23.12.2014

Защита РЭА от воздействия низкочастотного электромагнитного поля

Защита РЭА от воздействия низкочастотного электромагнитного поля

Василенков Н. А., Грабчиков С. С., Ивко А. М.

В статье представлены экспериментальные результаты измерения эффективности экранирования многослойных поверхностно-объемных экранов (МПОЭ), предназначенных для защиты от воздействия электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения. Проведен сравнительный анализ МПОЭ и промышленных материалов, применяемых для экранирования в настоящее время. Описаны преимущества разработанной технологии формирования МПОЭ применительно к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).

В настоящее время достаточно остро стоит вопрос защиты приборов и аппаратуры ракетно-космической и оборонной техники, чувствительных микроэлектронных компонентов (интегральных микросхем) широкого спектра назначения, биологических объектов и информации от воздействий различного вида электромагнитных полей. Источниками магнитных и электромагнитных полей могут являться как естественные (постоянное поле Земли, ферромагнитные объекты, атмосферные явления, космическое излучение), так и искусственные (наводки от компонентов радиопередающей и электронной аппаратуры, специальные генераторы электромагнитных импульсов, электромагнитные взрывы) объекты. Поля естественного происхождения характеризуются следующими параметрами: плотность энергии космических лучей составляет 0,25÷1,0 эВ/см2, поле магнитосферы Земли – 30÷100нТл, а в период магнитных бурь достигает 250÷600нТл, вспышки (разряды) электромагнитного излучения в верхних слоях атмосферы (ионосфера, высота 50-100км) длительностью около миллисекунды приводят к выделению энергий величиной 1012Дж в день [1]. Внешние токи, протекающие по металлическим элементам и корпусам ракетно-космических аппаратов в результате короткого замыкания, могут генерировать напряженность магнитной составляющей электромагнитного поля от 1×105 до 37×105 нТл, и тем самым оказывать негативное влияние на работу РЭА, прецизионных датчиков, интегральных микросхем вплоть до их полного выхода из строя [2].

Над решением проблемы электромагнитной защиты работают ведущие специалисты многих стран мира. Основным и наиболее эффективным способом защиты является экранирование. Традиционная технология изготовления массивных экранов из листовых, сеточных и ленточных материалов на основе ферромагнитных материалов и их сплавов позволяет во многих случаях решить проблему экранирования, однако, это дорогостоящий, нетехнологичный и материалоемкий путь, который труднореализуем для нанесения на геометрически-сложные (участки составных конструкций бортовой аппаратуры) малоразмерные (корпуса интегральных микросхем) участки. В качестве альтернативы традиционным материалам для обеспечения высокой эффективности экранирования предлагается технология электромагнитных экранов на основе многослойных материалов.

В многослойных поверхностно-объемных экранах (МПОЭ), состоящих из металлов с различными электрическими и магнитными свойствами, за счет многократного отражения электромагнитной волны между слоями, эффективность экранирования (Э) может многократно возрастать. Многослойные материалы могут быть сформированы на основе чередующихся слоев с высокой магнитной проницаемостью (магнитомягкие сплавы на основе металлов группы железа) и слоев с высокой электрической проводимостью (слои меди, серебра). Однако создание многослойных экранов из листовых магнитных материалов весьма трудоемко и нетехнологично. Для формирования многослойных материалов предлагается использовать технологию электролитического осаждения.

В лаборатории ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР» совместно с ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» были выполнены работы по измерению эффективности экранирования партии образцов МПОЭ на основе системы NiFe/Cu. Образцы формировались на алюминиевых заготовках плоской формы размерами 120×120 мм2 и толщиной 0,8 мм. Толщина магнитных слоев варьировалась в пределах от 5 до 200 мкм, толщина медных слоев была постоянной и составляла 2 мкм. Количество слоев изменялось от 2 до 80, при этом общая толщина магнитных слоев (Σdмагн.) для всех образцов составляла 400 мкм. Измерения величины Э переменного электромагнитного поля проводилось в диапазоне частот 50Гц÷5000Гц на установке, в которой реализован вариант экранирования полупространства от плоской электромагнитной волны (ЭМВ). Исследуемый образец размещался перпендикулярно падающей ЭМВ между расположенными вдоль одной оси излучательной и измерительной катушками. Эффективность экранирования оценивалась из отношения амплитуд сигналов индуцируемых в измерительной катушке при отсутствии экрана (U0) и при наличии его (U) [3]:

Э = U0/U (1)

Работы, выполненные в ЗАО «Тестприбор», показали, что многослойные экранирующие структуры с симметричным расположением магнитных и немагнитных слоев обладают высокой эффективностью по отношению к низкочастотным электромагнитным полям. На рисунке 1 приведены зависимости эффективностей экранирования МПОЭ системы NiFe/Cu от количества и толщины магнитных слоев для различных значений частоты ЭМП. Видно, что с ростом количества магнитных слоев от 2 до 40 при постоянном значении суммарной толщины магнитных слоев эффективность экранирования возрастает в 2; 2,5 и 17 раз для частот 50; 500 и 5000Гц, соответственно.


Зависимости Э образцов МПОЭ системы NiFe/Cu

а

Зависимости Э образцов МПОЭ системы NiFe/Cu

Зависимости Э образцов МПОЭ системы NiFe/Cu

исунок 1 – Зависимости Э образцов МПОЭ системы NiFe/Cu от толщины и количества магнитных слоев для различных значений частот ЭМП – 50 Гц (а); 500 Гц (б) и 5000 Гц (в) ( – толщина магнитного слоя 5 мкм; – 10 мкм; – 40 мкм; – 200 мкм).

Для сравнения при тех же условиях были измерены значения эффективности электромагнитного экранирования промышленно выпускаемых материалов – алюминий, медь, никель, электротехническая сталь 3408 (все – производство РФ), экранирующий материал в виде фольги из сплава NiFe «Aaronia X-Dream» (Германия) (табл. 1). Как видно из приведенных данных, на всех исследованных частотах экраны на основе МПОЭ превосходят по своей эффективности экраны, изготовленные из однослойных металлических материалов.

Как известно [4], эффективность металлических экранов в основном определяется потерями на поглощение и отражение при прохождении ЭМВ через вещество. С ростом частоты в однослойных металлических материалах потери на поглощение возрастают, а потери на отражение снижаются. В многослойных структурах, содержащих слои с высокой электрической проводимостью и слои с высокой магнитной проницаемостью, с ростом частоты ЭМВ эффективность экранирования будет возрастать.

Таблица 1

Значения эффективности электромагнитного экранирования промышленно выпускаемых материалов

Частота; / материал

Al

Cu

Ni

Эл-техн.

сталь 3408

Aaronia

X-Dream

Размеры образцов (мм×мм×мм)

120×120×0,8

120×120×0,8

120×120×0,5

120×120×0,6

120×120×0,15

50 Гц

1,5

1,1

2,1

35

47

500 Гц

1,7

1,1

2,8

50

63

5000 Гц

3,3

3,3

3,0

33

66

Исходя из вышеизложенного, можно заключить:

1. Экраны на основе МПОЭ обеспечивают более высокий уровень электромагнитной защиты в низкочастотном диапазоне ЭМП, чем промышленно выпускаемые металлургические материалы – медь, алюминий, электротехническая сталь, пермаллой;

2. Наиболее высокие значения эффективности экранирования на частотах 50; 500 и 5000 Гц равные 125; 780 и 34 000, соответственно, получены на МПОЭ, содержащих 40 слоев NiFe по 10 мкм и 40 слоев Cu по 2 мкм;

3. МПОЭ обладают следующими преимуществами по сравнению с используемыми в настоящее время обычными однослойными экранами:

- технологичностью (за счет применения метода гальванического нанесения появилась возможность защищать конструкции сложной формы);

- улучшение массогабаритных характеристик результирующих защитных конструкций за счет малой толщины и высокой эффективности наносимых МПОЭ.

Все вышеперечисленные преимущества позволяют считать, что данный метод найдет применение у потребителей (разработчиков) РЭА, решающих задачи защиты от воздействия электромагнитных полей.

Список использованной литературы:

1. Модель космоса / под ред. М.И. Панасюка. – Т. 1. - М.:КДУ, 2007. – 872 с.

2. Антипин В.В., Громов Д.В., Годовицин В.А. и др. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и микросхемы. Зарубежная радиоэлектроника, 1995, вып.1, с. 37-53.

3. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л., «Энергия», 1975, 112с.

4. Henry W.Ott. Noise Reduction techniques in Electronic Systems. – New York, I. Wiley and Sons. 1988. – 429p.