21.10.2015

Экранирование радиоэлектронной аппаратуры, как метод обеспечения электромагнитной совместимости

Александр Ивко

Технический директор

ЗАО «ТЕСТПРИБОР»

tp@test-expert.ru

Основным методом обеспечения Электромагнитной совместимости в части устойчивости к воздействию электромагнитным полем, а так же соответствию требованиям к уровню излучаемых помех, является электромагнитное экранирование. Установка экранов на помехоизлучающие элементы обеспечивает разделение сигналов, необходимое для функционирования Радиоэлектронной Аппаратуры, повышает избирательность приемников, помехозащищенность чувствительной аппаратуры, чистоту сигнала генераторов, точность работы приборов. Правильный выбор метода экранирования, материала экрана и его конструкции очень важны именно на начальном этапе проектирования, поскольку он будет определять возможность успешного прохождения испытаний на ЭМС и качественного функционирования разрабатываемой аппаратуры.

Финансовые и временные затраты на обеспечение экранирования РЭА возрастают экспоненциально с ростом размеров изделия и приближением этапа сдачи изделия. При этом цена просчета, совершенного на начальном этапе проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. Пример из практики. Изделие представляющие из себя набор оборудования, установленного в морской контейнер. К изделию в целом предъявляются жесткие военные требования по излучаемым помехам в широком частном диапазоне. Однако данные требования не были учтены на этапе проектирования контейнера. В результате в конструкции не обеспечен надежный контакт по периметру дверей, не установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решетки недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТ коэффициента экранирования. По предварительной оценке переделка контейнера, с учетом сроков сдачи изделия в эксплуатацию превышает стоимость самого контейнера. Именно поэтому необходимо тщательно планировать помеховую обстановку изделия, применяя экраны, фильтры, поглощающие материалы.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ – это отношение интенсивности электромагнитного поля измеренного до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. На рисунке 1 приведены формулы для его расчета при измерении напряженности поля в различных величинах.

vzaimodeystvie-elektrovolni.png

Рисунок 1


От каждой границы раздела сред происходит отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5, который для электромагнитного поля близок к ста процентам и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 – связанно со скин эффектом - протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с ростом магнитной проницаемости. Например, для 50Гц – 1см.; 5кГц – 0,1см; 0,5 МГц – 10мкм; 2,4 ГГц-1,67мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.

poteri-naotragenie.jpg

Рисунок 2

Итоговый коэффициент экранирования представляет собой сумму потерь на отражение и поглощение. На рисунке 2 приведены расчетные значения потерь на отражение и поглощение для стали (проводимость 7,69х106 См/м, относительная магнитная проницаемость 50) и меди (проводимость 58х106, проницаемость 0,9999). Для меди с ростом частоты потери на отражение уменьшаются, а потери на поглощение увеличивается из-за её высокой проводимости. Для стали потери на отражение так же уменьшаются, потери на поглощение растут сначала даже быстрее чем у меди, так как на низких частотах все ещё велика магнитная составляющая, однако с дальнейшим повышением частоты эта же проницаемость, а так же низкая проводимость стали приводят к уменьшению потерь на поглощение и на сверхвысоких частотах сталь малоэффективна. Следовательно, для экранирования на высоких частотах предпочтительно использовать материалы с высокой проводимостью. На низких частотах материалы, с высокой проницаемостью.

ekranirovanie-magnitnogo.jpg

Рисунок 3

Примеры металлов и сплавов сведены в таблицу, представленную на рисунке 3. Для экранирования магнитного поля предпочтительным материалом является пермаллой с начальной проницаемостью 10×103 - 100×103, далее по убывающей, альсифер – 35000, железо чистое – 10000, трансформаторная сталь 250 – 1000, сталь конструкционная – 50 и другие магнитомягкие материалы. Для экранирования высокочастотных электромагнитных полей необходимо применять материалы с высокой проводимостью: серебро 62×106 См/м; медь 58×106 См/м, алюминий 37×106 См/м, латунь 12,5×106 См/м, сталь 7,6х106 См/м. При этом металлы и сплавы с высокой проводимостью, кроме стали не годятся для экранирования постоянных магнитных полей, т.к. имеют магнитную проницаемость равную 1 (как у воздуха). Для экранирования в широком диапазоне частот лучше всего подходят многослойные материалы, например сталь, с нанесенным слоем из хорошо проводящего металла. Такие листы применяют для изготовления безэховых камер. Для дальнейшего повышения коэффициента экранирования возможно использование комбинированных многослойных материалов.

Конструкция экранов.

Получить качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто – необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный контур (например, куб) и вы с легкостью получите Кэ порядка 100дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, т.к. необходимы отверстия для ввода кабелей, для вентиляции и для обслуживания аппаратуры.

koeficient-ekran-kruglogo-otverstiya.jpg

Рисунок 4

Каждое отверстие или щель в экране сравнимые с 1/20 длины волны следует учитывать при планировании экрана рисунок 4. Например, для 1ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40dВ, 1,5 см до 20dВ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на Кn=20log n. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.

koeficient-ekran-pryamo-otverstiya.jpg

Рисунок 5

В случае, если все же необходимо использовать отверстие строго определенного диаметра (например, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей). Можно использовать запредельный волновод рисунок 5. Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства этой конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определенной частоты будут распространяться с очень большим затуханием. Частота выше которой электромагнитная волна распространяется по волноводу практически без потерь называется частотой среза волновода, и определяется из его наибольшего внутреннего размера по формуле f=150000/g, где g-наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц. Коэффициент ослабления уже будет зависеть и от длины волновода и частоты и рассчитывается по формуле, представленной на рисунке 5.

koef-ekranirovaniya-grafik.jpg


Рисунок 6

Для примера на рисунке 6 построены графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации. Видно, что при уменьшении длины трубки с 20 до 10мм Кэ уменьшается со 108 дБ до 54 дБ, при этом частота среза остается постоянной. При изменении диаметра отверстия – изменяется частота среза волновода. Для волновода диаметром 20мм – это 10 ГГц, для волновода диаметром 200мм это уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть еще одно ограничение - если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, которые не сильно искажают диэлектрическую проницаемость среды. На рисунке 7 представлены конструкции из запредельных волноводов.

ventilcionnie-vvodi.jpg

Рисунок 7

Мы рассмотрели технические решения для создания вентиляционных решеток и ввода оптических кабелей, есть ещё одна проблема – образование щелей и зазоров, неизбежно появляющихся в процессе соединения элементов конструкции друг с другом. На рисунке 8 схематично изображены в большом увеличении две соприкасающиеся детали. Кроме непосредственного искривления самих элементов конструкции металлические детали имеют неровности, которые соприкасаясь друг с другом, образуют зазоры и щели. Для надежного электрического контакта в этом случае необходимо применить довольно большое усилие прижима либо, применить проводящую прокладку, которая обеспечит непрерывный контакт на всем протяжении щели.

soprikosnovenie-2-detaley.jpg

Рисунок 8

В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок, самых различных свойств и размеров рисунок 9.

provodyashie-prokladki.jpg

Рисунок 9

Планирование помеховой обстановки на различных этапах разработки

Планировать помеховую обстановку и экранирование необходимо на начальном этапе проектирования. Предотвращая распространение нежелательных сигналов от самого источника.

dizine-pechatnoy-playi.jpg

Рисунок 10

Первый уровень разработки - дизайн печатной платы рисунок 10, сюда относятся правильное проектирование полигонов земли, линий передачи, фильтров. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны. Они состоят из двух частей одна часть - основание, фиксируется на печатной плате, вторая часть - крышка надевается сверху и фиксируется зажимами, защелками, или пайкой.

dizine-bloka.jpg


Рисунок 11

Дизайн блока, рисунок 11. Представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100дБ. Шаг винтов выбирается исходя из максимальной частоты, которую необходимо экранировать, так же необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла, это оправдано, когда необходимы сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.

dizine-korpusa.jpg

Рисунок 12

Дизайн корпуса, рисунок 12. На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов. Окончательный коэффициент экранирования такой конструкции уже довольно трудно рассчитать, зато его можно достаточно достоверно оценить методом непосредственного измерения. Благодаря тому, что внутрь вполне может поместиться излучающая антенна с источником сигнала.

shema-ekraniya-korpusa.jpg

Рисунок 13

Следующий этап - Соединение двух экранированных систем рисунок 13. Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъема. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, а следовательно имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключенные в отдельный экранированный корпус.

Итак, для создания эффективного экрана необходимо:

а) Подобрать материал, его структуру и толщину в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую необходимо экранировать.

б) По возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического контакта по размерам сравнимые с 1/20 длиной волны.

в) Для вентиляции и ввода кабелей использовать «запредельные волноводы»

г) Для ввода сигналов и питания использовать оптические линии связи и проходные фильтры

д) Для обеспечения контакта по периметру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты

е) Контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения когда это возможно.

Применяя эти правила можно довольно дешево и быстро решить проблемы Электромагнитной совместимости, возникающие при разработке и эксплуатации Радиоэлектронной аппаратуры. А так же с уверенностью подтвердить соответствие Радиоэлектронной аппаратуры требованиям ГОСТ в аккредитованной испытательной лаборатории. Такой организацией является Испытательная Лаборатория Электромагнитной Совместимости ЗАО «ТЕСТПРИБОР аккредитованная «АРМАК» и «ВОЕННЫЙ Регистр» Протокол нашей лаборатории позволяет, в том числе получить сертификат соответствия продукции. По требованию заказчика работы проводятся под контролем Военного представителя МО РФ. Лаборатория проводит испытания на соответствие требованиям подавляющего большинства нормативных документов по ЭМС из области Авиации и наземной техники. С полным списком ГОСТ можно ознакомиться в наших буклетах или на сайте компании.

Сегодня трудно переоценить важность проведения испытаний на ЭМС. Особенно в связи с участившимися техногенными авариями, они лишь показывают что необходимо не только расчетами, но и натурными испытаниями подтверждать соответствие продукции государственным стандартам. Особенно это относится к военной, космической и авиационной отраслям, где цена ошибки очень высока.

И каждый раз проводя испытания, мы уверены, что делаем и свой небольшой вклад в развитие и повышение качества техники выпускаемой Российскими предприятиями.


VI всероссийская научно-техническая конференция
"Импортозамещение. Вопросы обеспечения предприятий промышленности электронной компонентной базой"