63404 (Экранирование электромагнитных полей, узлов радиоэлектронной аппаратуры и их соединений. Материалы для экранов)

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Кафедра Защиты информации

РЕФЕРАТ

На тему:

«Экранирование электромагнитных полей, узлов радиоэлектронной аппаратуры и их соединений. Материалы для экранов»

МИНСК, 2008

2. Экранирование электромагнитных полей

Рассмотрим процесс экранирования электромагнитного поля при падении плоской волны на бесконечно протяженную металлическую пластину толщиной d, находящуюся в воздухе (рис. 34). В этом случае на границе раздела двух сред с различными электрофизическими характеристиками (воздух—металл и металл—воздух) волна претерпевает отражение и преломление, а в толще экрана, ввиду его проводящих свойств, происходит частичное поглощение энергии электромагнитного поля. Таким образом, электромагнитная волна при взаимодействии с экраном отражается от его поверхности, частично проникает в стенку экрана, претерпевает поглощение в материале экрана, многократно отражается от стенок экрана и, в конечном счете, частично проникает в экранируемую область. В результате общая эффективность экранирования (величина потерь энергии электромагнитной волны) металлической пластиной определяется суммой потерь за счет поглощения (затухания) энергии в толще материала А_погл, отражения энергии от границ раздела внешняя среда—металл и металл—экранируемая область А_отр и многократных внутренних отражений в стенках экрана А_мотр:

Потери на поглощение связаны с поверхностным эффектом в проводниках, приводящим к экспоненциальному уменьшению амплитуды проникающих в металлический экран электрических и магнитных полей.

Это обусловлено тем, что токи, индуцируемые в металле, вызывают омические потери и, следовательно, нагрев экрана.

Глубина проникновения определяется как величина, обратная коэффициенту затухания и зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше глубина проникновения. В СВЧ диапазоне глубина проникновения в металлах имеет малую величину и тем меньше, чем больше проводимость металла и его магнитная проницаемость.

где — абсолютная магнитная проницаемость материала экрана; f — частота электромагнитного поля; — удельная проводимость материала экрана.

Выражение для определения потерь на поглощение экраном толщиной d может быть представлено в следующем виде:

Таким образом, потери на поглощение растут пропорционально толщине экрана, магнитной проницаемости и удельной проводимости его материала, а также частоте электромагнитного поля.

Потери на отражение на границе раздела двух сред связаны с различными значениями полных характеристических сопротивлений этих сред. При прохождении волны через экран она встречает на своем пути две границы раздела — воздух—металл и металл—воздух.

Хотя электрическое и магнитное поля отражаются от каждой границы по-разному, суммарный эффект после прохождения обеих границ одинаков для обеих составляющих поля. При этом наибольшее отражение при входе волны в экран (на первой границе раздела) испытывает электрическая составляющая поля, а при выходе из экрана (на второй границе раздела) наибольшее отражение испытывает магнитная составляющая поля. Для металлических экранов потери на отражение определяются выражением:

Откуда следует, что потери на отражение велики у экрана, изготовленного из материала с высокой проводимостью и малой магнитной проницаемостью.

Потери на многократные отражения в стенках экрана связаны с волновыми процессами в толще экрана и в основном определяются отражением от его границ. Для электрических полей почти вся энергия падающей волны отражается от первой границы (воздух—металл) и только небольшая ее часть проникает в экран. Поэтому многократными отражениями внутри экрана для электрических полей можно пренебречь.

Для магнитных полей большая часть падающей волны проходит в экран, в основном отражаясь только на второй границе (металл—воздух), тем самым, создавая предпосылки к многократным отражениям между стенками экрана. Корректирующий коэффициент А_мотр многократного отражения для магнитных полей в экране с толщиной стенки d при глубине проникновения равен:

Величина А_мотр имеет отрицательное значение, т.е. многократные отражения в толще экрана ухудшают эффективность экранирования. С уменьшением эффективности можно не считаться в случаях, когда на данной частоте выполняется условие d>, но им нельзя пренебрегать при применении тонких экранов, когда толщина экрана меньше глубины проникновения.

2. Экранирование узлов радиоэлектронной аппаратуры и их соединений

Экранирование высокочастотных катушек и контуров

При экранировании высокочастотных катушек и контуров аппаратуры необходимо учитывать не только эффективность экранирования соответствующего экрана, но и возможность ухудшения основных электрических параметров экранируемых элементов уменьшение индуктивности, увеличение сопротивления и собственной емкости. Вносимые экраном потери возрастают с увеличением удельного сопротивления материала экрана и с уменьшением расстояния между экраном экранируемой катушкой. В тех случаях, когда эквивалентное затухание контура определяется в основном затуханием катушки и необходимо иметь малое затухание, следует в качестве материала экрана применять немагнитные металлы (медь, латунь, алюминий), а размеры экрана выбирать по возможности большими.

При конструировании экранов следует располагать стыки, швы, щели в экране в направлении вихревых токов, определяющих эффективность экранирования. Экранирование электрического поля обеспечивается при наличии хорошего электрического контакта экрана с корпусом аппаратуры.

Экранирование низкочастотных трансформаторов и дросселей

В трансформаторах питания и низкочастотных трансформаторах, а также в дросселях питания основной рабочий магнитный поток проходит по магнитопроводу. Только небольшая его часть в виде потока рассеяния выходит за пределы магнитопровода, замыкаясь в окружающем пространстве. Магнитный поток рассеяния является причиной нежелательных наводок. Потенциально источниками наиболее интенсивных магнитных полей являются дроссели фильтров питания. Интенсивность полей рассеяния у всех типов трансформаторов растет с увеличением мощности, уменьшением сечения магнитопровода и высоты катушек, а также с ухудшением магнитных свойств магнитопровода.

Улучшение качества магнитопровода, достигаемое применением материалов с высокой относительной магнитной проницаемостью и уменьшением воздушных зазоров, приводит к уменьшению уровней нежелательных наводок.

Эффективное снижение уровней магнитных полей рассеяния трансформаторов и дросселей достигается экранированием. В диапазоне 50—4000 Гц эффективно действует экран из пермаллоя и других специальных сортов ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью и малым удельным сопротивлением. Экранирующая коробка не должна плотно прилегать к сердечнику трансформатора. При зазоре примерно в 3 мм эффективность экранирования увеличивается на 15 дБ.

Контактные соединения и устройства экранов

При конструировании составных экранов, а также контактных элементов, предназначенных для соединения экранов, крышек, панелей, кронштейнов к общему корпусу или шасси аппаратуры, необходимо обеспечивать выполнение требований:

— электрическое сопротивление контактов должно быть минимальным и стабильным;

— контактные соединения должны иметь высокую коррозионную стойкость, длительный срок службы.

По своему назначению контактные соединения могут быть неразборными (неразъемными), разборными (разъемными), скользящими и т.д.

Неразъемные контактные соединения предназначены для постоянного соединения частей и элементов экрана. Эти соединения обычно бывают сварными или паяными. В контактных соединениях, осуществляемых сваркой (сплошные сварные швы), практически не происходит увеличения электрического сопротивления в месте сварки по сравнению с сопротивлением сплошного металла.

При пайке металлов припой, соединяясь с основными металлами, связывает их механически и электрически. Большое значение для качества паяного соединения имеет выбор припоя и зазора между металлами. Качество сварки и пайки после очистки должно тщательно проверяться с целью обнаружения несваренных или непропаянных поверхностей, прожогов и других дефектов. Неразъемное контактное соединение может быть выполнено и несварным, при осуществлении неразъемного контакта с помощью винтов, болтов, заклепок с определенным шагом образуются физически неоднородные стыки между соединяемыми поверхностями. В этих случаях между стыкуемыми поверхностями неизбежно существуют неровности, создающие щели, в результате чего эффективность экранирования ухудшается.

При механическом креплении элементов экрана эффективность экранирования повышается за счет более частого расположения крепежных деталей. Для уменьшения рассеяния отверстия в стационарных соединениях заделываются проводящей пастой.

Надежная работа разъемных контактных соединений обеспечивается их конструкцией, тщательностью изготовления, правильным выбором покрытий материалов и контактным нажатием. При значительных нажатиях контакты сравнительно хорошо обеспечивают малое сопротивление в месте контакта, а при слабых нажатиях даже покрытия из благородных металлов и большие контактные поверхности не гарантируют сохранения этого сопротивления в пределах требуемых значений.

В разъемных контактных соединениях для повышения эффективности экранирования аппаратуры следует применять электромагнитные уплотняющие прокладки, которые должны обеспечивать электрогерметичность соединения. Прокладки используют для уплотнения плохо пригнанных соединений.

Надежный электрический контакт между двумя и более металлическими поверхностями обеспечивается с помощью токопроводящих смол. Например, эпоксидные смолы с серебряным наполнителем заменяют пайку. Если соединяемые поверхности сжаты, но между ними имеется щель, то ее можно заполнить такой токопроводящей смолой. С помощью заполнения на основе токопроводящих смол уплотняют защитные электромагнитные экраны, улучшают экранирующие свойства корпусов радиоэлектронной аппаратуры, ремонтируют электромагнитные прокладки и т.д.

Малое электрическое сопротивление контакта между трущимися поверхностями обеспечивается с помощью токопроводящей смазки, например, на основе серебряно-силиконового масла без углеродистого наполнения. Смазка сохраняет высокие электрические и механические свойства в широких диапазонах температуры и влажности, устойчива к химическим воздействиям. Смазка обладает высокой влагостойкостью и хорошими антикоррозийными свойствами.

3. Материалы для экранов электромагнитного излучения

Выбор материала экрана проводится исхода из обеспечения требуемой эффективности экранирования в заданном диапазоне частот при определенных ограничениях. Эти ограничения связаны с массогабаритными характерными экрана, его влиянием на экранируемый объект, с механической прочностью и устойчивостью экрана против коррозии, с технологичностью его конструкции и т.д.

Металлические материалы

Применяются для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь). Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий.