- •Воронеж 2014
- • Издательство Воронежского государственного
- •1. Общие указания 1.1 Цель работы
- •4.3 Задание третье. Для одного любого цилиндрического экрана из лабораторного комплекта исследовать на любой (по выбору студента) частоте эффективность экранирования от уровня входного сигнала.
- •4.4. Задание четвертое. Для одного (любого) из лабораторного набора пластинчатых экранов исследовать зависимость эффективности экранирования от расстояния между катушками индуктивности.
- •Библиографический список
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
Кафедра радиотехнических устройств и систем
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы № 3 по курсу
«Техническая электродинамика» для студентов
специальности 211000.62 «Конструирование и технология
радиоэлектронных средств» дневной и заочной форм
обучения
Воронеж 2014
Составитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Ю.В.Худяков
УДК 621.382+621.396.69(075)
Устройства для экранирования электромагнитных волн методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по курсу «Техническая электродинамика» для студентов специальности 211000.62 «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» дневной и заочной форм обучения./ Воронеж. гос. тех. ун-т. Сост. Ю.В. Худяков; Воронеж, 2014. 20 с.
В работе изложены методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 «Устройства для экранирования электромагнитных волн», главным содержанием которой является изучение принципа действия, конструкций и методов экспериментального исследования основных типов устройств для экранирования электромагнитных волн. Даны изучаемые при выполнении работы задания, методические указания к ним и перечни контрольных вопросов.
Методические указания выполнены на магнитных носителях объемом файла 292 KБ, наименование файла ЛР2 ТЭ. doc
Табл. 6. Ил. 2. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент канд. техн. наук А.В.Турецкий
Ответственный за выпуск зав. кафедрой РЭУС
Ю.С. Балашов
Издается по решению редакционного совета Воронежского государственного технического университета.
Издательство Воронежского государственного
технического университета, 2014
1. Общие указания 1.1 Цель работы
Цель работы - обучение студентов практическим навыкам расчета с помощью электронно-вычислительной техники параметров экранирующих устройств, методике их измерения и анализа величин этих параметров при изменении частоты сигнала (или помехи), формы, размеров и материалов
экранов и т.п.
Основным содержанием практической части лабораторной работы является измерение эффективности экранирования катушек индуктивности плоскими и цилиндрическими экранами, отличающимися друг от друга формой, габаритами и материалами, из которых они изготовлены.
Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляется:
1) лабораторный стенд с двумя катушками индуктивности: подвижной и неподвижной;
набор плоских и цилиндрических экранов;
штангенциркуль и линейка для измерения геометрических размеров экранов;
генератор сигналов типа ГЗ - 33;
милливольтметр типа ВЗ - 3.
1.2. Основные сведения об экранирующих устройствах
При работе радиотехнических устройств и систем в реальных условиях, как правило, неизбежно возникают паразитные связи и наводки, борьба с которыми является существенной частью при проектировании радиоэлектронного прибора, так как недостаточное подавление указанных связей и наводок резко снижает надежность аппаратуры и значительно ухудшает электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств.
На возрастание актуальности проблемы электромагнитной совместимости влияют следующие основные факторы:
1) непрерывное увеличение радиоэлектронных устройств и усложнение их функций и состава;
2) увеличение излучаемых мощностей передатчиков и наличие у них внеполосных и побочных излучений;
повышение чувствительности приемных устройств;
недостаток радиочастотных каналов, свободных от помех.
Многие вопросы электромагнитной совместимости радиоизделий решаются с помощью экранирования, которое является конструктивным средством локализации электромагнитного поля помех в пределах определенного пространства.
Экранирование применяется как для отдельных элементов, функциональных узлов, блоков радиоэлектронной аппаратуры, так и радиоэлектронных устройств в целом, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами (приемниками) помех. Таким образом, в зависимости от типа экранируемого изделия экранирование можно разделить на три вида: поэлементное, блочное и общее (все устройство помещают в кожух).
Для количественной оценки действия экрана используется либо эффективность экранирования, либо коэффициент экранирования.
Эффективность экранирования представляет собой отношение напряженности поля (электрического или магнитного) в какой - либо точке экранируемого пространства при отсутствии экрана к напряженности поля в той же точке при его наличии, т.е.
(1)
где , - напряженности полей в исследуемой точке без экрана; - напряженности полей в этой же точке при наличии экрана.
Коэффициентом экранирования принято называть отношение напряженности поля в какой - либо точке экранированного пространства к напряженности поля в той же точке при отсутствии экрана, т.е.
(2)
Нетрудно установить, что эффективность и коэффициент экранирования есть величины взаимно обратные. Поэтому
Иногда для усиления экранирующего действия применяются двойные, и даже тройные экраны.
Коэффициенты , , и являются комплексными величинами, поскольку между внутренним и внешним полями имеется фазовый сдвиг.
На практике эффективность и коэффициент экранирования часто выражают в логарифмических единицах, т.е. в децибелах (дБ)
(4) (5).
В общем случае и так как один и тот же экран может неодинаково экранировать электрическое и магнитное поля.
Для работы радиотехнических экранов характерными считаются четыре режима: электростатический, магнитостатический, электромагнитный и волновой.
Электростатический экран используют для экранирования электрических полей в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. Суть экранирования состоит в том, что электрические силовые линии замыкаются на металлическую массу экрана, электрически соединенного с землей или корпусом радиоэлектронной аппаратуры, вследствие чего происходит стекание зарядов.
Электростатические экраны изготовляют из меди, латуни, алюминия, свинца и других металлических материалов. Тип металла существенного значения не имеет.
Магнитостатические экраны применяют для экранирования магнитных полей в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. Сущность такого экранирования заключается в том, что магнитные силовые линии проходят через толщу магнитного экрана, минуя при этом экранируемое устройство. Эффект экранирования тем лучше, чем меньше диаметр экрана, чем больше его толщина и магнитная проницаемость.
Для изготовления магнитостатических экранов используют магнитные материалы: никель, карбонильное железо, ферриты, альсифер, пермаллой, пермендюр, гиперсил.
Экраны в электромагнитном режиме работы экранируют оба поля (электрическое и магнитное) в диапазоне частот приблизительно от 10 кГц до нескольких десятков мегагерц, причем электрическое поле экранируется так же, как и электростатическим экраном, т.е. замыканием силовых линий поля на металлическую массу экрана. Для экранирования магнитного поля используются вихревые токи, наводимые в экране магнитным полем.
По закону электромагнитной индукции вихревые токи создают свое магнитное поле, направленное встречно помехонесущему полю, в результате чего происходит компенсация полей, чем и достигается эффект экранирования. Для изготовления электромагнитных экранов наиболее часто используют алюминий, медь, латунь и другие металлы.
Установлено, что электрическое поле экранируется существенно лучше, чем магнитное. Поэтому конструктивно сложнее обеспечить защиту от воздействия магнитных полей.
Волновой режим работы экранирующего устройства в основном наблюдается на сверхвысоких частотах. Эффект экранирования достигается за счет многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитных волн происходит по причине существенного различия характеристических сопротивлений среды, в которой расположен экран, и материала, из которого изготовлен экран.
Эффективность экранирования в данном случае определяется формулой
(6)
где - составляющая, обусловленная отражением волн от границы раздела сред (металл - диэлектрик); - составляющая, определяемая затуханием энергии волн в металлической толще экрана;
- составляющая, характеризующая ослабление поля волны за счет внутреннего отражения в самом экране.
В радиотехнических устройствах очень часто приходится экранировать катушки индуктивности, поскольку их магнитный поток может пересекать витки других катушек или монтажные провода, расположенные поблизости, в связи с чем велика вероятность возникновения паразитных наводок, нарушающих нормальную работу аппаратуры.
Кроме индуктивной связи, между катушкой и соседними элементами возможно возникновение и паразитной емкостной связи. Так, например, поднесение руки человека к колебательному контуру, в который включена катушка, изменяет величину емкости контура и тем самым нарушает его
настройку. С целью экранирования катушку помещают в экран цилиндрической или прямоугольной формы. Экран, с одной стороны, ограничивает магнитное поле самой катушки, т.е. защищает от ее воздействия расположенные рядом детали и провода; с другой стороны, экран защищает и помещенную в него катушку от воздействия внешних полей.
Экран катушки работает тем эффективней, чем выше частота магнитного поля и чем больше проводимость материала экрана. Экраны для катушек обычно изготовляют из меди, латуни и алюминия. В медных и латунных экранах потери меньше, но они дороже алюминиевых и поэтому применяются реже. Для того чтобы экранировать не только магнитное, но и электрическое поле, экран катушки надежно соединяют электрически с корпусом прибора.
Под влиянием экрана изменяются параметры катушки:
уменьшаются индуктивность, собственные потери и добротность;
увеличиваются собственная емкость и суммарные потери;
понижается стабильность.
Количественное изменение указанных параметров зависит от соотношения между размерами катушки и экрана. Чем ближе экран к катушке, тем сильнее связь между ними и, следовательно, сильнее влияние экрана на параметры катушки.
При расчетах достаточно длинный экран, для которого выполняется условие
> (7)
рассматривают как короткозамкнутую одновитковую катушку с индуктивностью и активным сопротивлением , что позволяет определить параметры экранированной катушки при помощи теории связанных цепей.
В (7) , , и - длины и диаметры катушки и экрана.
На основании теории связанных цепей индуктивность экранированной катушки равна
(8)
где - индуктивность неэкранированной катушки;
- коэффициент связи между катушкой и экраном.
Из (8) следует, что < . Уменьшение .по сравнению с можно объяснить физически тем, что при протекании высокочастотных токов по проводу катушки в экране наводятся вихревые токи, которые своим магнитным полем уменьшают поле катушки, а, следовательно, и индуктивность, являющуюся, как известно, своеобразной мерой магнитного поля.
Собственные потери катушки при наличии экрана уменьшаются за счет того, что напряженность магнитного поля снижается около витков экранированной катушки, в результате чего уменьшается составляющая сопротивления катушки, вызываемая эффектом близости.
Суммарные потери катушки увеличиваются за счет активного сопротивления, вносимого в нее со стороны экрана.
Собственная емкость катушки под влиянием экрана увеличивается за счет дополнительной емкости между витками катушки и экраном.
Ухудшение стабильности катушки при экранировании связано с тем, что под влиянием дестабилизирующих факторов, например температуры, происходит изменение геометрических размеров и сопротивления экрана, что и приводит к изменению параметров катушки и распределения тока по сечению провода.
Для того чтобы индуктивность и добротность катушки при экранировании падали не более чем на 10%, отношение диаметров и нужно выбирать в пределах = 1,5 - 2,5. Для стабильных катушек берут .
Следует отметить, что экранировать необходимо лишь катушки достаточно большого размера, у которых > 15 - 20 мм. Катушки с диаметром не более 4 - 5 мм создают поле в относительно небольшом пространстве. При удалении таких катушек от других деталей на расстояние в 4 - 5 раз больше их диаметра опасных связей, как правило, не возникает, в связи с чем экранирование не требуется.
В экранах допустимы лишь такие швы и разрезы, направление которых совпадает с направлением вихревых токов. В противном случае возрастут потери.
По сравнению с цилиндрическими экраны прямоугольной формы позволяют лучше использовать площадь шасси радиотехнического устройства.
Для стабильных катушек экраны делают из материалов с малым значением коэффициента линейного расширения, например из инвара и омедненной керамики. С целью увеличения электропроводности их покрывают тонким слоем серебра.
В отдельных случаях между катушками необходимо устранить лишь емкостную связь, не влияя при этом на индуктивную. Для получения такого экранирования используют электростатический экран, располагаемый между катушками и состоящий из сетки изолированных проволочек (рис. 1).
Рис. 1. Электростатический экран
Концы проволочек соединяются электрически между собой лишь с одной стороны. Поэтому в экране не образуется замкнутых контуров для вихревых токов и они не возникают. Соединенные концы проволочек должны быть зазем-
лены. Совершенно ясно, что такой экран будет экранировать электрическое поле и не будет экранировать магнитное.
Для изготовления экранов, кроме рассмотренных металлов и магнитодиэлектриков, используются и другие материалы: диэлектрики (пластмасса, текстолит, картон, дерево и т.п.) с нанесенным на их поверхность слоем металлизации, фольговые материалы, токопроводящие краски, стекла с токопроводящим покрытием, электропроводные клеи, специальные ткани, содержащие металлическую нить.
2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ
2.1. Задание первое. Привести краткое описание радиотехнических экранирующих устройств, наиболее часто применяемых на практике.
Для выполнения задания необходимо изучить следующие разделы по литературным источникам:
1) экранирование электромагнитных полей [1, с. 315 - 319];
2)экранирование магнитных полей [1,с.319-330];
3)экранирование электрических полей [1, с. 330 - 339];
4)экранирование СВЧ устройств [2, с. 257 - 259].
При составлении описания экранирующих устройств следует отметить их режимы работы, область применения, достоинства и недостатки, конструктивные особенности.
2.2. Задание второе. Составить для трех экранов цилиндрической конструкции схему алгоритма и программу расчета эффективности экранирования низкочастотных магнитных полей.
При составлении схемы алгоритма и программы расчета за исходную принять формулу
, (9)
где - эффективность экранирования магнитного поля, дБ;
- частота помехи (или сигнала), Гц;
- абсолютная магнитная проницаемость воздушной среды, Гн/м;
, - радиус и толщина экрана, м;
- удельное электрическое сопротивление материала экрана, Ом ∙ м..
Расчет производится для каждого экрана при = 2; 5; 10; 20; 50; 100; 150; 200 кГц; R = 2,7 см; = 2 мм. Значения и материалы экранов указаны в таблице 1.
Табл.1.
Материал экрана |
Удельное сопротивление , Ом ∙ м |
Алюминий |
2,8 ∙10-8 |
Латунь |
6,25∙10-8 |
Сталь |
11∙10-8 |
3. ВОПРОСЫ К ДОМАШНИМ ЗАДАНИЯМ
1) Какова роль экранов при обеспечении электромагнитной совместимости и надежности радиотехнических и электронных устройств?
2) Что такое эффективность и коэффициент экранирования?
3) Является ли коэффициент экранирования комплексной величиной?
4) Почему поднесение руки к открытой катушке изменяет ее параметры?
5) Назовите и охарактеризуйте режимы работы экранов.
6) На какие три вида делится экранирование по назначению?
7) Почему в экранируемой области пространства эффективность экранирования оказывается различной для электрической и магнитной составляющих поля и зависит от координат точки измерения?
8) Каким образом изменяются потери на поглощение в экране с изменением частоты помехи (сигнала), магнитной проницаемости и проводимости материала стенок экрана?
9) От каких факторов зависит толщина электромагнитных экранов?
10) Из каких материалов изготавливают экраны?
11) Можно ли уменьшить коэффициент связи между экраном и экранируемой катушкой, не изменяя их размеров?
12) Почему латунные экраны применяются реже, чем алюминиевые?
13) Какова конструкция идеального электростатического экрана?
14) В чем состоит преимущество медных экранов по сравнению с алюминиевыми?
15) В чем заключаются особенности конструирования электромагнитных экранов для высокостабильных катушек индуктивности?
4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ
4.1. Задание первое. Измерить размеры цилиндрических и пластинчатых экранов, определить материалы, из которых они изготовлены, и составить эскизы их конструкций.
Измерение размеров экранов производится с помощью штангенциркуля и линейки. Материалы, из которых изготовлены экраны, определяются визуально. Полученные данные свести в таблицу 2 для цилиндрических экранов и в таблицу 3 для пластинчатых.
Таблица 2
Номер экрана
|
Материал экрана
|
Размеры экрана |
||
Внутренний диаметр Д, мм |
Высота h, мм |
Толщина t, мм |
||
|
|
|
|
|
Таблица 3
Номер экрана
|
Материал экрана
|
Размеры экрана |
||
Длина ℓ, мм |
Ширина в, мм |
Толщина t, мм |
||
|
|
|
|
|
4.2. Задание второе. Для всех цилиндрических и пластинчатых экранов, входящих в лабораторный комплект, снять зависимость эффективности экранирования от частоты используемого гармонического сигнала; по полученным данным построить графики, объяснить их форму и сравнить между собой и с расчетными значениями эффективности экранирования (п.2.2).
Снятие зависимости осуществляется с помощью лабораторного стенда с расположенными на нем двумя связанными по магнитному полю ( и частично по электрическому) катушками индуктивности, к одной из которых (подвижной) подводится синусоидальное напряжение от генератора ГЗ - 33, а к другой подключен милливольтметр ВЗ - 3. Изменение частоты генератора производится в пределах от 2 до 200 кГц.
Напряжение на зажимах выходной катушки измеряется дважды: при отсутствии экрана и при его наличии, причем на каждой из устанавливаемых частот входного сигнала. Эффективность экранирования в децибелах находят по формуле:
(10)
где - напряжение на зажимах выходной катушки при отсутствии экрана, а - с экраном. Цилиндрические экраны при экспериментах надеваются на катушку, а пластинчатые устанавливаются между катушками с помощью несложного приспособления, снабженного желобом, в который вставляется экран.
Экспериментальные и расчетные данные сводятся в таблицу 4, в которой указаны значения частоты входного сигнала .
Таблица 4
f, кГц |
Uбэ, мВ |
Номер экрана |
Uэ, мВ |
Э,дБ |
2
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
5 |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
Продолжение таблицы 4 |
||||
10
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
20
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
50
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
100
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
150 |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
200
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|
||
∙ |
|
|