Электромагнитное экранирование

Д.Н. ШАПИРО





                ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
                ЭКРАНИРОВАНИЕ








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2010

      Д.Н. Шапиро
         Электромагнитное экранирование: Научное издание / Д.Н. Шапиро — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. - 120 с.
         ISBN 978-5-91559-049-5

         При разработке аппаратуры инженеры всё чаще сталкиваются с взаимовлияниями множества передающих и приёмных устройств. Актуальными становятся задачи экранирования узлов аппаратуры и высокочастотных длинных линий. Книга даёт базовые знания для их решения.
         Трудные вопросы прикладной электродинамики изложены предельно кратко и ясно. Наглядное физическое описание дополняется приводимыми справочно результатами сложных расчётов, данными экспериментов и практическими рекомендациями.
         Незаменимое руководство для специалистов по электромагнитной совместимости - исследователей, разработчиков и практиков; преподавателей, студентов и аспирантов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей.




















ISBN 978-5-91559-049-5

   © 2010, Наследники
   © 2010, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ











Предисловие к первому изданию...............................7

Глава 1
Общие сведения об электромагнитных экранах................. 9
   1.1. Определение термина «электромагнитный экран»........9
   1.2. Принцип действия электромагнитного экрана......... 10
   1.3. Количественная оценка эффективности экрана........ 11
   1.4. Зависимость эффективности экрана от характера источника поля; виды экранов.................................... 12
   1.5. Резонансные явления при экранировании............. 14
   1.6. Обратимость экрана................................ 14
   1.7. Реакция экрана на источник электромагнитного поля и защищаемый объект................................... 15

Глава 2
Экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечнымплоскимэкраном................................. 17
   2.1. Отражение плоской электромагнитной волны от плоской проводящей поверхности................................ 17
   2.2. Проникновение плоской электромагнитной волны в толщу проводника; поверхностный слой........................ 21
   2.3. Эффективность бесконечного однородного плоского экрана. Расчетные формулы..................................... 22
   2.4. Отражение электромагнитной волны от поверхности экрана и ослабление ее при проникновении сквозь толщу стенки .. 25
   2.5. Сравнение различных металлов как материалов для экрана. Рекомендации по выбору материала для экрана........... 28

Оглавление

    2.6. Эффективность двухстенного экрана. Рекомендации по применению двухстенного экрана....................... 30
    2.7. Эффективность биметаллического экрана.............. 33

Глава 3 Экранирование электрического диполя замкнутым экраном....... 34
    3.1. Явления, возникающие при внесении проводника в электростатическое поле............................... 34
    3.2. Экранирование электрического диполя при частоте, равной нулю............................................. 36
    3.3. Экран и заземление................................. 38
    3.4. Зависимость эффективности экранирования электрического диполя от частоты........................ 39
    3.5. Эффективность экранирования элементарного электрического диполя шаровым экраном. Расчет эффективности экранирования открытого излучателя реальным экраном........................................ 41

Глава 4 Экранирование витка с током замкнутым экраном............... 45
    4.1. Экранирование витка с током при частоте, равной нулю.................................................... 45
    4.2. Зависимость эффективности экранирования витка с током от частоты...................................... 47
    4.3. Эффективность экранирования элементарного магнитного диполя шаровым экраном. Расчет эффективности экранирования замкнутого излучателя реальным экраном........................................ 50
    4.4. Сравнение эффективностей экранирования элементарных электрического и магнитного диполей..................... 52
    4.5. Общие выводы об эффективности экранирования источников электромагнитных полей замкнутыми экранами. Расчет эффективности реальных замкнутых экранов................................................. 54

Глава 5 Влияние отверстий и щелей на работу экрана.................. 55
    5.1. Общие соображения о влиянии отверстий и щелей на работу электромагнитного экрана и об оценке этого влияния........................................... 55

Оглавление —I 5

    5.2. Общие соображения о проникновении электромагнитного поля через малое отверстие в бесконечно тонком идеально проводящем экране...................................... 57
    5.3. Проникновение квазиэлектростатического поля
       через малое отверстие в бесконечном тонком идеально проводящем экране.................................. 58
    5.4. Проникновение квазимагнитостатического поля через малое отверстие в бесконечно тонком идеально проводящем экране...................................... 62
    5.5. Влияние толщины стенок экрана на проникновение электромагнитного поля через отверстия................. 69
    5.6. Расчет эффективности экранов с отверстиями
       и щелями. Соображения по конструированию таких экранов............................................ 73
    5.7. Эффективность экранов из металлической сетки. Соображения по использованию таких экранов............. 77

Глава 6
Экранирование симметричных длинных линий.................. 83
    6.1. Общие соображения об экранировании длинных линий.. 83
    6.2. Эффективность экранирования симметричной длинной линии сплошным цилиндрическим экраном.................. 84
    6.3. Эффективность экранирования симметричной длинной линии металлической оплеткой........................... 88
    6.4. Влияние круговой щели в экране на эффективность экранирования симметричной длинной линии............... 92
    6.5. Рекомендации по практическому выполнению экранов симметричных длинных линий............................. 94

Глава 7
Экранирование несимметричных длинных линий................ 96
    7.1. Сопротивление связи сплошной металлической оболочки............................................... 96
    7.2. Сопротивление связи металлической оплетки........ 98
    7.3. Эффективность экранирования несимметричной длинной линии.......................................... 99
    7.4. Влияние круговой щели на эффективность экранирования несимметричной длинной линии..............102
    7.5. Рекомендации по практическому выполнению экранов несимметричных длинных линий............................104

Оглавление

Глава 8 Влияние экрана на экранируемый источник поля..............106
    8.1. Общие соображения о влиянии экрана на источник поля...................................................106
    8.2. Потери в экране..................................108

Глава 9 Измерение эффективности экранов...........................112
    9.1. Измерение эффективности экранирования источников поля...................................................112
    9.2. Измерение эффективности экранирования лабораторных и производственных помещений...........................113

Список литературы.........................................116

            ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ








            Электромагнитные экраны широко используются в современной электротехнике и, в первую очередь, в технике электросвязи. Они являются: средством ослабления вредных влияний одних элементов данного аппарата или прибора на другие его элементы; средством защиты различных аппаратов и приборов в целом от воздействия электромагнитных полей, создаваемых посторонними устройствами, средством подавления индустриальных радиопомех у источников их возникновения, т. е. средством локализации высокочастотных полей, создаваемых различного рода электроустройствами, не предназначенными для целей излучения электромагнитной энергии; средством защиты обслуживающего персонала от электромагнитных полей, создаваемых мощными высокочастотными генераторами. Они используются для создания производственных и лабораторных помещений, защищенных от посторонних электромагнитных влияний, в которых можно разрабатывать, налаживать и испытывать высокочувствительные приемные устройства различного назначения.
    Из сказанного следует, что все специалисты, занимающиеся проектированием и изготовлением аппаратуры связи, должны быть знакомы с принципом действия электромагнитных экранов, с основными правилами их конструирования, с порядком эффективности, которую они могут обеспечить, и с возможной реакцией их на источники поля и защищаемые объекты. Вместе с тем, в высших учебных заведениях этим вопросам почти не уделяется внимания, а очень малочисленная специальная литература или слишком сложна [1, 2, 3], или слишком популярна [4, 5, 6], чтобы служить хорошим пособием для широких кругов инженеров, сталкивающихся с этими вопросами на практике.

Предисловие


    Настоящая книга имеет целью восполнить указанный пробел и помочь инженерам, у которых возникает такая необходимость, овладеть основами теории электромагнитного экранирования
    Чтобы сократить объем книги и сосредоточить внимание читателя на существе основных физических процессов, не отвлекать его громоздкими математическими преобразованиями, большая часть расчетных формул дана без выводов.
Автор

ГЛАВА

1



            ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНАХ







1.1.      ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНА «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭКРАН»

           Электромагнитными экранами называют конструкции, предназначенные для ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные экраны делаются из металла: меди, алюминия, стали. Однако для защиты от постоянных и очень низкочастотных магнитных полей в настоящее время иногда применяют и ферриты. В данной книге рассматриваются только металлические экраны. Если металлическая конструкция не предназначена специально для экранирования, но попутно с выполнением своих основных функций решает и эту задачу, то говорят, что она работает как экран, служит экраном и т. п.
    В практике и литературе часто противопоставляют друг другу понятия «электростатический экран», «магнитостатический экран» и «электромагнитный экран». Такое противопоставление вряд ли уместно: подобно тому, как электростатическое и магнитостатическое поля являются частными случаями электромагнитного поля, электростатический и магнитостатический экраны являются частными видами электромагнитного экрана. Более детально этот вопрос рассматривается в разд. 1.4ивгл. Зи4.

—Л Глава 1. Общие сведения об электромагнитных экранах

1.2.      ПРИНЦИПДЕЙСТВИЯ
           ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЭКРАНА

           На вопрос о принципе действия электромагнитного экрана можно дать два ответа, которые внешне отличаются друг от друга, но, в сущности, одинаковы.
    Первый ответ формулируется следующим образом. Под действием первичного поля (поля источников) на поверхности экрана индуцируются заряды, а в его толще — токи и магнитная поляризация. Эти заряды, токи и поляризация создают вторичное поле (точнее, с ними связано вторичное поле). От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее поле, которое в защищаемой области пространства оказывается слабее первичного.
    Второй ответ гласит: принцип действия электромагнитного экрана состоит в том, что, отражая и направляя поток электромагнитной энергии, создаваемый источниками поля, экран отводит его от защищаемой области пространства, не допускает в эту область.
    Первый ответ проще, так как понятие об индуцированных зарядах, токах и связанных с ними вторичных полях хорошо знакомо практически каждому специалисту электрику. Кроме того, этот ответ позволяет рассматривать работу экрана при любых частотах, включая частоту, равную нулю. Недостаток этого ответа — некоторая физическая небезупречность.
    Действительно, в области пространства, где напряженность поля отлична от нуля, существует некоторый запас энергии. Можно говорить о наложении и взаимной компенсации полей, но нельзя говорить о наложении и взаимной компенсации запасов энергии. Поле в некоторой области может не возникнуть, если электромагнитная энергия в эту область не допущена; оно может стать слабее или вовсе исчезнуть, если запас энергии частично или полностью изъят из этой области.
    Второй ответ с указанной точки зрения более правилен. Однако непосредственное представление об отражении и направлении потоков электромагнитной энергии для большинства специалистов менее привычно. Кроме того, такое представление неприменимо в статических случаях и вынуждает нас рассматривать процесс установления статического режима.
    Единое существо обоих ответов ясно из того, что самый механизм отражающего и направляющего действия металлических кон