24.11.2017

Безэховые экранированные камеры: физические принципы и классификация

Романов И.В., Лютаев С.В.
ИЛ ЭМС, АО "ТЕСТПРИБОР", г. Москва

В статье проводится обзор основных физических принципов работы безэховых экранированных камер, материалов и конструкций используемых для обеспечения испытаний оборудования на электромагнитную совместимость.

Введение.

В настоящее время важной задачей является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронного оборудования различного назначения. Здесь можно выделить такие области как: аппаратура управления, радиолокация, радиомаскировка, радиопротиводействия, радиоразведка, связь, медицина, транспорт и др. К примеру медицинский томограф является источником электромагнитных помех большой мощности. Его работа не должна сказываться на работоспособности оборудования расположенного поблизости. Ведь нарушение штатной работы медицинского оборудования может привести к выходу его из строя или к потере человеческой жизни. Кроме того, необходимо уменьшать электромагнитной фон в помещении где расположен томограф, с целью увеличения его разрешающей способности и динамического диапазона. Мощные источники радиоизлучения часто являются частью технологического оборудования. Поэтому задача обеспечения электромагнитной совместимости является важной и актуальной.

Увеличение числа излучающих приборов, приёмопередающих систем на Земле и в околоземном пространстве привело к значительному росту уровня электромагнитного фона особенно в городской местности. В условиях сильной электромагнитной "загрязнённости", сложно решить задачу настройки чувствительных устройств и систем. Для этого применяют экранированные камеры (ЭК) – «помещения способные разделить электромагнитную обстановку внутри и во вне», в том числе и (полу) безэховые экранированные камеры (ПБЭК, БЭК) [1-3]. Незаменимые при испытаниях на ЭМС БЭК является инструментом способным: в ограниченной области пространства снизить электромагнитный фон; обеспечить экранирование источников электромагнитного излучения от измерительной (испытательной) аппаратуры и персонала и уменьшить на них электромагнитное воздействие, обеспечить пространственную однородность электромагнитного поля. Экранированные камеры часто используют для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования, сохранности информации (или самого факта её существования) и средств её хранения (например, файловый сервер, вычислительный сервер и др.), противодействия средствам радиоэлектронной разведки, устройствам радиоборьбы и радиоподавления.

В годы рассвета радиоэлектронной промышленности в двадцатом веке на промышленных предприятиях создавались экранированные и безэховые камеры, которые со временем перестали использоваться по назначению. Наличие современных разнообразных экранирующих и радиопоглощающих материалов и комплектующих позволяет восстановить свойства этих БЭК. Уровень электромагнитного фона является важной характеристикой, которая определяет разрешающую способность измерительной аппаратуры для регистрации электромагнитных помех от их источника при испытаниях на электромагнитную совместимость. Чем ниже фоновые шумы, тем выше разрешающая способность измерительной аппаратуры. БЭК обеспечивает уменьшение уровня внешнего электромагнитного фона на величину до 100 дБ [1].

Основы экранирования электрического и магнитных полей

Работа экранированных камер основана на ряде фундаментальных механизмов взаимодействия электромагнитного поля и вещества. Рассмотрим некоторые из их.

Экранирование электрического поля. Принцип работы (ячейки Фарадея) экранирования электрического поля внутри камеры основан на компенсации внешнего поля внеш внутренним полем внутр (рис.2) возникающим в камере. При помещении электрически замкнутой камеры во внешнее электрическое поле свободные электроны движутся вдоль силовых линий напряжённости электрического поля к положительному потенциалу. Положительно заряженные ионы в материале камеры неподвижны. Разделение зарядов создаёт полевнутр направленное в противоположную сторону внешнему внеш и равной по величине. Суммарная напряжённость электрического поля при этом стремиться к нулю: Экранирование электрического поля .

Экранирование электрического поля
Рис. 1 Экранирование электрического поля

Экранирование магнитного поля. Магнитное поле взаимодействует с движущимися зарядами (электрическим током) и магнитными материалами. Можно выделить два основные способа экранирования магнитного поля: механизм шунтирования магнитного поля экраном; 2) механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами.

Механизм шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экран изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью µ >> 1 (сталь, пермаллой).

При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана.

Экранирование магнитного поля методом шунтирования
Рис. 2 Экранирование магнитного поля методом шунтирования.

Отметим что, для обеспечения высокой эффективности шунтирования магнитного поля необходимо обеспечить низкое «сопротивление» магнитному полю (высокую магнитную проницаемость m) по всему объёму экранирующего материала. Это легко добиться, например, если стенки экранированных камер состоят их цельных листов. Если экранированная камера построена по сборно-разборной технологии, то необходимо чтобы в местах соединения сборных панелей обеспечить низкое магнитное сопротивление магнитному полю, т.е. не оставалось зазоров, а материал уплотнителя обладал, в том числе, высокой магнитной проницаемостью. Чем толще экран и чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее.

Механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами работает на высоких частотах. Если на поверхность металлического экрана падает изменяющееся по времени магнитное поле с плотностью магнитного потока внеш в материале, согласно закону индукции Фарадея наводится вихревое электрическое поле, пропорционально скорости изменения плотности магнитного потока Если материал обладает проводимостью (σ > 0), то электрическое поле вызывает вихревой ток I определенной плотности в толщине материала. Этот ток, в свою очередь, является источником магнитного поля (с плотностью магнитного потока , которое направлено противоположно относительно возбуждающего поля ̶̶внеш). Суперпозиция возбуждающего и индуцированного полей формирует суммарный магнитный поток в материале экрана и в экранированной области на противоположной от источника стороне.

Метод экранирования магнитного поля вихревыми токами работает только тогда, когда внешнее поле изменяется во времени. При этом он проявляется в любом материале, способном проводить электрический ток, но не обязательно должен обладать относительной магнитной проницаемостью больше единицы, т.е. быть ферромагнетиком.

Экранирование магнитных полей вихревыми токами
Рис. 3 Экранирование магнитных полей вихревыми токами.

Таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность экранирования магнитного поля в экранированных камерах, изготовленных по сборно-разборной конструкции необходимо обеспечить низкое электрическое сопротивление в местах соединения сборных панелей. Это достигается применением материалов покрытия панелей и выбором уплотнителя.

Методы шунтирования и вихревых токов действуют совместно. На низких частотах превалирует механизм шунтирования, а при повышении частоты – механизм вихревых токов. Для магнитных материалов на частотах в десятки килогерц магнитная проницаемость резко уменьшается, что приведет к увеличению толщины скин-слоя и резкому снижению эффективности экранирования за счет механизма шунтирования. Для получения высоких свойств экранированных камер необходимо обеспечить низкое электрическое и магнитное сопротивление в местах швов и соединения панелей.

Экранирование электромагнитного поля. Рассматривается электромагнитная волна, прошедшая в глубь металлической поверхности. При падении электромагнитной волны на поверхность реального металла, практически независимо от угла падения, волна которая прошла в металл распространяется перпендикулярно его поверхности. В этом направлении существует поток энергии в металл, который определяется вектором Пойтинга Электрическое поле вызывает ток проводимости и нагревание металла, а значит амплитуды полей затухают по мере распространения волны в глубь металла. Плотность тока уменьшается по тому же закону что и электрическое поле. В слое ∆ поле и плотность тока затухают в e раз относительно поверхности металл. Размер этой поверхности определяется формулой , где ∆  - толщина скин-слоя, ω - циклическая частота, μ0 – магнитная проницаемость вакуума, μ - относительная магнитная проницаемость, σ - проводимость. Отношение толщины металлических стен камеры к толщине скин-слоя определяет её экранирующие свойства.

Экранирование электромагнитного поля
Рис. 4 Экранирование электромагнитного поля.

Нетрудно увидеть, для того чтобы увеличить свойства экранированных камер необходимо увеличивать электрическую проводимость σ (уменьшать электрическое сопротивление) и магнитную проницаемость стенок экранированных камер, особенно в местах швов и соединений сборных панелей (в случае ЭК выполненных по сборно-разборной технологии).

Свойства безэховых экранированных камер

Снижение уровня шумов способом экранирования электромагнитных полей является в настоящее время наиболее распространённым методом. Экранированные камеры (ЭК), полубезэховые экранированные камеры (ПБЭК), безэховые экранированные камеры (БЭК) являются основным инструментом, обеспечивающим снижения фона при испытаниях на ЭМС в части эмиссии электромагнитных полей.

Вторым важным свойством безэховых экранированных камер (ПБЭК, БЭК) является способность изолировать окружающее пространство снаружи камеры от электромагнитных полей, наводимых внутри камеры.

Третьим свойством БЭК является способность формировать однородное поле в рабочей плоскости, за счёт снижения коэффициента (уровня) стоячей волны в камере. Это достигается применением поглощающих материалов и особой их конструкции.

Испытания на электромагнитную совместимость.
Испытания на электромагнитную совместимость
Рис.5 Применение БЭК при испытаниях на электромагнитную совместимость.
ЭМП - электромагнитные помехи.

Работа БЭК основана на двух эффектах: экранирование электромагнитного поля замкнутой проводящей оболочкой, и поглощении радиоволн внутренним покрытием. Если одна из поверхностей (обычно пол) БЭК не покрыта радиопоглощающим материалом такая камера называется полубезэховой ПБЭК. Если в камере не предусмотрено покрытие поглощающим материалом такая камера называется "Экранированная камера" (ЭК). Согласно принятым в Российской Федерации ГОСТ Р 50414-92., ГОСТ CISPR 16-1-4-2013 БЭК могут отличаться размером, типом проводящей оболочки, типом поглощающего материала, конструкцией (быть разборной или неразборной), формой, но принцип действия будет оставаться одним и тем же [1,2].

Классификация экранированных камер

Экранированные камеры могут разделены по нескольким критериям. Основные из них приведены ниже [3].

По принципу:
- экранированная камера;
- полубезэховая экранированная камера;
- безэховая экранированная камера;
- полуоткрытая экранированная камера.

По типу радиопоглощающего материала (РПМ):
- радиопоглощающие материалы с электрическим поглощением (узко диапазонные интерференционного типа, широкодиапазонные многослойные, широкодиапазонные шиповидные);
- радиопоглощающие материалы с магнитным поглощением;
- комбинированные радиопоглощающие материалы.

На рис. 6 представлена схема распространения электромагнитной на поверхности безэховой экранированной камеры. Которая представляет собой последовательное наслоение на металлическую поверхность радиопоглощающих материалов с различными свойствами и формой. Пирамидальный поглотитель представляет собой объёмный материал, например, состоящий из вспененного пенополистерола или пенополиуретана, с внесённым радиопоглощающим материалом (графит, железо и др.), такой концентрацией и состава, чтобы обеспечить поглощение радиоволн во всём его объёме. Вспененный материал позволяет обеспечить необходимые массогабаритные характеристики, особенно важные при монтаже камеры. Вспененный поглотитель обычно эффективно поглощает электромагнитные волны выше 1 ГГц, а его радиопоглощающие характеристики зависят от его формы (основание пирамиды) и угла падения радиоволны (рис.7). Ферритовый поглотитель имеет плоскую форму и в эффективен на частотах до 1 ГГц.

распространения электромагнитных волн на поверхностях БЭК

Рис. 6 Схема распространения электромагнитных волн на поверхностях БЭК (комбинированные РПМ) [4]

Рис. 7 Зависимость коэффициента отражения ЭМ-волны пирамидального поглотителя от угла падения к нормали [4]

По форме:
- прямоугольные БЭК;
- профилированные БЭК;
- рупорные БЭК;
- БЭК с регулируемой торцовой стенкой;
- пирамидальные БЭК;
- БЭК с криволинейными стенами;
- БЭК с несколькими облучателями;
- биконические БЭК;
- универсальные БЭК, антенные залы.

В настоящее время наибольшее распространение получили прямоугольные и рупорные БЭК. Это прежде всего связано с их простой геометрической формой. Что позволяет использовать простые унифицированные по форме материалы и комплектующие для камер, различающихся габаритными размерами.

По размеру:
- большие БЭК;
- компактные БЭК;
- мини БЭК (боксы).

По конструктивному исполнению:
- сварные БЭК;
- сборно-разборные БЭК;

Преимуществами сварных БЭК является их меньшая стоимость, а также коэффициент экранирования на низких частотах теоретически выше. Недостатком является отсутствие возможности повторного монтажа.

Сборно-разборные БЭК конструктивно состоят из металлических панелей с экранирующими прокладками. Их конструкция позволяет перемещать камеру в случае необходимости при сохранении экранирующих свойств.

АО «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет сборно-разборные экранированные (ТЕКО-Э), полубезэховые экранированные (ТЕКО-пБЭК) и безэховые экранированные (ТЕКО-БЭК) камеры требуемых размеров под нужды Заказчика для измерительных расстояний 3, 5 и 10 м, соответствующие нормативным документам ГОСТ Р 50414-92 и ГОСТ CISPR 16-1-4-2013.

Распространения электромагнитного излучения Распространения электромагнитного излучения

а

б

Распространения электромагнитного излучения

Рис. 8 Распространения электромагнитного излучения в: а - ЭК, б - ПБЭК, с - БЭК (геометрическое приближении)

в

 

На рис. 3 представлены траектории "лучей" (геометрическое приближение) излучающей антенны в процессе испытаний на восприимчивость к электромагнитному полю в: а - ЭК; б - ПБЭК, в - БЭК.

В экранированной камере (рис. 3,а) электромагнитная волна излучённая антенной в процессе распространения претерпевает многократное переотражение от стен, потолка и пола камеры. При этом за счёт интерференции волн формируется стоячая волна, и рабочая плоскость является неоднородной. В случае распространения волны в БЭК и ПБЭК (рис. 3,б) величина отражённой волны от поверхностей камеры поля значительно меньше падающей. Поэтому вклад стоячей волны в распределение поля незначителен. А поле в рабочей области однородно.

Заключение

В статье описаны основные физические принципы экранирования электрических магнитных полей и электромагнитных волн в экранированных камерах. Проведён анализ основные типов и классификации экранированных камер, а также поглощающих материалов. Для обеспечения высоких экранирующих свойств камер имеющих сборно-разборную конструкцию необходимо обеспечить: высокую удельную проводимость и магнитную проницаемость в местах соединения металлических панелей. Такая задача решается совместным применением следующих технологий: 1) подбором материала и покрытия панелей и уплотнительных материалов согласно техническим требованиям; 2) применением отработанной технологией сборки (монтажа) экранирующей камеры; 3) обеспечение непрерывного контроля качества электрических и радиофизических характеристик сборной конструкции (особенно в местах соединений панелей). АО «ТЕСТПРИБОР» является одной из немногих компаний в России имеющею технологию сборки и контроля экранирующих свойств таких камер.

Литература

1. ГОСТ Р 50414-92. Оборудование для испытаний. Камеры экранированные. - Москва. Изд-во Госстандарт России. 1992. - 28 с.
2. ГОСТ CISPR 16-1-4-2013. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1-4. Аппаратура для измерения радиопомех и помехоустойчивости. Антенны и испытательные площадки для измерения излучаемых помех. - Москва. Изд-во Стандартинформ. 2015. -94 с.
3. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. -М.: Радио и связь. 1982. - 128 с.
4. Alexandra Foley. Modeling an RF Anechoic Chamber Using Periodic Structures [Электронный ресурс] // www.comsol.com : COMSOL BLOG, 2014, URL: https://www.comsol.com/blogs/modeling-rf-anechoic-chamber-using-periodic-structures/ (дата обращения 15.12.2016).