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.
а
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.