Финансовые и временные затраты на обеспечение экранирования РЭА возрастают экспоненциально с ростом размеров изделия и приближением этапа сдачи изделия. При этом цена просчёта, совершённого на начальном этапе проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. Пример из практики: изделие, представляющее собой набор оборудования, установленного в морской контейнер. К изделию в целом предъявляются жёсткие военные требования по излучаемым помехам в широком частном диапазоне. Однако данные требования не были учтены на этапе проектирования контейнера. В результате в конструкции не был обеспечен надёжный контакт по периметру дверей, не были установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решётки оказался недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТ коэффициента экранирования. По предварительной оценке переделка контейнера с учётом 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 и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ – это отношение интенсивности электромагнитного поля, измеренного до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. На рисунке 1 приведены формулы для его расчёта при измерении напряжённости поля в различных величинах.
От каждой границы раздела сред происходит 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 растёт с повышением частоты и степени проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, 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 ростом магнитной проницаемости. Например, для 50 Гц – 1 см, 5 кГц – 0,1 см, 0,5 МГц – 10 мкм, 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 рисунке 2 приведены расчётные значения потерь на отражение и поглощение для стали (проводимость 7,69 × 106 См/м, относительная магнитная проницаемость 50) и меди (проводимость 58 × 106 См/м, проницаемость 0,9999). Для меди с ростом частоты потери на отражение уменьшаются, а потери на поглощение увеличиваются из-за её высокой проводимости. Для стали потери на отражение также уменьшаются, потери на поглощение растут (сначала даже быстрее, чем у меди), так как на низких частотах всё ещё велика магнитная составляющая. Однако с дальнейшим повышением частоты эта же проницаемость, а также низкая проводимость стали, приводит к уменьшению потерь на поглощение, и на сверхвысоких частотах сталь малоэффективна. Следовательно, для экранирования на высоких частотах предпочтительно использовать материалы с высокой проводимостью. На низких частотах – материалы с высокой проницаемостью.
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 – 35000, железо чистое – 10000, 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 См/м, медь – 58 × 106 См/м, алюминий – 37 × 106 См/м, латунь – 12,5 × 106 См/м, сталь – 7,6 × 106 См/м. При этом металлы и сплавы с высокой проводимостью, кроме стали, не годятся для экранирования постоянных магнитных полей, так как имеют магнитную проницаемость равную 1 (как у воздуха). Для экранирования в широком диапазоне частот лучше всего подходят многослойные материалы, например, сталь с нанесённым слоем из хорошо проводящего металла. Такие листы применяют для изготовления безэховых камер (см. рис. 3). Для дальнейшего повышения коэффициента экранирования возможно использование комбинированных многослойных материалов.
Конструкция экранов
Получить качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто: изготавливая замкнутый электрически герметичный контур (например, куб), с лёгкостью получаете Кэ порядка 100 дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, так как необходимы 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 (см. рис. 4). Например, для 1 ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40 дБ, а диаметром 1,5 см – до 20 дБ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на Кn = 20 log n. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.
В случае если всё же необходимо использовать отверстие строго определённого диаметра (например, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей), можно применить запредельный волновод (см. рис. 5). Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства этой конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определённой 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 = 150000/g, где g – наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц. Коэффициент ослабления уже будет зависеть от длины волновода и частоты, а рассчитываться по формуле, представленной на рисунке 5.
Для примера на рисунке 6 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. При этом частота среза остаётся постоянной. При изменении диаметра отверстия изменяется и частота среза волновода. Для волновода диаметром 20 мм это 10 ГГц, для волновода диаметром 200 мм – уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть ещё одно ограничение: если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, которые не сильно искажают диэлектрическую проницаемость среды. На рисунке 7 представлены конструкции из запредельных волноводов.
Существует одна проблема – образование щелей и зазоров, неизбежно появляющихся в процессе соединения элементов конструкции друг с другом. Кроме непосредственного искривления самих элементов конструкции металлические детали имеют неровности, которые, соприкасаясь друг с другом, образуют зазоры и щели. Для надёжного электрического контакта в этом случае необходимо применить довольно большое усилие прижима либо применить проводящую прокладку, которая обеспечит непрерывный контакт на всём протяжении щели.
В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок самых различных свойств и размеров.
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 (см. рис. 8). Сюда относятся правильное проектирование полигонов земли, линий передачи, фильтров. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны. Они состоят из двух частей: одна – основание, которое фиксируется на печатной плате, вторая – крышка, которая надевается сверху и фиксируется зажимами, защёлками или пайкой.
Дизайн блока
На рисунке 9 представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100 дБ. Шаг винтов выбирается, исходя из максимальной частоты, которую необходимо экранировать. Здесь также необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла, что оправдано, когда необходимы сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.
Дизайн корпуса
На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов (см. рис. 10).
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.
Следующий этап – соединение двух экранированных систем (см. рис. 11). Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъёма. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, и, следовательно, имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключённые в отдельный экранированный корпус.
Для создания эффективного экрана необходимо:
- подобрать материал, его структуру и толщину, в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую необходимо экранировать;
- по возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического контакта, сравнимые по размерам с 1/20 длиной волны;
- для вентиляции и ввода кабелей использовать «запредельные волноводы»;
- для ввода сигналов и питания использовать оптические линии связи и проходные фильтры;
- для обеспечения контакта по пери-метру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты;
- контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения, когда это возможно.
Применяя эти правила, можно до-вольно дёшево и быстро решить проб-лемы электромагнитной совместимости, возникающие при разработке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, а также подтвердить соответствие радиоэлектронной аппаратуры требованиям ГОСТ в аккредитованной испытательной лаборатории. Такой организацией является Испытательная лаборатория электромагнитной совместимости ЗАО «ТЕСТПРИБОР», аккредитованная «АРМАК» и «Военным Регистром». Протокол лаборатории 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. С полным списком ГОСТ можно ознакомиться в буклетах компании или на её сайте.
Сегодня трудно переоценить важность проведения испытаний на ЭМС, особенно в связи с участившимися техногенными авариями. Они лишь показывают, что необходимо не только расчётами, но и натурными испытаниями подтверждать соответствие продукции государственным стандартам. Особенно это относится к военной, космической и авиационной отраслям, где цена ошибки очень высока.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
