Лабораторная работа №6 - Исследование электромагнитных экранов.(теория) - файл 1.doc

Лабораторная работа №6 - Исследование электромагнитных экранов.(теория)
скачать (511.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc

512kb.

20.12.2011 13:04

скачать

содержание

---

Смотрите также:
• Исследование электромагнитных реле [ документ ]
• № 1 - Исследование распространения электромагнитных волн в реальных средах [ лабораторная работа ]
• Исследование распространения электромагнитных волн. В-23 [ лабораторная работа ]
• Исследование электромагнитных полей элементарных излучателей. В-23 [ лабораторная работа ]
• №2 по дисциплине: Электромагнитные поля и волны. Исследование параметров электромагнитных волн элементарных излучателей [ лабораторная работа ]
• Рабочая программа - Теория передачи электромагнитных волн [ стандарт ]
• Лабораторная работа№1-исследование режимов работы линий передачи. Лабораторная работа№2-измерение параметров емкостной и индуктивной диафрагм [ лабораторная работа ]
• №304 Вариант №1 Выполнил(а): студент(ка) группы эс-934 Фамилия И. О. Брага С. В [ документ ]
• №2 по дисциплине «Теория автоматического управления» на тему "исследование систем комбинированного управления" [ документ ]
• №1 - Исследование бортовых вибраторных антенн ЛА.(теория) [ лабораторная работа ]
• «исследование теплоотдачи при свободной конвекции» [ документ ]
• №2 [ лабораторная работа ]

1.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.А.Н.ТУПОЛЕВА
Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций (ИРЭТ)

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем (РТС)

Н.Г. Воробьев

Методические указания к лабораторной работе № 206

Лабораторный практикум по дисциплине

«Техническая электродинамика»

по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»


Исследование электромагнитных экранов


Казань 2005г.
Цель работы

1. 
   Изучить правила оценки параметров электромагнитных экра­нов в области низких и высоких частот
   

2. Экспериментально исследовать влияние выбора материала кон­струкции электромагнитного экрана на характеристики экранирования в области низких частот.

3. Изучить влияние формы размеров отверстий в экране и их ориентации на коэффициент экранирования.

4. Изучить влияние резонансных явлений в электромагнитных экранах на величину экранного затухания СВЧ устройств.

5. Исследовать экранирующие свойства гибких коаксиальных кабелей.


Теоретическая часть
Изучить материал настоящего описания, а также /I/ стр. 117 -125; /2/ стр. 8-44.
^ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Электромагнитные экраны - это устройства, предназначенные для ослабления полей в областях, не содержащих источников, и яв­ляющиеся эффективным средством подавления как внутренних, так и внешних по отношении к данной электромагнитной цепи помехонесущих полей. Эти поля, в общем случае, различаются по частотному признаку (низкочастотные, высокочастотные), по типу источника помех (электрический, магнитный), амплитудно-временному признаку (вид сигнала, его спектр). В основном экраны являются линейными устройствами; Для выяснения специфики экранирования сложной амп­литудно-временной структуры сигнала применим принцип суперпози­ции. Эффективность экранирования зависит от ряда факторов: струк­туры электромагнитного поля, диапазона частот, формы экрана, раз­меров материала его конструкции. На эффективность экранирования существенное влияние оказывают отверстия щели в экране их форма, размеры и ориентация относительно векторов электромагнитного по­ля. Для оценки качества экранирования вводят понятия эффектив­ности экранирования по электрическому и магнитному поля ЭЭ и ЭМ
(1)
и экранного затухания.
АЭ = 20 lg ЭЭ дБ (2)

где Е0; Н0 - электромагнитное поле в защищенной области в отсутствии экрана. Еi Н - поле при наличии экрана.

1. 
   ^ Особенности экранирования электрических и магнитных полей.
   

На низких частотах параметры экранов для электрических и
магнитных полей сильно отличаются друг от друга, с повышением частоты сигнала помехи эти различия уменьшаются. К низким частотам
относятся те случаи, когда расстояние от источника помехи до эк­рана R << λ , где λ длина волны сигнала помехи, R эквива­лентный радиус экрана. Указанная область соответствует ближней зоне источников поля, в которой для электрических источников
(например, диполей, вибраторов) преобладает электрическое поле,
а для магнитных источников (рамка с током) преобладает магнитное
поле). В расчетах экрана для электрического поля нужно учитывать
особенности экранирования электрического поля, а во втором магнитного.

На высоких частотах, когда R > λ, поле источников стано­вится электромагнитным и соотношение между электрическим и магнитным полем не зависит от вида источника. В этом случае ведут расчет экранов для высоких частот. На рис. 1а приведены зависимости экранного ослабления стального и медного экранов для магнитных и электрических источников от частоты.

С точки зрения физических процессов предельные случаи электромагнитного экранирования на низких частотах - это электростатические и магнитостатические поля. Известно, что электростатическое поле полностью экранируется тонкостенным экраном Ээ ~ из любого

металла с проводимостью δ > 0. Магнитостатическое поле совсем не экранируется экраном из немагнитных материалов (рис.1). Отсюда, для экранирования магнитного поля экраны изготавливают из материала с большим значением >> 1 . Если увеличивать часто­ту электромагнитных колебании, то с ростом частоты различие меж­ду этими двумя процессами начинает стираться. Принято считать, что эффективность экранирования с понижением частота падает, т.к. растет глубина проникновения поля в стенку экрана пропорциональ­но увеличению толщины сrин слоя Δ° (Толщина скин слоя - это такая глубина проникновения поля в проводник, на которой амплитуда по­ля убывает в е раз).


δ - удельная проводимость материала,

- круговая частота сигнала, ;

Но с другой стороны, на самых низких частотах и особенно на ну­левой частоте эффект экранирования электрического поля резко воз­растает, а магнитного падает. На высоких частотах, когда толщина экрана d >> Δ°, эффективность экранирования электрических и маг­нитных полей сравнивается.

Физику экранирования можно объяснить по-разному:

1. Под воздействием поля помехи на экране наводятся электрические поверхностные заряды, а также токи и магнитное поле. Они
создают вторичное поле, которое в результате сложения с первичным полем ослабляют его в защищенной области.

2. С другой стороны, действие экрана можно рассматривать как результат многократного отражения электромагнитной волны от его
поверхности, из-за различия волновых сопротивлений окружающей среды и материала экрана, и затухания высокочастотной энергии в стенках экрана. Эффект экранирования по электрическому и магнит­ному полям, в этом случае, можно характеризовать как



где - характеризует ослабление электрического и маг­нитного поля за счет потерь энергии в стенке экрана.

и - потери электрического и магнитного поля из-за отра­жений от поверхности экрана.

Качественное сопоставление этих величин для немагнитных ма­териалов иллюстрируется на графиках (рис. 2). Анализ этих кривых показывает, что на более низких частотах эффективность экраниро­вания в основной определяется эффектом отражения соля от поверх­ности экрана, а на высоких частотах главным образом эффектом

поглощения.

В конструкциях экранов часто приходится предусматривать от­верстия, цели. Наличие отверстий в экране снижает эффективность экранирования и их влияние зависит от форма, размеров отверстии его местоположения и ориентации относительно токов проводимости
на экране.

Местоположения отверстий желательно выбирать в области эк­рана, где поле помехи минимальное. Размеры отверстия должны быть по возможности минимальными и оно должно быть ориентировано большей стороной перпендикулярно касательным силовым линиям магнит­ного поля. При этом отверстие пересекает меньшее число силовых линий плотности тока проводимостей и, следовательно, оно слабее будет возбуждаться. Влияние формы отверстия сказывается на его эффективность возбуждения. Если поле помехи линейной поляриза­ции и ее направление известно, то отверстие желательно делать узким и ориентировать его перпендикулярно магнитному поли, а если поляризация неизвестна или вращающаяся, то отверстие желательно брать квадратным, круглым. При этом эффективность его возбуждения не зависит от направления поляризации. Если одно большое от­верстие можно заменить рядом маленьких, то это значительно улучшает характеристики экранирования.

^ Расчет электромагнитных экранов


Инженерный расчет электромагнитных экранов сводится к выбору матернала конструкции, расчета толщины стенок формы и размеров. При этом, как правило, принимают во внимание следующие особенности:

1)структуру сигнала (его широкополосность)

2)форму экрана

3)диапазон частот и тип источника

4)наличие отверстий и щелей

5)резонансные явления

-При экранировании сложных широкополосных сигналов расчет проводят по наиболее интенсивной низкочастотной составляющей спектра, а для мощных импульсных сигналов, имеющих постоянную составля­ющую магнитного поля для изготовления экранов используют материал

с μ' >> 1.

-Учет формы экрана. Строгий расчет электромагнитного экрана удается осуществить только в ряде простейших случаев. К таким относятся случаи, когда форма экрана совпадает с фронтом волны по­ля помехи. Например:

1 .Экранирование плоской электромагнитной волны бесконечнымплоским экраном.

2. Экранирование однородным шаровым экраном точечного источ­ника, расположенного в центре.

3. Экранирование однородным цилиндрическим экраном линейно­го источника, лежащего на его оси.

В расчетах все реальные конструкции экранов, с определенной идеализацией, сводятся к вышеперечисленным случаям и влияние фор­мы экрана в расчетах учитывают коэффициентом А Ф (рис.3).


(4)


Экранное затухание реального экрана рассчитывают как



где - экранное затухание плоского экрана.
I. Расчет замкнутого электромагнитного экрана:
а) на низких частотах качество экранирования оценивает по магнитному поло. При f  0 влияние экрана сказывается лишь при ’ > 1 . При ’ >> 1 и f  0 экранное затухание рассчитывают по

формуле:



На низких частотах (при R << /2, R - эквивалентный радиус экрана)

, (5)

где Эпл - эффективность экранирования плоского экрана из того же материала,

d - толщина стенки экрана

(6)

Из соотношений (5) и (6) следует, что на качество экраниро­вания существенно влияют магнитные свойства материала экрана. Для сравнения на рис. 4 приведены графики экранного ослабления для стального И медного экранов.

б) на высоких частотах экранное ослабление для магнитного ди­поля определяется по упрощенной формуле как

(5а)

для электрического диполя в сферическом экране

(7)

где Эпл определяется соотношением (6)

Расчет экранов с отверстиями (перфорированных экранов). Наличие в экране отверстий, щелей, неплотностей приводит к существенному снижению его эффективности. Величина уменьшения эк­ранного затухания из-за отверстий зависит от их размеров, формы, места положения и ориентации отверстий по отношению к векторам поля, от толщины стенок экрана.

Коэффициент экранирования экрана с отверстиями оценивают следующим образом:



где Эз - эффективность замкнутого экрана (без отверстий)

Эотв - эффективность экрана с отверстиями, изготовленного из идеального проводника. Поперечные размеры отверстия dотв < λ. Для замкнутого экрана с круглым отверстием Эотв в квазистати­ческом приближении будет



где Σэфф - площадь всего экрана

S - площадь отверстия

С учетом конечной толщины стенок экрана d отверстие в экра­не можно рассматривать как короткий отрезок волновода и, если отверстие мало dотв << λ, то волновод является запредельным и пе­редача электромагнитной волны по нему характеризуется множителем ( Е; Н) e-αd, где α постоянная распространения запредельного вол­новода для соответствующего типа волны (рис. 5).

Значения коэффициентов α для квазимагнитостатического и квазиэлектростатического полей в круглом и прямоугольном отверс­тиях приведены в таблице I:

Таблица I

Форма отверстия Тип волны	Круглое диаметром dотв	Прямоугольное α > b
Н	3,68/ d отв
Е	4,8/ d отв

На рис. 6 приведены зависимости Эотв от отношения Σ/Sотв

для отверстий различных размеров, Для увеличения эффективности экрана с отверстиями, отверстия надставляются патрубками длиной l. При этом ослабление сигнала в отверстие в запредельном волноводе возрастает в eαl раз (рис.5).

(12)

Для перфорированных экранов, содержащих N отверстий, величина ЭZ отв определяется в предположении, что поле от всех отверстий в экранированной области складывается арифметически. При этой

(13)

Для экранов, выполненных в виде металлической сетки из проволоки диаметром dпр и шагом сетки dс значение Эс находится из соотношения (13) при dпр << dс << λ0

(I4)
3. Резонансные явления в экранах.
В СВЧ диапазоне конструкции экранов представляют собой замкнутую проводящую оболочку с размерами соизмеримыми с длиной волны.

На определенных частотах помехонесущих полей, когда частота помехи совпадает с собственной частотой экрана, в экране возни­кает резонансные явления. В результате амплитуда сигнала помехи в экранируемой области возрастает и экранировка ухудшается (рис.6).

Экранное затухание экрана с учетом резонансных явлений оце­нивается следующим образом
АЭ = Апл – АФ – Арез (15)

учитывают, если два или более размеров экрана превосходит и частота помехи совпадает с собственной частотой экрана.

Величина Арез с учетом шероховатости стенок экрана определяется как


где - эффективная проводимость материала экрана с учетом шероховатости его поверхности.

б - среднеквадратическое значение высот микронеровностей поверхности экрана.
Шероховатость стенок экрана снижает добротность резонансных явлений и уменьшает Арез. Из соотношения (16) следует, что для ослабления влияния резонансных явлений в экране для уменьшения Арез целесообразно использовать для экранов материалы с большими потерями, a также использовать рифление поверхности экрана с целью увеличения б и увеличения экранов.

4. Рекомендации к проектированию электромагнитных экранов.
На рис. 6 показаны зависимости экранного ослабления по электрическому и магнитному полям от частоты. Becь частотный диапазон разбит на три области:

1) квазистатические низкочастотные поля

2) высокочастотные поля

3) волновые процессы
На низких и высоких частотах, анализ соотношений (5) - (7) показывает, что для изготовления экранов целесообразно исполь­зовать проводниковые материалы с большим значением  >>1.Это позволяет при том же значения экранного ослабления уменьшить толщину стенок экрана. Однако в ряде случаев приходится учитывать влияние экрана на СВЧ схему (например, с точки зре­ния вносимых потерь, снижения добротности). При этом отказываются от магнитных материалов (сталь, никель), а используют качес­твенные проводники медь, алюминий и др. По электростатическому поло экраны нужно заземлять. Отверстия цели на экране нужно ориентировать большими размерами вдоль электрических токов и размещать их в минимумах касательного к экрану магнитного поля.

В области волновых процессов в диапазоне СВЧ нужно учиты­вать влияние возможных резонансных явлений. Применение материалов с ярко выраженными магнитными свойствами и СВЧ диапазоне не дают существенного выигрыша и экраны изготавливаются из материалов с хорошей проводимостью.

Для расширения рабочей полосы частот экрана, а также для обеспечения требуемых характеристик экрана с минимальной толщиной стенок широко используют многослойные экраны чередуя немагнитные и магнитные материалы. Такое сочетание материалов увеличивает потери в экране на отражение и поглощение. Наилучшим сочетанием материалов для многослойных экранов является медь (алюминий) - сталь. На рис.7 приведен график, соответствующий оптимальному соотношении толщин сдоев меда и стали в двухслойном экране для экранирования магнитного поля. Толщина экрана

d = dM + dc = 0,4 мм. Их графика следует, что на низких частотах до 102 Гц хороший результат дает однородный стальной экран. С ростом частоты большую роль играют вихревые токи и экран переходит из магнитного в электромагнитный.

При необходимости уменьшай вносимые потери нужно внутреннюю поверхность экрана покрыть хорошо проводящим металлом.
^ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКРАНОВ.
1. Исследование влияния материала и тала конструкции замкнутого экрана на экранирование магнитного поля.

I.I. Описание экспериментальной установки.

Функциональная схема экспериментальной установки приведена на рис.8. Она состоит из генератора сигнала Г4-32 (I), источника магнитного поля (2), магнитного зонда (3), сменного экрана (4), измерителя отношений В8-3 Ш (5).
Цель эксперимента, путем измерения величина связи между источником поля и зонда, исследовать влияние материала и конструкции экрана на величину экранного ослабления в диапазоне низ­ких частот и сравнить результаты измерения с теоретическими зависимостями.

Величина экранного ослабления Эм определяется путем измере­ния отношения величины связи по магнитному полю между элементами схемы (2) и (3) без экрана и при его наличии частота генератора устанавливается по лимбу генератора.

В работе исследуются 4 типа экрана: медь (фольга) t = 0,05мм, латунь t = 0,5мм, t = 2 мм, жесть t =0,3 мм. Первые три экрана немагнитные и четвертый магнитный.

1.2. Предварительное задание

Произвести расчет экранного ослабления по соотношениям (5), (6), (14) для экрана сферической формы радиусом R = 50 мм, толщиной стенок d = (0,1 - 1)мм на частотах 50 Гц - 5 vГц для мате­риалов медь, сталь, металлическая сетка dc = 5 мм, dпр = 0,3 мм.
1.3. Порядок выполнения работы.

1. Собрать установку (рис.8) и подготовить приборы к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

2. Установить уровень сигнала генератора таким, чтобы в от­сутствии экрана на измерителе отношений стрелка индикатора и ли­ний отношений стояли бы на единице.

4. По очереди накрывая источник поля экранами из разных материалов замерить величину экранного ослабления.

5. Перестроить генератор на другую частоту, повторить пунк­ты (3), (4), Измерения производить на частотах 40 Гц, 400 Гц,

4 кГц, 10 кГц, 20 кГц. При всех измерениях измеритель отношений включать в широкополосном режиме.

6. Построить зависимость AМ = f(f) от частоты для всех экра­нов и объяснить ход кривых.
1.4. Оформление отчета. Отчет должен содержать:

1..Схему установки.

2. Результаты экспериментов и ожидаемые теоретические кривые.

3. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

4. Выводы.

II. Исследование экранов с отверстиями и перфорированных экранов на СВЧ
2.1. Описание экспериментальное установки приведена на рис.9. Она состоит из генератора Г4-9 (I), исследуемого макета (4), сменной диафрагмы(5), детекторной головки (6) > измерительного усилителя В 8-7 (5). - - .

Цель измерений - исследовать влияние формы, размеров и ориен­тации в экране относительно векторов поля на величину экранного затухания.

Исследуемый макет (рис.10) представляет собой два отрезка прямоугольного волновода сечением 75x38 с дроссельными фланцами (7). Между фланцами размещается исследуемая диафрагма с отверстиями (3). -

В качестве экрана в установке используется диафрагма, включенная в разрыв волновода прямоугольного сечения с волной Н10.

В работе используются диафрагмы с отверстиями прямоугольной формы и одинаковой суммарной площадью (см. таблицы (I) и (2)), толщина диафрагмы t= I мм.

Для исследования влияния толщины экрана с отверстием в работе предусмотрена диафрагма с размерами отверстия (8,3x30X6,25x40) толщиной t = 5 мм t= 10 мм. Площадь отверстия постоянна - мм

Таблица 2

Размеры отверстий и их число

Таблица 3

b 5	6,25	8,3		12,5	15,8		20	30		40	50
а 50	40	30		20	15,8		12.5	8,3		6,25	5
ЧИСЛО	I		2			4			6
размер	5x50		5х25			5х12,5			5х8.3

Диафрагмы 1,3,5,6 предусмотреть разворот на 90°, при этом размер a меняется на размер b.

2.2. Порядок выполнения работы

1. Установить на лимбе генератора частоту 3000 МГц.

2. В разрыв волноводов включить диафрагму с отверстием 75x38 и откалибровать генератор и измеритель отношения на отно­шение единица, при этом измеритель отношений установить на часто­ту I кГц.

3. Последовательно меняя диафрагмы с максимального соотно­шения сторон ( а b ) до минимального (см.табл.2) замерить ве­личину экранного ослабления .

4. Проделать тоже самое для диафрагма с несколькими отверс­тиями, меняя диафрагмы от меньшего числа отверстий к большему. Замерить зависимость Э от числа отверстий при мм

5. Произвести измерение экранного ослабления диафрагмы с отверстием в зависимости от толщины экрана.

2.3. Оформление отчета
Отчет должен содержать:
1. Схему установки.

2. Результаты экспериментов в таблицах и графиках.

3. Выводы


Ш. Экранирование узлов несимметричных полосковых линий

3.1. Корпус СВЧ узлов на несимметричных полосковых линиях, обычно представляет собой замкнутую металлическую оболочку, содер­жащую низкочастотные и высокочастотные вводы и выводы электричес­ких сигналов. Помимо механических функций крепления платы и выво­дов сигнала, корпус выполняет функцию электромагнитного экрана, изолирующего СВЧ узел от окружающих электромагнитных полей. Раз­меры корпуса как правило определяются размерами полосковой платы и возможны случаи, когда эти размеры становятся соизмеримыми с рабочей длиной волны полоскового узла.

Поля и токи полосковых линий возбуждают в корпусе волноводные типы колебаний и на определенных частотах в ней возможно воз­никновение резонансного явления, как в объемном резонаторе. Это явление сопровождается резким возрастанием напряженностей полей в корпусе, что приводит к увеличению паразитных связей между от­дельными элементами полосковой платы, к снижении помехозащищен­ности СВЧ узла и к снижение эффективности экрана. Поэтому при про­ектировании полосковых узлов на размеры корпуса накладывает усло­вия отсутствия резонансов на рабочих частотах и их гармониках.

Для корпуса прямоугольной формы с размерами сторон без учета диэлектрической подложки полосковой платы условие от­сутствия резонанса может быть оценено



(17)
3.2. Предварительное задание

1. По соотношению (17) определить резонансный размер резона­тора (lр) , учитывая, что а= 72мм h= 10мм, f=2,95ГГц.

2. По соотношениям (3) и (16) оценить величину А рез.(дБ). В расчетах учесть, что поверхность резонатора покрыта серебром

Ср 15 см/м 5 мкм
3.3 Описание экспериментальной установки

Электрическая схема экспериментальной установки приведена на рис.10. Она состоит из генератора Г4-9, макета установки (нап­равленного ответвителя (2), перестраиваемого резонатора (3), де­тектора (4) и измерительного усилителя.

Макет (рис.11) представляет собой полосковую плату направленного от­ветвителя, размещенную в волноводном резонаторе, выполняющим функцию корпуса экрана . Размер поперечного сечения волновода 72x10. Длина резонатора изменяется короткозамкнутым поршнем.

Две связанные полосковые линии о помощью коаксиально-полосковых переходов выведены наружу резонатора.

В процессе исследования измеряется связь (коэффициент пере­дачи) меаду линиями в зависимости от размеров резонатора.

3.4. Порядок выполнения работы

1. Установить поршень в крайне правое положение.

2. Подать сигнал на вход ответвителя генератора 3 ГГц.

3. Выходной сигнал детектируется и контролируется измерите­лей отношения.

4. Перемещением поршня меняют размер резонатора с шагом 5мм и регистрируют изменение выходного сигнала.

В области максимального возрастания сигнала шаг перемеще­ния поршня меняют с целью точной настройки резонатора в резонанс. На резонансе измеряют изменение коэффициента передачи между свя­занными линиями по отношению к величине связи при максималь­ном размере резонатора и фиксируют резонансную длину резонатора.

3.5. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1. Схему установки.

2. Результаты расчетов.

3. Результаты экспериментов.

4. Сопоставление результатов расчета и эксперимента – выводы.
Контрольные вопросы

I. Назовите особенности экранирования магнитных и электрических источников в диапазоне частот.

2. Охарактеризуйте влияние резонансных явлений в экранах на величину экранного ослабления.

3. Какие конструктивные приемы используют для устранения резонансных явлений.

4. Охарактеризуйте влияние формы отверстия в экране на экранное ослабление экрана.

5. В чей заключается особенность многослойных экранов?

6. Дайте частотную характеристику экрана из металлической сетки.

7. Как сказывается на параметры экранирования экрана с от­верстиями толщина его стенок?

8. Сформулируйте понятие низкой частоты для электромагнит­ных экранов.

9. Как сказывается на параметр экранирования величина про­водимости материала экрана для электрических и магнитных источни­ков.

10. В чем заключается влияние нерезонансного экрана на высоко-добротное СВЧ устройство.

11. Охарактеризуйте влияние резонансных явлений в корпусе не­симметричных полосковых линий.

Литература

1. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - Сов. Радио

1973, стр.117-125.

2.Шапиров Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирова­ния.

Энергия. 1975.

5 Экранирование коаксиальных линий
В кабельной технике вопрос экранирования встает очень остро так в линиях передачи локализуется электромагнитная энергия высокой плотнос­ти. И поэтому при значительных уровнях экранного затухания кабели своим излучением создают значительные помехи.

В коаксиальном кабеле экраном служит внешний проводник Рис.13.То­ки высокочастотных помех заводимых на кабель внешним полем, вследс­твие явления поверхностного эффекта сосредотачивается в наружном слое этого проводника, выполненного из сплошного металла. Токи сигнала,пе­редаваемого по кабелю, также вследствии скин эффекта и эффекта близос­ти, сосредотачивается на внутреннем слое внешнего проводника. Таким об­разом, токи сигнала и токи помех во внешним проводнике как бы разделены друг от друга и сростом частоты это разделение в соответствии с явле­нием поверхностного эффекта, возрастает. Это позволяет внешний проводник кабеля, выполнений из сплошного металла, на высокой частоте рассматри­вать как двойной экран. .

Анализ эффективности экранирования коаксиальной линии проводят на основании модели, состоящий из коаксиальной линии, металлического корпуса объекта, где проложена эта линия. При этом экранированная коаксиальная линия представляется двумя линиями рис14

1-собственно коаксиальная линия(центральный , проводник, внешний проводник)

2-наружная линия (внешний проводник коаксиальной линии и поверх­ность корпуса).

Вторая линия возбуждается первой через наружную оболочку. Падение напряжения dU,создаваемое на элементе наружной поверхности оболочки dx током первой линии U, действует как возбуждающая ЭДС во второй линии. Между dU и током первой линии, т.е. - полным током Уu, протека­ющим по экранирующему проводу, существует очевидная связь:



где -сопротивление связи, коэффициент, зависящий от материала и вида конструкции оболочки. Хотя.Ес1. не определяет непосредственно эф­фективности экранирования, он является хорошим показателем для сравни­тельной оценки качества различных экранирующих оболочек: чем меньше,тем лучше экран.

Если толщина оболочки d меньше глубины проникновения поля в про­водник сопротивление. практически равно сопротив­лению единицы длины этой сболочки для постоянного тока. С ростом часто­ты из-за поверхностного эффекта усиливается плотность токана наружной поверхности кабеля (рис.12) падает и уменьшается падение напряжения,т.е. уменьшается.Зависимость экранного ослабления А от толщины проводника d рассчитанная по соотношениям (1),(3) приведена на рис.15 Для тонкой оболочки R>>d, где R-радиус оболочки, с достаточной для инженерной практики точностью можно считать(12):

( 19)

где b-радиус внешнего проводника Э пл. -эффективность плоского экра­на (6)
(6)

-глубина проникновения поля в проводнике.




На рис. 16 проведены результаты расчетов сопротивления связи в диапазоне частот по соотношению (19;6)для случая стального (4) и медного (3) проводника оболочки толщиной d=0,25мм. Как показывают расчеты, с ростом частоты сопротивление связи резко уменьшается. Причем стальная оболочка за счет на низких частотах является лучшим экраном, а с ростом частоты качество экранирования становиться лучше у медного эк­рана.

Если экраном коаксиальной линии служит металлическая оплетка, то L возбуждение внешней линии происходит еще за счет проникновения поля из коаксиала через отверстия в оплетке.

Это явление сильно зависит от качества контакта между проводками в оплетке и с ростом частоты (укорочением длины волны) усиливается. Соп­ротивление связи металлической оплетки в отличие от сплошной оболочки возрастает. Кривые 2,1 рис. 16

Значение сопротивления связи для металлической оплетки можно оце­нить по следующим соотношениям:

(20)

где

(21)
с-шаг повива оплетки (мм) n-число проволок D-диаметр проволки оп-

летки (мм) -проводимость материала оплетки. На рис.16(кривая 1 и 2)

приведены результаты расчета по соотношени­ям (19,20) для стальной и медной оплеток с данными: b=5мм; с=32мм; D=0,25;n=240; .-100. Как показывают расчеты, сопротивление связи растет с частотой, и стальная оплетка обладает худшими качествами экранирования по всей по­лосе частот. Таким образом металлическая оплетка на высоких частотах является худшим экраном нежели сплошная оболочка.

Эффективность экранирования несимметричной длинной линии. Поле снаружи экрана при экранировании несимметричной длинной ли­нии оказывается не только ослабленным то и существенно искаженным по сравнению с полем при отсутствии экрана. По этому количественная сценка эффективности экранирования оказывается в данном случае условной поз­воляющей дать качественную оценку происходящих процессов. В качестве количественных характеристик эффективности экранирования нессимитричной длинной линии можно использовать следующие две величины:

1.отношение напряжения в линии., определяемого для режима бегу­щей волны (без учета потерь в линии) к наибольшему напряжению во внешней линии



Этот параметр определяет эффективность экрана по электрическому полю.

2.Отношение тока в линии наибольшему току во внешней линии этот параметр определяет эффективность экрана по магнитному по­лю.

Если внешняя линия "заземлена" на одном конце(соединена с поверхностью корпуса - поверхность нулевого потенциала)и изолирована на другом кон­це, то эффективность экранирования по электрическому поля определяется формулами.

(22)
-волновое сопротивление кабеля. -постоянная распростране­ния внешней линии l-длина линии. Эффективность экрана по маг­нитному полю определяется соотношением
(23)
гдеволновое сопротивление внешней линии. Если линия" заземлена" на обоих концах то эти параметры определяются следующим образом
(24)
(25)
На рис. 17 приведен порядок величины и характер ее зависимости от частоты при экранировании несимметричных длинных линий свинцовой оболочки кривая (1 и 2) и медной оплеткой(кривая 3 и 4)приведение графики показывают что в области частот и ниже все экранирующие оболочки обеспечивают эффективность экранирования одного порядка. С ростом час­тоты сплошная оболочка обеспечивает гораздо лучшее, экранирование, чем оплетка.

При эффективность экранирования существенно зависит от заземления экранирующей оболочки: эффективность экранирования по электрическому полю значительно выше при "заземление" на обоих концах кривые(2 и 4).Напомним что эффективность экранирования по магнитному по­лю .наоборот значительно выше при "заземлении"на одном кон­це. Привеличины и оказываются одного порядка и (если не принимать во внимание резонансных явлений, а интересоваться лишь сред­ними значениями) не зависят от того, заземлен экран на одном или на обоих концах линии.

В конструкциях РЭА для повышения эффективности экранирования ко­аксиальных кабелей их внешний проводник (металлическую оплетку замыкают с корпусом блока в точках, удаленных друг от друга на расстояние ме­нее.Это уменьшает эффективность возбуждения внешней линии и тем са­мым показывает эффективность экранирования.

Реально кабели с металлической оплеткой имеют эффективность экранирования в МВ и ДМВ диапазонах 30-40 дБ. Для увеличения экранного зату­хания принимают специальные меры: используют контактные оплетки с ме­таллическим корпусом через интервалы (минимальная длина вол­ны экранирования) Резкие перегибы гибких кабелей приводят к деформации оплетки и поперечного сечения линии, что также снижает эффективность экранов.

Экспериментальное исследование экранирующих свойств внешних про­водников гибких коаксиальных кабелей.

Установка (рис.18) включает в себя: 1. Генератор (Г4 132,Г4 8) 2.Вентиль Э-20 3.Переменный аттенюатр 4.Калибровочный ослабитель на (20-30)Дб. 4(а).Измерительная головка с исследуемой линией 5.Детекторная секция. 6.Измерительный усилитель. Конструкция из­мерительной головки приведена на рис. 19.Она состоит из металлической трубы(1) на одном конце которой установлен коаксиаль­ный переход(2).С другого конца в трубу(1) по диэлектрической трубке (З) вставляется исследуемая коаксиальная линия(4).На конце кабеля запаян металлический наконечник(5) который соединяется с центральным провод­ником перехода(2)


Измерение экранного затухания.
Измерение экранного затухания исследуемого кабеля производится методом замещения, когда индикатор фиксирует одну и ту же амплитуду сигнала, исключая тем самым погрешность вольт - амперной характеристики диода детекторной секции. Измерение желательно производить на трех сильно разнесенных частотах(100-150)Мгц 1000мгц и 1900Мгц. Для измерения по схеме рис.16 необходимо в начале произвести калибровку измеритель­ного тракта. Для этого на данной частоте аттенюатр (З) устанавливают в положение максимального ослабленияи в схему включают ослабитель(4) при этом фиксируют показания индикатора (6)Затем вместо ослабителя (4) в тракт включает измерительную головку(4а) и уменьшая ослабление аттенюатора(З) до значения при котором показания индикатора (6) будет иметь такие значения Ослабление оплетки исследуемого от­резка кабеля будет определяться как разность показаний аттенюатора

т.к. длина отрезка кабеля l=15cм то величина экранного затухания бу­дет пропорциональна


Порядок выполнения работы.

1.Расчитать зависимость для оплетки кабеля и экранного ос­лабления для оплетки кабеля на частоте 100Мгц 1000Мгц

2.Произвести эксперименты по измерению экранного ослабления для 2-3 марок кабелей.

Отчет должен содержать.

1.Расчет сопротивления экранного ослабления на 3 частотах для кабелей по указанию преподавателя на основании данных таб.1.

Результаты эксперимента.

2. 
   Выводы.
   

таб.1.

Тип кабеля		Диаметр по изоляции (мм)	Материал изоляции	Данные оплетки вн. проводника
				с	n	D пров.
РК 50-2-21	50	2	фторопласт	22	30	0,12
РК 50-4-13	50	4	полиэтилен	24	24	0,2
РК 75-4-16	75	3,8	полиэтилен	16,3	24	0,2
РК 50-4-21	50	4,8	фторопласт	13	48	0,2

Электрический

диполь

Плоская

волна

Магнитный

диполь

f, мГц

Рис.1а

Толщина экрана d=0,1 мм
Сталь
Медь

Аэ


f

Рис.1



dF₂

f

Рис.2





d

R










R







рис.3



E

H

A

Рис.6

Рис.7


Рис.10

Рис.8

Рис.9


Рис.11

Рис.12


Рис.13

Рис.14

Рис.15

Рис.16

Рис.17


Рис.18

Рис.19

---

Скачать файл (511.5 kb.)

Поиск по сайту:  

---