Одновременное экранирование электрического и магнитного полей. Экранирование ВЧ магнитного поля

УО БГУИР

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Одновременное экранирование электрического и магнитного полей. Экранирование ВЧ магнитного поля»

МИНСК, 2008

Конструкции экранов в этом случае будут одинаковы, но действовать они будут по-разному.

Токи, протекающие по экрану, под влиянием магнитного поля значительно превосходят токи, наблюдаемые при экранировании электрического поля. Причиной этого является то, что токи, возбуждаемые в экране магнитных полей, как правило, протекают в короткозамкнутом пространстве, т.е. в короткозамкнутом поверхностном слое тела самого экрана и при этом сопротивление экрана не значительно.

Эффективность электрического экрана определяется наличием короткого замыкания между экраном и корпусом прибора. При экранировании магнитного поля присоединение экрана к корпусу не изменяет величины возбуждаемых в экране токов и, следовательно, не влияют на эффективность магнитного экранирования, в том случае, если стыки отдельных частей экрана не будут снижать этих токов. Изменение частоты тока влияет на действие электрического экрана, удельная проводимость материала так же не оказывает существенного влияния. Магнитное экранирование целиком зависит от частоты, чем ниже частота, тем слабее действует магнитный экран и тем толще его надо делать. При работе на ВЧ когда экран ведет себя почти как идеальный проводник, у которого проводимость почти равна бесконечности, поэтому при конструировании экрана необходимо знать свойства идеального проводника:

1) внутри идеального проводника не могут существовать переменные электрические и магнитные поля, поверхность проводника является эквипотенциальной.

2) токи протекают только по поверхности проводника (рис. 1а), хотя существуют более короткие пути.

3) ток, протекающий по проводу, пропущенного через отверстие в пластине из идеального проводника, возбуждает в пластине (рис. 31б) поверхностные токи такой силы и направления, что сумма токов, протекающих через поперечное сечения отверстия будет равна нулю.

4) в экране с перегородками (рис. 1в) возникают блуждающие токи, которые охватывают все поверхность экрана. При сближении соединения к экрану точек присоединения а и в будут расти токи, протекающие по более коротким путям. Все остальные токи будут уменьшаться. Присоединения к точкам а₁ и в₁ не освобождает экран от блуждающих токов и только лишь присоединяет цепи АВ к точкам а₂ и в₂ позволяет избавиться от этих токов, но при условии, что отсутствуют паразитные емкости между экраном и цепью АВ.

5) суммарный магнитный поток через отверстия в пластине из идеального проводника больше нуля, малые отверстия почти не ухудшают качество экрана, так как магнитное поле выходящее из экрана можно обнаружить только вблизи него, а паразитная емкость, связывающая электрическое поле и экранируемые точки почти не зависит от наличия таких отверстий.

Длинные узкие щели, которые допустимы в электрическом экране, опасны в магнитном экране, если они направлены поперек направления вихревых токов.

Если экранируют сложные электрические цепи, в которых направление магнитных потоков могут быть самыми разнообразными, следует избегать длинных щелей. Желательно крышки и экраны соединять друг с другом и корпусом прибора, так, что бы длина щелей не превосходила 0,01…0,001 длины волны, это является важным и для экранирования электрического поля, так как от качества контакта между частями экрана определяющая разность потенциала между ними почти целиком зависит эффективность электрического экрана.

Экранирование электромагнитного поля излучения.

Экранирование происходит благодаря отражению электромагнитной волны от поверхности экрана и затуханию преломленной волны в теле экрана.

Пусть у падающей волне (рис. 2) вектор - есть вектор, который можно разложить , как вектор электрического и вектор магнитного полей. Данные вектора параллельны плоскости экрана. В т.1, находящейся на границе среды «воздух-металл», волна частично отразится в виде волны , а частично - преломится (волна ). Распространение в металл, преломленная волна затухает по экспоненциальному закону и в т.2 напряженности полей в

меньше, чем в т.1. В точке 2 снова произойдет преломление и отражение от границы «Ме-воздух». Преломленная волна Р₂ выйдет в экранирующее пространство, а отраженная (Р_2m) будет затухать в точке 3 и можно утверждать, что в т.3 напряженность полей будет в раз меньше, чем в точке 1. Аналогично будут происходить отражения в точках 3,4,5 и так далее до тех пор, пока волна полностью не затухнет в Ме. В экранирующее пространство будут проникать волны Р₂, Р₄, Р₆, их суммарное воздействие определяет напряженность полей ЕхН в этом пространстве, причем напряженность поля волны Р₄ будет в меньше, чем Р₂ и т.д. Наибольший интерес представляет экранирование электромагнитного поля на частоте выше 10 МГц, у которых при толщине применяемых материалов . Возьмем min соотношение, когда . Получим: напряженность поля волны Р₄ будет в е⁴=55 раз меньше, чем у Р₂.

Исходя из данного предположения, можно считать, что из всех длин волн в экранируемое пространство проникают только волны Р₂ и при этом ошибка не превосходит 2/r. Следовательно, эффективность экрана равна:

(1)

где =337 Ом - характерное сопротивление воздуха (и вакуума);

- модуль характерного сопротивления Ме, которое в 100-1000 раз меньше характерного сопротивления воздуха.

Можно утверждать, что является приближенным значением.

Экранирование проводов и кабелей.

Оплетка проводов, не соединенная с корпусом, экранирующего действия вызывать не будет. При соединении с корпусом в одной точке в окружающее пространство будет проникать только электрическое поле.

По цепи рис 3.а внутренней «провод-оплетка-корпус» протекает емкостной ток, который растет с ростом частоты . В этом случае эффект экранирования полностью зависит от качества контакта между оплеткой и корпусом.

Для экранирования магнитного поля необходимо, чтобы весь обратный ток протекал по оплетке, что предполагает, что оба тока (i_ПР и i_ОБР) , будут создавать магнитные потоки, равные по величине и обратные по направлению, что вызовет их компенсацию. Полная компенсация получится только тогда, когда оплетка является единственным соединением корпусов источника напряжений с отсеком нагрузки. На низких частотах в тело корпуса и оплетки будут проникать токи и при дополнительном замыкании часть обратного тока будет протекать, минуя оплетку, что вызовет нарушение экранирования. Можно утверждать, что чем выше частота, тем меньше вероятность понижения эффективности при замыкании корпусов и оплетки. Следовательно, при проектировании электронных систем применение экранирования проводов ля внутри приборного монтажа всегда является нежелательным, так как увеличивается емкость провода на корпус, усложняется монтаж и требуются предохранители от случайных соединений с другими деталями.

Экранирование провода, коаксиальные кабели следует использовать для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом.

Фильтрующие цепи.

В фильтрующий провод включают последовательно Z₁, Z₂, Z₃ и параллельно Z₄, Z₅, Z₆ и т.д. сопротивления. Величина последовательного сопротивления для фильтрующей цепи выбирается большой, а параллельного - маленькой. При этом фильтрующую цепь можно рассматривать, как серию последовательно включенных делителей напряжения.

Если напряжение источника наводки равно U_UH, то в результате действия первого делителя, состоящего из Z₁ и Z₂, напряжение снизится до величины:

(2).

После второго делителя напряжение будет равно:

(3)

К последнему делителю подключен приемник наводок. Напряжение на его входе будет равно:

(4)

Под эффектом фильтрации будем понимать отношение:

(5)

показывающее, во сколько раз изменится напряжение на входе приемника наводок от включения фильтра. Полезное (не паразитное) действие фильтруемого провода заключается в передаче постоянных U_{ПИТАНИЯ}, переменных U силовой сети, импульсных или медленно изменяемых напряжений управления. Одновременно с необходимостью подавления помех, фильтрующая цепь должна передавать полезное напряжение без значительных потерь и искажений. В качестве последовательных сопротивлений в фильтрующих цепях используют непроволочные постоянные резисторы или дроссели. Применение таких резисторов целесообразно по той причине, что их сопротивление не зависит от частоты. Они имеют небольшие размеры и достаточно дешевые. Вместе с тем использование резисторов ограничивается падением напряжений, а также некоторыми конструктивными соображениями. Резисторы используются при малых токах и высоких напряжениях, передаваемых по фильтрующему проводу, когда падение напряженности и мощности не существенно.

Если применение сопротивление недопустимо, то в цепь включают дроссели, которые имеют собственную распределительную емкость и собственную резонансную частоту. Именно поэтому реактивное сопротивление дросселя при изменении частоты сначала имеет индуктивный характер и увеличивается с увеличением частоты, затем принимает максимальное значение, после чего становится емкостным и дальнейшее увеличение частоты приводит к понижению емкостного сопротивления. Чтобы получить развязку во всем диапазоне частот, рекомендуется не использовать в развязывающей ячейке слишком большие индуктивности.

В параллельные ветви Z₂, Z₄, Z₆ (рис. 4) включают конденсаторы, с помощью которых можно создать рациональный монтаж и обеспечить минимально возможное сопротивление развязывающих ячеек.

Большое значение имеет монтаж. Ошибки в монтаже могут привести к резкому снижению эффективности. Так, для устранения паразитной взаимоиндукции между дросселями устанавливают экранирующую перегородку или дроссели монтируются с разных сторон металлической или фольгированной платы корпуса с использованием проходных или опорных конденсаторов. В том случае, если опорные конденсаторы отсутствуют, надо каждый конденсатор отдельно соединять с корпусом в ближайшей точке на перегородке.

Экранирование ВЧ магнитного поля.

В конструкциях электромагнитных экранов применяют немагнитные и ферромагнитные материалы. Вихревые токи, наведенные полем источника наводок, вытесняют внешнее поле из пространства занятого экраном (рис. 5).

Токи в экранирующем цилиндре распределяются неравномерно из-за поверхностного эффекта, т.е. скин-эффекта. Суть которого: переменное магнитное поле ослабляется по мере проникновения в глубь металла, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, которые циркулируют в поверхностных слоях. Из-за поверхностного эффекта плотность тока и напряженность магнитного поля падают по экспоненциальному закону по мере углубления в металл, т.е.:

(6)

где - показатель уменьшения поля и тока, который называется эквивалентной глубиной проникновения .

На глубине , плотность тока и напряженность падает в “е” раз до величины от плотности и напряженности на поверхности.

Экранирующее действие вихревых токов определяется двумя факторами: обратным полем, создаваемым токами, которые протекают в экране, и поверхностным эффектом, который возникает в материале экрана.

На высоких частотах при относительно большой толщине материала () действуют оба фактора и эффективность экрана можно оценить по приближенному выражению:

(7)

На низких частотах, когда поверхностный эффект незначителен и можно утверждать, что действует только один фактор, т.е. имеется обратное поле, созданное токами, протекающими в экране и эффективность в этом случае так же оценивается по приближенному выражению:

(8)

В выражениях 6-8 приняты следующие выражения:

- магнитная проницаемость;

- магнитная постоянная;

- относительная магнитная проницаемость;

- толщина стенок экрана, [см];

- ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндра (сферы);

- угловая частота;

- проводимость [См^.см³];

- коэффициент формы, =1 для прямоугольного, =2 для цилиндрического, =3 для сферического экрана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация инженерно-графических работ /Г.Красильникова, В.Самсонова, С.Тарелкин - СПб: Издательство «Питер», 2000. - 256 с.

2. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов /О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др.; Под ред. О.В.Алексеева. - М.: Высш. шк., 2000. - 479 с.

3. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования и надежности РЭА. - Мн.: «Берлита», 2008.

4. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. - Спб.: Энергоатомиздат, 2004. - 536 с.