6.8. Электромагнитный экран

ОБЩИЙ СЛУЧАЙ

Электромагнитный экран представляет собой пластину из металла или другого поглощающего материала и используется для защиты от высокочастотных полей. Обычно форма экрана довольно сложная и определяется видом защищаемой аппаратуры или линии связи; однако криволинейные поверхности экрана можно почти всегда рассматривать как плоские, если выполняются условия, изложенные в 6.4.

Экран препятствует проникновению к данному устройству посторонних высокочастотных полей, в то же время он подавляет излучение от устройства во внешнее пространство. Заземленная

металлическая пластина является одновременно электростатическим экраном. Обычно металлический экран (среда 2 на рис. 6.11) разделяет два диэлектрика (среды 1 и 3), потери в которых несущественны. Поэтому волновые сопротивления вещественны. Параметры экрана:

Для хорошо проводящего металла выполняется условие считаем, что толщина экрана так как более тонкие слои практически неосуществимы: тогда выполняются также условия где

Коэффициент отражения экрана во всех случаях близок к —1. Чтобы определить, на сколько отличается от найдем величину . С учетом малости из получим:

Коэффициент прозрачности экрана найдем из ф-лы (6.36):

так как

Для практических расчетов удобнее использовать коэффициент прозрачности экрана по мощности, который определяется отношением средних значений векторов Пойнтинга волны, прошедшей экран, и падающей на него:

так как модуль знаменателя в

В расчетах важную роль играет поверхностный импеданс экрана Как и для проводника неограниченной толщины, активная составляющая поверхностного импеданса позволяет находить электромагнитные потери волны на границе с экраном по соотношению (6.27), так как при любом угле падения волна в экране распространяется почти по нормали. Поверхностный импеданс границы А диэлектрика с металлом (рис. 6.11) с учетом ф-лы (6.41)

Рассмотрим два частных случая.

ТОНКИЙ ЭКРАН

Заменим в ф-лах (6.43) и (6.44) синусы первыми членами их рядов, а косинусы — двумя первыми слагаемыми. Тогда

Поверхностный импеданс тонкого экрана чисто активен. В указанном приближении не зависят от частоты. Понятие «тонкий экран» отражает его малую толщину по сравнению с толщиной скин-слоя. На частоте «тонким» будет медный экран толщиной а для Очень тонкие металлические слои, прозрачные для света, могут служить эффективным экраном для электромагнитных излучений радиочастот. Например, металлическую пленку наносят на стекло, которым закрывают кабины дежурного персонала на мощных радиоцентрах. Экранирующее действие тонких металических пленок определяется не поглощением, а значительным отражением на границе диэлектрика с металлом.

ТОЛСТЫЙ ЭКРАН

В ф-лах (6.43) и (6.44) можно теперь пренебречь тригонометрическими функциями по сравнению с гиперболическими и, кроме этого, положить Тогда

Исчезновение тригонометрических функций в ф-лах (6.38 означает, что интерференционные эффекты между границами прекратились. Поглощение в пластине толщиной 2? настолько велико, что можно пренебречь волной, отраженной от границы В. Поэтому поверхностный импеданс пластины равен волновому сопротивлению проводника и не зависит от его толщины.

Коэффициент прозрачности экрана по мощности [ф-ла (6.46)] равен произведению величины затухания в материале пластины и коэффициентов прохождения через границы определяемых соотношением (6.14):

РАСЧЕТ ПРОЗРАЧНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА ПЛОСКОГО ЭКРАНА

Проведем численный анализ полученных соотношений на примере медных экранов толщиной находящихся в воздухе, при падении на них волны с частотой

Так как в данном случае , коэффициент прозрачности по мощности Эту величину удобно выражать в децибелах: Толщина скин-слоя по поэтому экран толщиной является тонким, а экран толщиной толстым. Примененные формулы и результаты расчетов сведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 (см. скан)

Из полученных данных вытекает, что даже очень тонкий экран толщиной в четверть скин-слоя имеет весьма низкий коэффициент прозрачности. Нужно почти в 40 раз увеличить толщину экрана, чтобы его защитное действие (выраженное в децибелах) увеличивалось в два раза.

Изменение характера поверхностного импеданса весьма показательно и свидетельствует о том, что его реактивная часть обусловлена потоком энергии, углубляющимся в металл в среднем на и возвращающимся затем обратно. Поэтому при очень тонкой пластине поверхностный импеданс чисто активен; при а при уже устанавливается соотношение характерное для бесконечно толстой пластины. Металл на глубине свыше 2? практически не участвует в создание обратного потока энергии.

Высокое защитное действие даже очень тонких экранов свидетельствует о том, что недостаточная экранировка чаще всего обусловлена наличием отверстий, щелей или других дефектов в экране, а не малой его толщиной.

РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДОВ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ И ЕЕ ЭКРАНИРОВКИ

Полученные соотношения позволяют рассчитать некоторые параметры коаксиальной линии (рис. 5.4) на произвольной частоте. Пусть требуется найти сопротивление единицы длины медных проводников коаксиальной линии с на частоте Толщина скин-слоя по ф-ле (3.48) мм. Как известно, магнитная составляющая поля в линии касательна к поверхности обоих проводников и одинакова по всему их периметру. Поэтому, во-первых, соблюдаются условия анализа скин-эффекта в цилиндрическом проводе, проведенного в 6.6, и могут быть использованы полученные там

результаты. Во-вторых, при радиусе кривизны внешнего проводника к нему применимы результаты анализа плоского металлического экрана.

Сопротивление внутреннего проводника при определяется только строгими соотношениями (6.33). Используем построенные по этим формулам кривые рис. 6.10: где сопротивление проводника постоянному току.

Сопротивление внешнего проводника определяем по формулам для металлической пластины, так как Искомое сопротивление равно сопротивлению плоской полосы шириной равной периметру внешнего проводника:

В данном случае поэтому определяется ф-лой (6.44). Результаты расчета

Экранирующее действие внешнего проводника коаксиальной линии оценим, исходя из следующих соображений. Пусть мощность передаваемой волны ток в линии Тогда магнитное поле у внутренней поверхности внешнего проводника Теперь представим себе, что такое поле создано плоской волной, падающей из воздуха на поверхность, плоской металлической пластины толщиной Так как магнитное поле у границы с проводником удваивается, поле падающей волны Вектор Пойнтинга падающей волны Коэффициент прозрачности медного экрана относительной толщиной граничащего с воздухом, определен ранее (см. табл. 6.1). -тельно, вектор Пойнтинга снаружи экрана Мощность излучения с каждого метра длины кабеля Относительный уровень излучения единицы длины линии о составляет — Если в общей конструкции объединены две одинаковые линии, то определяется переходное затухание между ними, равное мощности волны, проникшей во вторую линию из первой, по отношению к мощности волны в первой линии. Так как на пути волны находятся два экрана, переходное затухание ориентировочно равно (в децибелах) удвоенному значению полученной величины, т. е. на единицу длины. Для линии длиной полученное переходное затухание увеличивается на и составляет С повышением частоты уменьшается и переходное затухание между линиями со сплошным экраном возрастает.

ЗАДАЧИ

(см. скан)