приборов, вентиляционные щели, щели в местах сопряжения блоков, антенных фильтров, волноводов или коаксиальных кабелей. Поэтому приемка смонтированного передатчика перед вводом его в эксплуатацию должна сопровождаться тщательным контролем качества монтажа, проводимым с помощью соответствующих измерительных приборов.

Экранирование помещения передатчика может оказаться необходимым, если помещение радиостанции располагается в административном или жилом здании. Во избежание «заражения» электросети здания высокочастотными напряжениями на входе цепей в экранированное помещение радиостанции должны быть установлены заградительные фильтры на несущие частоты передатчиков и их гармоники.

Вопрос об экранировании помещений исследовательских лабораторий или помещений медицинских учреждений с диагностической электронной аппаратурой может встать при расположении этих объектов вблизи радиостанции. Иначе наводимые высокочастотные напряжения исказят результаты измерений или диагностического контроля.

В зависимости от производственного процесса, мощности излучения, диапазонов волн можно рекомендовать разные виды экранов:

  • 1) металлические сплошные и сетчатые;
  • 2) мягкие и металлические с хлопчатобумажной и другой ниткой;
  • 3) поглощающие экраны.

Поглощающие экраны. Принцип действия всех экранов, кроме поглощающих, основан на отражении энергии ЭМП. Защитное действие поглощающего экрана обусловливается наведением в экране токов Фуко, которые в свою очередь, наводят в экране вторичное поле, по амплитуде почти равное, а по фазе — противоположное экранируемому полю. В результате их сложения суммарное поле быстро убывает, проникая в экран на незначительную глубину.

Экран должен быть электрически герметичен, а контактирующие поверхности его частей должны иметь антикоррозийное покрытие и плотно прижиматься друг к другу по всему периметру. Для соединения двух сеток используются резиновые прокладки, обернутые в 2-3 слоя медной фольгой и латунной луженой сеткой.

Все экраны должны быть тщательно заземлены, так же, как и при защите от статического электричества, сопротивление должно быть порядка 100 Ом.

Отражающие экраны. Сплошные металлические экраны обеспечивают надежное экранирование при любых практически встречающихся интенсивностях СВЧ полей с учетом допустимых величин (10 мкВт/см2). Экран может быть изготовлен из металла любой толщины. При толщине экрана 0,01 мм поле СВЧ ослабляется на 50 дБ.

Сетчатые экраны обладают худшими экранирующими свойствами по сравнению со сплошными экранами. Их эффективность 20-30 дБ.

В таблице 4.1. приведены размеры сетчатых экранов.

Таблица 4.1

Размеры сетчатых экранов

Размер стороны ячейки, мм

Число ячеек на 1 см2 сетки

Диаметр проволоки, мм

Вес 1 м2 сетки, кг

2,6

10,4

0,50

1,14

2

16

0,50

1,41

1,25

34,6

0,40

1,33

1

54,9

0,35

1,28

0,9

64

0,35

1,38

0,8

68,6

0,30

1,20

0,5

193

0,22

0,94

0,4

381

0,15

0,58

0,2

918

0,13

0,72

0,1

3460

0,07

0,40

Эластичные экраны могут применяться для изготовления штор, занавесок, драпировок, чехлов, спецодежды.

В экранах используется специальная ткань, в структуре которой тонкие металлические нити образуют сетку с размером ячейки 0,5x0,5 мм. Специальное стекло, покрытое полупроводниковой двуокисью олова, ослабляет энергию СВЧ на 20 дБ.

При защите людей от ЭМП на основе экранов используются специальные материалы, обеспечивающие поглощение излучения соответствующей длины волны. Эффективность защиты с помощью экранов определяется электрическими и магнитными свойствами материала экрана, его конструкцией и геометрическими размерами, а также частотой излучения.

Действенность экрана выражают обычно эффективностью экранирования (Э), под которой понимают отношение напряженности поля в данной точке пространства при отсутствии и при наличии экрана. Эти напряженности и плотности поля обозначим соответственно Е] и Е2 для электрической составляющей, Hi и Н2 — для магнитной и Wj и W2 — для плотности потока энергии. Тогда:

Э = Е]/ Е2;

или Э = Ні/ Н2; или Э = W, / W2.

Иногда эффективность экрана выражают затуханием экранирования а,

аэ = 201g3, дБ.

Поскольку речь идет о защите от ЭМП радиостанций, т.е. в диапазоне сравнительно высоких частот, главное значение имеет защита от электромагнитного поля волнового характера. Экраны можно выполнять из листового материала или из сетки.

Реальные значения эффективности экранирования. Ниже приводятся реальные значения (Э), достижимые при различной конструкции экрана. Экран, выполненный из медной или латунной сетки с ячейками размером 10x10 мм, обеспечивает (Э) от 20 до 30 (затухание экранирования а, = 25...30 дБ), с ячейками 5x5 мм — от 30 до 100 (оц = 30...40 дБ), с ячейками 2x2 мм — от 100 до 1000 (аэ = 40...60 дБ). Впрочем, последние приводимые значения (Э) могут понадобиться лишь в случае защиты от ЭМП лабораторных помещений и помещений с диагностической электромедицинской аппаратурой. Экраны из технической стали толщиной примерно 1 мм (обычное кровельное железо) обеспечивают (Э) от 103 до 105. т.е. заведомо больше, чем практически потребуется.

Отдельные листы экрана соединяют точечной сваркой с шагом 200 мм при Э = 20-30, с шагом 100 мм при Э = 100-1000. Металлические трубы, входящие в экранируемое помещение, сваривают с экраном по всему периметру ее сечения или помещают в металлический же патрубок — отрезок металлической трубы длиной, по крайней мере, в 4-5 раз больше диаметра трубы. Патрубок приваривается к экрану по всему периметру.

Если имеется п отверстий, то определенное выше Эо уменьшается в п раз. Часто спрашивают: нужно ли заземлять экран? С точки зрения эффективности экранирования это ничего не дает. Заземление необходимо с точки зрения техники безопасности, чтобы при пробое конденсаторов фильтра или ухудшении изоляции цепей, входящих в экранируемое помещение, на корпусе экрана не появилось напряжение электрической сети.

Все провода, вводимые в экранируемое помещение, должны быть снабжены проходными фильтрами на используемый диапазон частот.

Сетевые фильтры. Экранирование помещений не даст заметного результата, если одновременно не включить фильтры во все входящие в помещение цепи: силовые, сигнальные, связные. Используют либо вырезающие (запирающие) фильтры, либо фильтры нижних частот, обычно однозвенные, так как даваемого ими ослабления бывает достаточно. С их помощью можно получить затухание высокочастотных напряжений десятки децибелов. Вырезающие фильтры имеют несколько более сложную схему, чем фильтры нижних частот.

Средства экранирования электромагнитных полей. Для экранирования электромагнитных полей применяются специальные конструкции и разнообразные материалы [21]. Специальные конструкции включают экранированные сооружения, помещения и камеры. Они могут быть стационарными, сборно-разборными и мобильными. Выполняются из стальных листов толщиной 2-3 мм и обеспечивают затухание электромагнитного поля 60-120 дБ. В качестве материалов для эффективного экранирования используются металлические листы и сетки. Стальные листы толщиной 2-3 мм, сваренные герметичным швом, обеспечивают наибольший экранирующий эффект (до 100 и более дБ). Толщина стального листа выбирается исходя из прочности конструкции и возможности создания сплошного шва. При сварке переменным током толщина сплошного шва обеспечивается при толщине листов 1,5-2 мм, на постоянном токе — около 1 мм, газовая сварка позволяет создать сплошной шов при толщине свариваемых листов до 0,8 мм. Однако металлические листы имеют высокую цену; более дешевы и удобны, но менее эффективны экраны из металлической сетки. Применяют для экранирования сетки из луженой стальной и латунной проволоки с ячейками размерами от долей (0,25) мм до единиц (3-6) мм. Экранирующие свойства сетки в основном определяются отражением электромагнитной волны от ее поверхности. Эффективность экрана из луженой низкоуглеродистой стальной сетки с ячейками размером 2,5-3 мм составляет 55-60 Гц, а из двойной сетки с расстоянием между слоями 100 мм достигает эффективности экранов из стальных листов — около 90 дБ. По соотношению радиуса г проволоки сетки и шага сетки s различают густые и редкие сетки. К густым относятся сетки, у которых s/r < 8, у редких — s/r > 8.

Наряду с рассмотренными традиционными средствами для электромагнитного экранирования в последнее время все шире применяются фольговые и металлизированные материалы, токопроводящие краски и клеи, радиопоглощающие строительные материалы. В качестве фольговых материалов используются фольга толщиной 0,01-0,08 мм, наклеиваемая на экранируемую поверхность, и фольга на непроводящей подложке, например, на фольгоизоле. Фольга изготовляется из алюминия, латуни, цинка. Металлизация различных материалов применяется для электромагнитного экранирования благодаря универсальности метода распыления расплавленного металла струей сжатого воздуха. Движущиеся с большой скоростью распыленные частицы металла ударяются о поверхность подложки, деформируются и соприкасаются друг с другом. При этом обеспечивается прочная связь с подложкой и непрерывная проводимость покрытия. Этот метод позволяет нанести металлический слой практически на любую поверхность: плотную бумагу, ткань, дерево, стекло, пластмассу, бетон и др. Толщина наносимого слоя зависит от физико-химических свойств подложки. Для плотной бумаги слой металла характеризуется величиной не более 0,28 кг/м2, для ткани — 0,3 кг/м2, для жесткой подложки толщина не ограничивается. В качестве металла покрытия чаще используется цинк, реже алюминий. Алюминиевое покрытие имеет более высокий (примерно 20 дБ) коэффициент экранирования, ио оно менее технологично.

Эффективность экранирования металлизированной цинком поверхности оценивается по эмпирической формуле:

Эмет = 97 + 5Lgdo-2OLgf,

где: d0— количество распыленного металла, кг/м2, f— частота поля, Мгц.

Из металлизированных материалов наиболее широко применяются металлизированные ткани и пленки (стекла). Ткани металлизируются как путем вплетения в нее металлизированных или металлических нитей пряжи, так и путем нанесения на поверхность ткани слоя металла. При этом у тканей сохраняются не только ее первоначальные свойства (гибкость, воздухопроницаемость, легкость) и внешний вид, но появляются дополнительные стойкость к агрессивным средам и противопожарная устойчивость. Ткань можно сшивать, склеивать и даже паять. Эффективность экранирования металлизированных тканей в высокочастотном диапазоне (сотни МГц) достигает 50-70 дБ. Их применяют для экранирования стен и оконных проемов (в виде штор), корпусов продукции, антенных отражателей, чехлов на объекты радиолокационного наблюдения.

Электрические и оптические свойства стекол с токопроводящим покрытием зависят от состава токопроводящей пленки, ее толщины, методов ее нанесения и свойств стекла. Допустимые снижение прозрачности пленки не более 20 % и электропроводность обеспечиваются при толщине пленки 5-3000 нм. Наибольшее распространение получили пленки из окиси олова. Стекла с токопроводящими покрытиями имеют поверхностное электрическое сопротивление порядка 5-10 Ом при незначительном (не более 20 %) ухудшении прозрачности. Токопроводящие пленки, наклеиваемые на стекла окон, позволяют повысить экранирующий эффект окон без ухудшения их внешнего вида и прозрачности на 18-22 дБ на частотах в сотни МГц и на 35—40 дБ на частотах единицы ГГц. В зависимости от вида, напыляемого на пленку металла, они имеют золотистый (медное напыление) или серебристый (алюминиевое напыление) цвет. Токопроводящие краски создаются путем ввода в краски токопроводящих материалов: коллоидного серебра, графита, сажи, оксидов металла, порошковой меди и алюминия и других металлов. Наилучшие результаты обеспечивает краска, у которой в качестве токопроводящего пигмента применяется ацетиленовая сажа и графит. Например, краска, представляющая композицию лака 9-32 % и 300 % карандашного графита, имеет поверхностное сопротивление 7-7,6 Ом при толщине покрытия 0,15-0,17 мм и сопротивление 5-6 Ом при толщине покрытия 0,2-0,21 мм.

Токопроводящие краски в силу худшей электропроводности и малой толщины обеспечивают меньшую по сравнению с металлизированными тканями экранирующую эффективность, но не менее 30 дБ в широком диапазоне частот. Но из-за простоты нанесения на поверхность эмали широко применяются для:

  • - экранирования ограждений (стен, потолков, дверей);
  • - защиты контактных поверхностей от окисления;
  • - окрашивания внутренней поверхности корпусов аппаратуры;
  • - проведения профилактических и ремонтных работ, в том числе для заделки щелей, отверстий, выводов труб из стен, для улучшения контакта между металлизированными пленками и металлическими экранами стен.

Электропроводные клеи применяются вместо пайки и болтовых соединений элементов электромагнитных экранов, а также для заполнения щелей и малых отверстий в них. Основу электропроводного клея составляет смесь эпоксидной смолы и тонкодисперсных порошков железа, кобальта или никеля. При прочности до 500 кг/см2 такой клей имеет низкую удельную электропроводность.

Для повышения экранирующей способности потолков, стен, полов помещений применяются ферритодиэлектрические облицовочные материалы, поглощающие электромагнитные поля. Этот поглотитель представляет собой панель из склеенных металлической подложки, ферритового и диэлектрического материалов. Ферритодиэлектрический поглотитель электромагнитных волн экологически чист, имеет стабильные радиотехнические характеристики в широком диапазоне частот, обеспечивает коэффициент отражения от -12 до -40 дБ в диапазоне частот 0,03-40 ГГц, устойчив к воздействию огня. Путем добавки в бетон строительных конструкций токопроводящих материалов удается также повысить экранирующие свойства стен и перекрытий зданий [30].

Металлизированные ткани и пленки, фольговый материал, токопроводящие эмали эффективно экранируют слабые побочные электромагнитные излучения и наводки, но их экранирующая способность недостаточна для энергетической скрытности более мощных сигналов, например, излучений передатчиков закладных устройств, не говоря уже об излучениях радиоэлектронных средств, создаваемых, настраиваемых и испытываемых в научно-исследовательских лабораториях. Для гарантированного ослабления опасных сигналов при жестких требованиях к уровню безопасности информации источники излучений размещают в экранированных помещениях (экранных комнатах), ограждения которых покрыты стальными листами или металлическими сетками. Размеры экранированного помещения выбирают из его назначения и стоимости экранирования. Существуют экранированные вычислительные центры площадью в многие десятки м2, но обычно экранные комнаты для проведения измерений радиоизлучающих блоков и антенн имеют небольшую площадь в 6-8 м2 при высоте 2,5-3 м. Металлические листы или полотнища сетки, покрывающие стены, потолок и пол, должны быть прочно, с малым электрическим сопротивлением, соединены между собой по периметру. Для сплошных экранов это соединение обеспечивается сваркой или пайкой, для сетчатых экранов должен быть обеспечен точечной сваркой или пайкой хороший электрический контакт между полотнищами не реже чем через 10-15 мм. Двери должны быть также экранированы. При их закрывании необходимо обеспечить надежный электрический контакт с металлическими листами или сеткой стен по всему периметру дверей. Для этого применяют пружинную гребенку из фосфористой бронзы, которую укрепляют по внутреннему периметру дверной рамы. При наличии в экранной комнате окон последние должны быть затянуты одним или двумя слоями сетки, расстояние между слоями двойной сетки не менее 50 см. Слои сетки должны иметь хороший электрический контакт с экраном стен по всему периметру оконной рамы. Экран, изготовленный из луженой низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой размером 2,5-3 мм, уменьшает уровень излучений на 55-60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) — приблизительно на 90 дБ. Сетки для обеспечения возможности мытья стекол удобнее делать съемными, а металлическое обрамление съемной части должно иметь пружинящие контакты в виде гребенки из фосфористой бронзы. Для эффективного электромагнитного экранирования вентиляционные отверстия на частотах менее 1000 МГц закрывают сотовыми экранами с прямоугольными, круглыми, шестигранными ячейками. Для обеспечения эффективного электромагнитного экранирования необходимо, чтобы размеры ячеек экрана не превышали 0,1 длины волны поля. Но на высоких частотах размеры ячеек могут быть столь малыми, что ухудшится вентиляция через них воздуха. Поэтому на частотах выше 1000 МГц применяют специальные электромагнитные ловушки в виде конструкции из поглощающих электромагнитные поля материалов, вставляемой в вентиляционные отверстия. Величины затухания радиосигнала в экранированном помещении в зависимости от конструкции экрана указаны в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Величины затухания радиосигнала в экранированном помещении в зависимости от конструкции экрана

Тип конструкции экрана

Затухание радиосигнала, дБ

Одиночный экран из сетки с одиночной дверью, оборудованной зажимными устройствами

40

Двойной экран из сетки с двойной дверью-тамбуром и зажимными устройствами

80

Сплошной стальной сварной экран с одной дверью-тамбуром с зажимными устройствами

100

4.3. Требования

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >