Экранирование электромагнитного поля излучения

Г,

через паразитные емкости С\, Сг, Сз и Сф Когда крышка надета

(рис. 16, б), между ней и точками И и 77 образуются емкости С'ь С 2,

С'з и CV При работе на относительно низкой частоте, на которой

влияние индуктивного сопротивления крышки и переходного

сопротивления контактов в точках 1 к 6 незначительно, эти емкости

оказываются соединенными с корпусом и крышка почти полностью

устраняет паразитные наводки.

На высоких, и особенно ультравысоких, частотах точки И и П оказываются опять связанными через те же емкости С\, С 2, С'з и С\

и

Рис. 16. Паразитная связь: а - без общей крышки; б — с общей крыш­кой; в — при наличии контактных губок; г — при наличии отдельных крышек; д — при наличии общих крышек для двух и более отсеков

Рис. 17. Эквивалентная схема Рис. 18.Остаточная паразитная паразитной связи через крышку связь при соединении крышки

с перегородкой контактными

губками

оказываются опять связанными через те же емкости С\, С'₂, С₃ и С\ и индуктивные делители, образованные крышкой. Так, например, (рис. 16, б и 17), напряжение источника, находящегося в отсеке А, через первый делитель, составленный из емкости С \ и индуктивности L₂,\ участка крышки 2-1, через второй делитель, составленный из индуктивностей Z₂,5 и Z₅,6 участков крышки 2-5 и 5-6, и через третий делитель, составленный из емкостей С\ и С₆, передается в отсек Г, в котором находится приемник наводки. Так как емкости С\, С'₂, С'з и С\ значительно больше емкостей d, С₂, С₃ и С₄ то может оказаться, что закрывание экранированных отсеков крышкой не только не ослабит паразитную связь, но даже увеличит ее, несмотря на хороший контакт между крышкой и общим корпусом.

Для устранения паразитной связи этого вида к крышке приклепывают пружинные контактные губки (рис. 16, в), обеспе­чивающие контакт с промежуточными перегородками почти по всему их периметру. Такое решение имеет следующие недостатки:

а) требуется точная установка перегородок и губок, чтобы
обеспечить их сопряжение;

б) имеется опасность повреждения губок при надевании
крышки;

в) для изготовления губок необходимо применять специальный
хорошо пружинящий металл;

г) паразитная связь устраняется не полностью вследствие того, что участок, состоящий из четырех переходных контактов 1, 2, 3 и 4 (рис. 18), шунтируется прямым участком крышки а - б.

От этих недостатков свободна конструкция, показанная на рис. 16, г, где каждый отсек закрывается отдельной крышкой. Кроме того, в этом варианте не обязательно иметь хороший контакт по всей поверхности соприкосновения крышки с экранируемым отсеком; до­статочно прикрепить ее в нескольких точках.

Если заведомо известно, что источники наводок находятся в отсеках А к Б, а, приемники - в отсеках В к Г или что связь между конкретными отсеками менее опасна, чем связь между другими отсеками, то можно упростить конструкцию, применив общие крышки для двух или более отсеков, как это показано на рис. 16, д.

Если на пути распространяющейся в воздухе электромагнитной волны поставить экранирующий металлический лист толщиной d, то действие его определится двумя факторами: отражением волны от металлической поверхности экрана и затуханием преломленной волны в теле экрана [1,2,5,9].

Рис. 19. Действие экрана на пути электромагнитной волны

Пусть (рис. 19) на металлический экран падает плоская волна Рпад с векторами электрического Епад и магнитного Нпад полей, параллельными плоскости экрана. В точке 1, находящейся на границе сред воздух - металл, произойдут частичное отражение падающей волны, в результате которого появится обратная волна Р\, и частичное преломление, в результате которого в тело экрана проникнет волна Р\м. Распространяясь в металлической среде, преломленная волна Рш будет затухать по экспоненциальному закону (7) и в точке 2, расположенной на границе сред металл - воздух, напряженности обоих полей будут в

е раз меньше, чем в точке 1. В точке 2 снова произойдет

преломление и отражение. Преломленная волна Рг выйдет в экрани­руемое пространство, а отраженная волна Р₂м будет затухать в

металле и в точке 3 напряженности полей окажутся в е раз

меньше, чем в точке 1. Затем будут происходить отражения и преломления в точках 3, 4, 5 и т. д. до полного затухания волны в металле.

В экранируемое пространство будут проникать волны Р₂, Р₄, Рв,
..., преломленные в точках 2, 4, б,.... Суммарное их воздействие
опре-деляет напряженности полей Е и Н за экраном.
Напряженности по-лей волны Р₄ будут е в раз меньше, чем

волны Р₂; волны Рв - в

е раз меньше, чем волны Р₂ и т. д. Учтем, что

экранирование электромагнитного поля излучения может
представлять интерес только на частотах не ниже 10⁷ Гц, на которых
при толщине любых приме-няемых металлов d > 0,1 мм
эквивалентная глубина проникнове-ния 8 < 0,5<i. Взяв

минимальное соотношение d = 28, получим, что напряженности полей волны Р₄ будут в е ⁴ = 55 раз меньше напря-женностей полей волны Р₂. Это позволяет упростить расчет, пренебрегая всеми волнами, поступающими в экранируемое пространство, кро-ме Р₂. Ошибка, получающаяся при таком допущении, не превосходит 2%.

Для расчета напряженности полей Е₂ и Н₂ в экранируемом про­странстве рассмотрим процесс отражения и преломления электро­магнитной энергии от границ сред воздух - металл и металл - воздух. Он определяется соотношением между волновым сопротивлением воздуха

Zc возд = 377 Ом, которое чисто активно, и модулем волнового сопротивления металла

(14)

который в сотни и тысячи раз меньше волнового сопротивления воздуха. При отражении происходит поворот на 180° фазы одного из векторов, составляющих падающую волну Е или Д так как только в этом случае направление движения волны изменится на обратное. От-

ражение волны, распространяющейся в воздухе, от металлической поверхности сопровождается поворотом вектора Е, а отражение волны, распространяющейся в металле, от поверхности раздела металл -воздух сопровождается поворотом на 180° вектора Н.

Физически это объясняется тем, что экран имеет большую проводимость а и на нем могут получаться только небольшие падения напряжения, даже при протекании больших токов. Поверхность экрана почти эквипотенциальна, параллельный ей вектор электрического поля должен быть очень мал, что и обеспечивается появлением отраженной волны Р_от (рис. 20, а) с вектором Е_от обратного знака. В проникающей в металл волне электрическое поле Е_пр близко к нулю и энергия волны, распространяющейся в металле, почти целиком сосредоточена в магнитном поле Н_пр. Соотношение между полями в металле Е_пр I Н_пр = Z_{c мет} соответствует малой величине волнового сопротивления металла. При переходе волны из металла в воздух отражающей поверхностью является воздух (рис. 20, б) при а = 0 и полу­чающееся в нем магнитное поле определяется только малыми токами смещения. Уменьшение

ю &>

Рис. 20. Отражение и преломление электромагнитной волны

магнитного поля Н_пр по сравнению с полем в металле Н_пад обеспечивается поворотом на 180° отраженного вектора Н_от. В ре­зультате в вышедшей за пределы экрана волне восстанавливается

соотношение между векторами Е_пр и Н_пр, соответствующее величине Z_c возд ⁼377 Ом.

Рассмотренный выше процесс подобен отражению электро­магнитной волны, движущейся вдоль несогласованной длинной линии. Если она на конце закорочена, то отраженная волна напряжения противоположна по фазе падающей волне и результирующее напряжение равно нулю, как и должно быть при коротком замыкании. Волна тока отражается без изменения фазы и результирующий ток короткого замыкания в два раза больше тока, протекающего через согласованную нагрузку. При разомкнутой линии волна тока отражается со сдвигом фазы на 180° по отношению к падающей волне. Результирующий ток равен нулю, как и должно быть в разомкнутой цепи. Волна напряжения отражается без изменения фазы и результирующее напряжение в два раза больше на­пряжения на конце согласованной линии.

Определим коэффициенты преломления электрической и магнитной волн для плоскостей раздела сред воздух - металл и металл - воздух. Напряженности электрического и магнитного полей в обеих средах плоскости раздела должны иметь одинаковые значения. Поэтому, в соответствии с рис. 20, я, для плоскости раздела воздух -металл можно написать:

(15)

•

(16)

Учтя, что и, в

последнем уравнении можно сделать замену:

(17)

Решая совместно (15) и (17), после преобразований получим величину коэффициента преломления волны Е при переходе из воздуха в металл:

(18)

Произведя замену в (15), получаем уравнение

(19)

решая которое совместно с (16), после преобразований получим величину коэффициента преломления волны Н при переходе из воздуха в металл:

(20)

Аналогично, на основании рис. 20, б составляются уравнения

(21)

(22) в которые вводятся значения волновых сопротивлений сред Z_c

мет

, а после совместных решений и преобразований получаются величины коэффициентов преломления волн ЕиН при переходе из металла в воздух:

(23)

(24)

Сравнивая полученные значения коэффициентов преломления для рассмотренных четырех случаев, можно установить, что они имеют две разные, резко отличные величины. Большой коэффициент преломления

(25)

получается в тех случаях, когда отражающая поверхность имеет большую проводимость для поля Н (почти короткое замыкание) или малую проводимость для поля Е (почти холостой ход). При уменьшении Z_{c мет} эти коэффициенты растут медленно и когда

, что соответствует приведенной выше аналогии с длиннойлинией. Малый коэффициент преломления

(26)

получается, когда отражающая поверхность имеет большую прово­димость для поля Е или малую проводимость для поля Н. При Z_{c мет} —»0 К^Е_{пр в м}=К^н_{пр м в}—»0, что также соответствует аналогии с длинной линией.

Возвращаясь к рис. 17, определим напряженности полей Е кНв точках 1 к 2. Преломленная волна Р\м будет иметь в точке 1 напряженностии, Распространяясь

в металлической среде, эта волна будет затухать по экспоненциальному закону, и в точке 2 ее напряженности уменьшатся до значений

и

После преломления в точке 2 волна Рг, вышедшая в экранируемое пространство, будет иметь напряженности

На основании (25) и (26) установим, что входящие в последние две формулы произведения коэффициентов преломления для полей Е и Н имеют одну величину

(27)

3.8. Экранирование проводов. Кабели

В пространстве, окружающем провод, соединяющий генератор переменного напряжения U с нагрузкой

Z_H (рис. 21), создаются переменные электрическое и магнитное поля. Они могут оказаться причиной наводки па­разитных напряжений в находящихся

вблизи деталях. Применение провода^ с I _Рис.21.Электрическое

экранирующей металлической оболочкой,
^{F FJ} ^ ' магнитное поля в

не соединенной с корпусом, никакого пространстве

экранирующего эффекта не дает. окружающем провод

Напряженность магнитного поля не изме­
нится, так как в оболочке не могут возникнуть дополнительные
токи, магнитное поле которых могло бы уменьшить поле,

создаваемое основным током в проводе.

Напряженность электрического поля также почти не изменится, так как емкость С_о, которую имел провод относительно корпуса, при наличии оболочки разделится на две последовательно соединенные емкости: провод - оболочка и оболочка - корпус. Эти емкости в сумме будут лишь немного больше емкости Со из-за влияния изоляционного материала с диэлектрической постоянной z_r ф 1 в промежутке провод

- оболочка.

При соединении оболочки с корпусом в любой одной точке (рис. 22) емкость оболочка - корпус оказывается замкнутой накоротко, все электрическое поле концентрируется в емкости провод

- оболочка и внешнее электрическое поле отсутствует. Такое соединение резко увеличивает емкостный ток, который протекает по цепи генератор - провод - оболочка - корпус - генератор, минуя полезную нагрузку Z#. Чтобы полностью защитить внешнее пространство от воздействия электрического поля, необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки с корпусом, через которое протекает указанный емкостный ток. Здесь совершенно недопустимы соединительные провода любой длины. Подключение оболочки должно осуществляться путем непосредственного контакта, лучше всего с припайкой или приваркой к корпусу. Соединение оболочки с корпусом в одной точке не освобождает окружающее пространство от магнитного поля.

Для экранирования магнитного поля необходимо создать поле такой же величины и обратного направления. Для этого нужно весь обратный ток генератора, который в схеме рис. 21, 22 протекает по корпусу прибора, направить через экранирующую оболочку провода.

Рис. 22. Экранирование только электрического поля: а - плохое; б -хорошее

Рис. 23. Полное экранирование электрического и магнитного полей

Рис. 24. Нарушение экранировки при замыкании корпусов

приборов или

экранирующей оболочки провода

Рис. 25. Распределение плотности тока по экранирующей оболочке

Тогда магнитный поток Ф_пр, создаваемый током 1_пр, про­текающим по проводу, будет равен магнитному потоку Ф_об_р, создаваемому обратным током /_обр, протекающим по оболочке, и в любой точке окружающего пространства выполнится условие Ф_пр -Фоб_Р⁼0. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным соединением кор­пуса отсека генератора и отсека нагрузки (рис. 23).

На низких частотах дополнительное соединение корпусов или частичное замыкание оболочки (рис. 24) может нарушить экрани­рование, так как при этом часть обратного тока будет протекать, минуя оболочку.

На высоких частотах из-за поверхностного эффекта обратный ток протекает в основном по внутренней поверхности оболочки. Величина его уменьшается по экспоненциальному закону по мере приближения к наружной поверхности (рис. 25). Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения тока внутрь оболочки, тем

меньшая часть тока протекает по ее наружной поверхности и тем меньше проявляется эффект нарушения экранирования при наружном коротком замыкании оболочки (рис. 24). Практически, если глубина проникновения 8о.оь рассчитанная по (9), меньше толщины стенок экранирующей оболочки, ток, протекающий по наружной поверхности, составляет меньше 1 % от полного тока, протекающего по оболочке. Этот ток создает между корпусами приборов и отдельными точками экранирующей оболочки настолько малую раз­ность потенциалов, что нарушение экранирования от наружного короткого замыкания оболочки на частотах выше 10 МГц почти не наблюдается.

Прежде чем применить провода с экранирующими оплетками, необходимо учесть следующие их особенности, которые могут привести к нарушению нормальной работы прибора.

Наличие экранирующей оболочки резко увеличивает емкость провода на корпус, что большей частью нежелательно, за исключением случаев экранирования проводов питания, когда эта емкость оказывается включенной параллельно емкости блокировочного конденсатора.

Экранированные провода громоздки, неудобны при монтаже и требуют предохранения от случайных соединений с другими деталями.

Длина экранированного участка должна быть меньше четверти длины самой короткой волны передаваемого по проводу спектра частот. Если это условие не соблюдается, то применение экранированного провода нельзя рассматривать как введение дополнительной емкости. Тогда экранированный участок будет длинной коаксиальной линией, которая во избежание возникновения стоячих волн, могущих привести к искажению формы сигнала, должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому.

Поэтому применение экранированных проводов всегда крайне нежелательно. В тех случаях, когда экранирование производится в пределах одного металлического кожуха, следует рассмотреть

всевозможные варианты устранения паразитных связей, прежде чем прибегнуть к экранированным проводам. При этом почти всегда найдется более выгодный вариант и можно будет обойтись без экранированных проводов. В частности, можно применять «скрученные пары».

Таким образом, экранированные провода, коаксиальные кабели и многожильные экранированные шланги с экранированными проводами внутри них следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом. В этом случае экранирование проводов позволяет:

а) освободиться от взаимных паразитных наводок внутри
устройства, состоящего из нескольких блоков;

б) защитить многоблочные устройства от паразитных наводок
со стороны других приборов;

в) предохранить от паразитных наводок приборы, находящиеся
в пространстве, окружающем многоблочное устройство.

Выполнение всех этих функций целиком зависит от качества экрана и присоединения его к корпусам соединяемых приборов.

Сплошное экранирование проводов и коаксиальных кабелей металлической трубой применяется крайне редко. В большинстве случаев используется оплетка из луженого или серебряного провода, имеющая ряд механических преимуществ, но содержащая отверстия, достигающие 10... 30 % общей площади экрана. Эти отверстия почти не влияют на экранирование электрических полей, но ухудшают экранирование магнитных полей, действуя на величины вихревых токов в теле экрана. Иногда улучшение эффективности экрана достигается применением двух или трех слоев оплетки [2].

Значительное уменьшение внешних полей можно получить, не прибегая к экранированным кабелям, применением двухпроводной линии, провода которой скручены в шнур или проложены параллельно на небольшом расстоянии. Такая линия действует хорошо, если по обоим проводам протекают в противоположные стороны одинаковые токи.

Дата добавления: 2014-01-07