Экранирование радиоэлектронной аппаратуры как метод обеспечения электромагнитной совместимости
Финансовые и временные затраты на экранирование РЭА возрастают экспоненциально с увеличением размеров устройства и приближением момента сдачи изделия. При этом цена просчета, совершенного в начале проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. В качестве практического примера возьмем изделие, представляющее собой набор оборудования, установленного в морской контейнер. В целом к изделию предъявляются жесткие военные требования по излучаемым помехам в широком частотном диапазоне. Однако данные требования не были учтены в ходе проектирования контейнера. В результате в конструкции не создан надежный контакт по периметру дверей, не установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решетки недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТе коэффициента экранирования. По предварительной оценке, переделка контейнера, с учетом сроков сдачи изделия в эксплуатацию, превышает стоимость самого контейнера. Именно поэтому необходимо тщательно планировать помеховую обстановку изделия, применяя экраны, фильтры и поглощающие материалы.
Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном (рис. 1) и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ — это отношение интенсивности электромагнитного поля, измеренной до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. Формулы для расчета взаимодействия при измерении напряженности поля в различных величинах:
Е2 = Е1 – Е3 – Е4 – Е5,
Кэ [дБ] = 10 log(P1/P2),
Кэ [дБ] = 20 log(E1/E2),
Кэ [дБ] = 20 log(H1/H2),
Кэ [дБ] = P1 [дБ]– P2 [дБ],
где Е1 — падающая волна; Е2 — прошедшая волна; Е3 — поглощенная волна; Е4 — переотраженная волна; Е5 — отраженная волна.
Рис. 1. Взаимодействие электромагнитной волны с экраном
От каждой границы раздела сред совершается отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5, который для электромагнитного поля близок к 100% и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, с генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 связано со скин-эффектом — протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин-слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с повышением магнитной проницаемости. Например, для 50 Гц — 1 см; для 5 кГц — 0,1 см; для 0,5 МГц — 10 мкм; для 2,4 ГГц — 1,67 мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.
Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая, необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.
Итоговый коэффициент экранирования представляет собой сумму потерь на отражение и поглощение. На рис. 2 приведены расчетные значения потерь на отражение и поглощение для стали (проводимость 7,69×106 См/м, относительная магнитная проницаемость 50) и меди (проводимость 58×106, проницаемость 0,9999). Для меди с ростом частоты потери на отражение уменьшаются, а потери на поглощение увеличиваются из-за ее высокой проводимости. Для стали потери на отражение также уменьшаются, потери на поглощение растут сначала даже быстрее, чем у меди, поскольку на низких частотах все еще велика магнитная составляющая, однако с дальнейшим повышением частоты эта же проницаемость, а также низкая проводимость стали приводят к уменьшению потерь на поглощение, и на сверхвысоких частотах сталь малоэффективна. Следовательно, для экранирования на высоких частотах предпочтительны материалы с высокой проводимостью, на низких частотах — материалы с высокой проницаемостью.
Рис. 2. Расчетные значения потерь на отражение и поглощение
Примеры металлов и сплавов сведены в таблицу. Для экранирования магнитного поля предпочтительным материалом является пермаллой с начальной проницаемостью 10×103–100×103. Далее по убывающей: альсифер — 35 000, железо чистое — 10 000, трансформаторная сталь — 250–1000, сталь конструкционная — 50 и другие магнитомягкие материалы. Для экранирования высокочастотных электромагнитных полей необходимо применять материалы с высокой проводимостью: серебро 62×106, медь 58×106, алюминий 37×106, латунь 12,5×106, сталь 7,6×106. При этом металлы и сплавы с высокой проводимостью, кроме стали, не годятся для экранирования постоянных магнитных полей, поскольку имеют магнитную проницаемость, равную 1 (как у воздуха). Для экранирования в широком диапазоне частот лучше всего подходят многослойные материалы — например, сталь с нанесенным слоем из хорошо проводящего металла. Такие листы применяют для изготовления безэховых камер. Для дальнейшего повышения коэффициента экранирования возможно использование комбинированных многослойных материалов.
|
Экранирование постоянного магнитного поля |
Экранирование высокочастотного электромагнитного поля |
|
Пермаллой |
Серебро |
|
Альсифер |
Медь |
|
Технически чистое железо |
Алюминий |
|
Трансформаторная сталь |
Латунь |
|
Электротехническая сталь |
|
|
Магнитомягкие материалы |
Материалы с высокой проводимостью |
Конструкция экранов
Казалось бы, создать качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто — необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный контур (например, куб), и тогда легко получить Кэ порядка 100 дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, так как понадобятся отверстия для ввода кабелей, вентиляции и обслуживания аппаратуры.
Каждое отверстие или щель в экране, сравнимые с 1/20 длины волны, следует учитывать при планировании экрана (рис. 3). Так, для 1 ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40 дБ; 1,5 см — до 20 дБ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на Кn = 20 logn. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.
Рис. 3. Планирование экрана
В случае если все же необходимо отверстие строго определенного диаметра (в частности, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей), можно использовать запредельный волновод (рис. 4). Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства данной конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определенной частоты будут распространяться с очень большим затуханием. Частота, выше которой электромагнитная волна распространяется по волноводу практически без потерь, называется частотой среза волновода и определяется из его наибольшего внутреннего размера по формуле f = 150 000/g, где g — наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц. Коэффициент ослабления уже будет зависеть и от длины волновода, и от частоты и рассчитываться по формуле, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Использование запредельного волновода
Для примера на рис. 5 построены графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации. Видно, что при уменьшении длины трубки с 20 до 10 мм Кэ уменьшается со 108 до 54 дБ, причем частота среза остается постоянной. При изменении диаметра отверстия изменяется частота среза волновода. Для волновода диаметром 20 мм — это 10 ГГц, для волновода диаметром 200 мм — уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть еще одно ограничение: если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, не сильно искажающих диэлектрическую проницаемость среды. На рис. 6 показаны конструкции из запредельных волноводов.
Рис. 5. Графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации
Рис. 6. Конструкции из запредельных волноводов:
а) вентиляционная решетка типа Honeycomb (пчелиная сота);
б) для ввода оптического кабеля
Мы рассмотрели технические решения для создания вентиляционных решеток и ввода оптических кабелей, но есть еще одна проблема — образование щелей и зазоров, неизбежно появляющихся в процессе соединения элементов конструкции между собой. На рис. 7 схематично изображены в большом увеличении две соприкасающиеся детали. Кроме непосредственного искривления самих элементов конструкции, металлические детали имеют неровности, которые, соприкасаясь друг с другом, образуют зазоры и щели. Для надежного электрического контакта в этом случае необходимо применить довольно большое усилие прижима либо проводящую прокладку, обеспечивающую непрерывный контакт на всем протяжении щели.
Рис. 7. Схематичное изображение соприкасающихся деталей:
а) без проводящей прокладки;
б) с использованием проводящей прокладки
В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок самых различных свойств и размеров (рис. 8).
Рис. 8. Проводящие прокладки:
а) с клеевым слоем;
б) жесткие;
в) формованные;
г) пружинные контактные ленты
Планирование помеховой обстановки на различных этапах разработки
Планировать помеховую обстановку и экранирование необходимо на начальном этапе проектирования, предотвращая распространение нежелательных сигналов от самого источника.
Первый уровень разработки — дизайн печатной платы (рис. 9), к которому относятся правильное проектирование полигонов «земли», линий передачи, фильтров. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны, состоящие из двух частей. Одна часть — основание (фиксируется на печатной плате), вторая часть — крышка (надевается сверху и фиксируется зажимами, защелками или пайкой).
Рис. 9. Дизайн печатной платы
Второй уровень — дизайн блока. На рис. 10 представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100 дБ. Шаг винтов следует выбирать, исходя из максимальной частоты, которую требуется экранировать, также необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла — это оправдано, когда нужны сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.
Рис. 10. Дизайн блока
Третий уровень — дизайн корпуса (рис. 11). На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов. Окончательный коэффициент экранирования такой конструкции уже довольно трудно рассчитать, зато его можно достаточно достоверно оценить методом непосредственного измерения благодаря тому, что внутрь вполне может поместиться излучающая антенна с источником сигнала.
Рис. 11. Дизайн корпуса
Следующий этап — соединение двух экранированных систем (рис. 12). Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъема. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, а следовательно, имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключенные в отдельный экранированный корпус.
Рис. 12. Соединение двух экранированных систем
Итак, для создания эффективного экрана необходимо:
- подобрать материал, его структуру и толщину в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую требуется экранировать;
- по возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического контакта, по размерам сравнимые с 1/20 длиной волны;
- для вентиляции и ввода кабелей использовать запредельные волноводы;
- для ввода сигналов и питания применять оптические линии связи и проходные фильтры;
- для обеспечения контакта по периметру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты;
- контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения, когда это возможно.
Применяя эти правила, можно довольно дешево и быстро решить проблемы электромагнитной совместимости, возникающие при разработке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, а также с уверенностью подтвердить соответствие радиоэлектронной аппаратуры требованиям ГОСТов в аккредитованной испытательной лаборатории. Например, протокол испытательной лаборатории ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР», аккредитованной «АРМАК» и «Военный Регистр», позволяет в том числе получить сертификат соответствия продукции. По требованию заказчика работы проводятся под контролем военного представителя МО РФ. Лаборатория проводит испытания на соответствие требованиям подавляющего большинства нормативных документов по ЭМС из области авиации и наземной техники.
Сегодня трудно переоценить важность проведения испытаний на ЭМС, особенно в связи с участившимися техногенными авариями. Они лишь показывают, что необходимо не только расчетами, но и натурными испытаниями подтверждать соответствие продукции государственным стандартам. Прежде всего, это относится к военной, космической и авиационной отраслям, где цена ошибки чрезвычайно высока.
Посетите наш сайт «Электромагнитная совместимость в электронике»!
20 сентября, 2020
22 сентября, 2014
Рекомендую отредактировать статью и устранить неточности. 1. Толщина скин-слоя СНИЖАЕТСЯ при повышении магнитной проницаемости материала. Все переменные: частота, проводимость и магнитная проницаемость в формуле для толщины скин-слоя стоят в знаменателе. 2. Рис.3 «наибольший диаметр» — это что? 3. Рис.4 — длина волновода d — это длина всего канала (с учетом толщины стенки), а не только выступающей части. 4. Для волноводов диаметром 20 и 200 мм в соответствии с формулой на рис. 4 частоты среза будут 7,5 ГГц и 750МГц. 5. Коэффициент отражения (потери на отражение) не растет с повышением частоты, а уменьшается, т.к. импеданс экрана растет, а разность импедансов волны и экрана снижается. Об этом свидетельствует график на рис. 2. 6. Как в стали потери на поглощение могут снижаться при росте частоты? Чем это подтверждается? Можно говорить только о замедлении роста потерь из-за снижения магнитной проницаемости при росте частоты (и стабилизации толщины скин слоя). Этим объясняется большая эффективность меди и алюминия на высоких частотах (для них магнитная проницаемость частотно-независима). Дальше не читал.