4. Технически методи за потискане и защита от смущения
Екраниране
Екранирането е средство за защита срещу радиационни смущения. Може да се използва за намаляване на нивото на смущения, идващи в околното пространство от източници на смущения, или за повишаване на устойчивостта на шум към смущения от излъчването на рецепторите за електромагнитни колебания.
Принципът на действие на екрана е, че той нарушава хомогенността на пространството и създава скок във вълновото съпротивление по пътя на разпространение на електромагнитна вълна. Това води до отразяване и/или поглъщане на енергия от електромагнитни вълни.
Електромагнитната вълна е състав от два компонента - електрическо полеEи магнитно полеH, чиито вектори са изместени по фаза във времето и пространството с 90.
Функционални възли и елементи на радиоелектронни средства, в които има големи токове и ниски напрежения, създават електромагнитни полета в близката зона, в която преобладава магнитната съставка. Функционални възли и елементи на радиоелектронни средства, в които има високи напрежения и ниски токове, създават електромагнитни полета в близката зона с преобладаване на електрическия компонент. В далечната зона няма преобладаване на нито един компонент и всеки компонент носи цялата енергия на електромагнитната вълна.
В близката зона вълновото съпротивление на въздуха спрямо електрическо поле обикновено е голямо, особено при ниски честоти - то е обратно пропорционално на разстоянието от източника на полето и честотата. Характерното съпротивление на въздуха към магнитно поле в близката зона обикновено е малко - то е право пропорционално на разстоянието от източника и честотата. В далечната зона, където електромагнитната вълна се счита за плоска, вълновото съпротивление на въздуха е постоянно и е приблизително 377 ома.
Металните екрани имат високапроводимост и имат нисък вълнов импеданс. Когато електромагнитна вълна падне върху екрана, част от електромагнитната вълна се отразява от интерфейса въздух/метал, където има скок във вълновото съпротивление, но част прониква през материала на екрана и се разпространява по него до следващия интерфейс метал/въздух. Тук също има скок във вълновото съпротивление и част от енергията на електромагнитната вълна се отразява вътре в стената на екрана, а част преминава извън стената на екрана. Електромагнитната вълна в материала на екрана изпитва множество отражения от границите метал/въздух, преминавайки частично тази граница навън и частично отразявайки се в екрана, и затихва доста бързо.
П
Стойността на отразеното поле зависи от съотношението на вълнатасъпротивление на въздуха и екрана на електромагнитното поле. Тъй като в близкото поле вълновият импеданс на въздуха към електрическото поле е голям, а вълновият импеданс на екрана е нисък, полето лесно се отразява от много тънки метални екрани при най-високите честоти, които трябва да бъдат екранирани. Ситуацията е различна за магнитното поле в близката зона. Тъй като вълновото съпротивление на магнитното поле в близката зона е малко, магнитните полета не изпитват много отражение. Екранирането им зависи повече от поглъщането на вълната в екрана. Загубата на абсорбция е право пропорционална на дебелината на екрана и честотата на електромагнитното поле. Те са най-високи при високи честоти и намаляват бързо с намаляване на честотата. Трудността при екранирането на магнитни полета при ниски честоти се дължи на факта, че както загубите от отражение, така и загубите от поглъщане са малки при тези честоти. За да се постигне добра екранираща ефективност, е необходима подходяща дебелина на метала.
В далечното поле добрата ефективност на екраниране зависи както от проводимостта на екрана, така и от неговата дебелина.
Ефективността на екранирането се определя от отслабването на електрическия или магнитния компонент на полето или отслабването на потока на мощността на полето. Числената стойност на ефективността на екраниране се изразява в децибели и се получава като съотношение на силите на съответните полета или плътностите на потока на мощността във всяка точка на пространството при липса и наличие на екран, т.е. къдетоKЕ,KН,KП – екраниращи коефициенти съответно за електрическо поле, магнитно поле и поток на мощност, dB;E, N–напрегнатост на електрическо и магнитно поле при липса на екран;Еe,Нe – напрегнатост на електрическо и магнитно поле в една и съща точка на пространството при наличие на екран.
Основните параметри на материала на екрана са неговата проводимост, магнитна проницаемост и дебелина. Медта и алуминият имат висока проводимост. То е например пет пъти по-високо от проводимостта на стоманата. Следователно тези материали са много добри за екраниране на електрически полета. Тяхната относителна магнитна проницаемост обаче е 1, тоест същата като тази на въздуха. Това не са магнитни материали и не са подходящи за екраниране на магнитни полета при ниски честоти, тъй като ще е необходим по-дебел екран. Типичните видове мека стомана имат относителна магнитна проницаемост от около 300 при ниски честоти, която намалява до 1, когато честотата стане повече от 100 kHz. Високата магнитна проницаемост намалява дълбочината на кожния слой при ниски честоти, което прави възможно да се направи екран с разумна дебелина при тези честоти. Например при честота 50 Hz дебелината на скин-слоя в медта е 9,4 mm, а в стоманата е 0,74 mm.
Скринингът в широк честотен диапазон може да се извърши с помощта на многослойни екрани. Например екран от мека стомана с 10 микрона или повече чист цинк, напръскан върху него, може да се използва в много приложения. Чистият цинк има дебелина на кожата, близка до алуминия.
При честоти над 10 MHz теоретично е лесно да се постигне ефективност на екраниране от повече от 100 dB, като се използват достатъчно тънки екрани. Въпреки това, на практика ефективността на екраниране на реалните екрани е значително намалена поради изтичане на полета през дори много малки отвори (прорези) в шевове, фуги, врати на екранирани помещения, капаци и т.н., както и на места, където кабелите са прекарани в екрана.Контролът на отворите и насочването на кабелите е ключът към постигането на добри стойности на екраниране. При честоти над 100 kHz това е по-важно дори от вида или дебелината на материала на екрана. За да се увеличи ефективността на екраниране на истинските екрани, необходимите или неизбежните отвори трябва да бъдат възможно най-малки, когато е възможно. Неизбежните дълги отвори (капаци, врати и т.н.) трябва да бъдат снабдени с проводими уплътнения или други средства за поддържане на непрекъснатостта на екрана.
Когато проектирате и избирате материал за корпус на екрана, е полезно да вземете предвид следните съображения:
Ефективността на екрана се определя от материала при относително ниски честоти. При високи честоти ефективността на екрана се определя от отворите на екрана: наличието на слотове, входни/изходни отвори в тялото на екрана, мехурчета, черупки в материала на екрана и др.;
загражденията, съдържащи радиатори, трябва да имат максимална загуба на поглъщане на излъчените полета;
корпусите, съдържащи рецептори, трябва да имат максимални загуби на отражение на падащите полета;
всички връзки в корпуса на екрана трябва да се считат за нарушение на неговата непрекъснатост и да се вземат мерки за специална обработка на шевовете (фугите), за да се запази целостта на екрана.
Има три нива на екраниране: ниво на компонент, ниво на подсистема и общо ниво на системата.
Ако само някои компоненти на системата пречат, тогава най-ефективният подход е да се екранират само тези компоненти или зони, които причиняват смущенията.
При екраниране на подсистеми и системата като цяло могат да се използват различни материали - от проводимо боядисване или електролитна метализация на контактни повърхности дометали. Често срещан проблем с екранирането на нивото на корпуса са големите отвори за устройствата за показване. Една от възможностите за екраниране на такива устройства е използването на екраниран прозорец, направен под формата на две ленти от стъкло или пластмаса, между които има тънка метална мрежа. Други решения включват отливане на щита директно вътре в GRP листа или използване на GRP с прозрачно проводимо покритие.
Тъй като смущенията между кабелите и проводниците са един от начините, по които смущенията влияят върху качеството на работа на оборудването, екранирането на проводниците и кабелите служи като начин за намаляване на смущенията и подобряване на EMC на оборудването. Има значение и как са положени проводниците и кабелите. По-специално се препоръчва:
използвайте проводници с екраниращ комбиниран екран;
свържете екрани от проводници и кабели към корпуса. Кабелът, влизащ в корпуса, е заземен към корпуса на блока от външната страна на блока, излизайки - отвътре;
за да намалите нивата на смущения, причинени от магнитно свързване, използвайте усукани двойки проводници. Усукването намалява площта на веригата, проникната от външното магнитно поле, и следователно нивото на индуцирания шум. Усукването също кара магнитните полета, създадени от токове, протичащи през чифт проводници, да се компенсират взаимно (токовете протичат в противоположни посоки). В резултат на това нивото на смущения, предизвикани от тази двойка към други проводници, се намалява;
пренасяйте в различни снопове (или тръбопроводи) проводници (кабели) на източници на постоянен и променлив ток, кабели на аналогови сигнали с ниски нива, кабели на цифрови и високочестотни сигнали, кабели на свръхчувствителни вериги и кабели, подходящи за пиротехнически вериги.
Правилното използване на екраниране на етапите на разработване, производство и внедряване на радиоелектронно оборудване в съоръженията може значително да подобри характеристиките на електромагнитната съвместимост на радиооборудването и способността за съвместна работа в условия на непреднамерени смущения.