eng
Выпуск #3/2023
Д. Гришин, И. Гусев
Конструкционные материалы для обеспечения электромагнитной совместимости радиоаппаратуры
Конструкционные материалы для обеспечения электромагнитной совместимости радиоаппаратуры
Просмотры: 1042
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.3.210.217
Электромагнитное экранирование – широко распространенный метод обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоаппаратуры. Эффективность экранирования и надежность функционирования аппаратуры во многом определяются конструкцией экранов, а также характеристиками и свойствами материалов, используемых для их изготовления. В статье рассмотрены основные конструкционные материалы, применяемые для электромагнитного экранирования, такие как прокладки, контактные пружины, ткани, термоусадочные трубки, поглотители ВЧ-излучения с клеевым слоем. Описана методика подтверждения характеристик экранирующих материалов в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР».
Электромагнитное экранирование – широко распространенный метод обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоаппаратуры. Эффективность экранирования и надежность функционирования аппаратуры во многом определяются конструкцией экранов, а также характеристиками и свойствами материалов, используемых для их изготовления. В статье рассмотрены основные конструкционные материалы, применяемые для электромагнитного экранирования, такие как прокладки, контактные пружины, ткани, термоусадочные трубки, поглотители ВЧ-излучения с клеевым слоем. Описана методика подтверждения характеристик экранирующих материалов в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР».
Теги: electromagnetic compatibility electromagnetic wave absorbers поглотители электромагнитных волн электромагнитная совместимость электромагнитное экранирование
Конструкционные материалы для обеспечения электромагнитной совместимости радиоаппаратуры
Д. Гришин, И. Гусев
АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Электромагнитное экранирование – широко распространенный метод обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоаппаратуры. Эффективность экранирования и надежность функционирования аппаратуры во многом определяются конструкцией экранов, а также характеристиками и свойствами материалов, используемых для их изготовления. В статье рассмотрены основные конструкционные материалы, применяемые для электромагнитного экранирования, такие как прокладки, контактные пружины, ткани, термоусадочные трубки, поглотители ВЧ-излучения с клеевым слоем. Описана методика подтверждения характеристик экранирующих материалов в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР».
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электромагнитное экранирование, поглотители электромагнитных волн
Статья поступила:07.04.2023
Статья принята:25.04.2023
Введение
В современном мире электроника и вычислительная техника занимают особое место во многих сферах деятельности человека. Однако совместное использование различных электронных устройств может приводить к возникновению нежелательных электромагнитных взаимодействий, которые могут негативно сказаться на работе этих устройств. Одним из способов решения таких проблем является обеспечение электромагнитной совместимости [1].
Электромагнитная совместимость (ЭМС) определяется как способность электронной системы функционировать в окружении других систем без значительного воздействия на них. Это означает, что оборудование, предназначенное для использования в различных электронных системах, должно соответствовать определенным стандартам ЭМС, чтобы обеспечить возможность безопасного и надежного функционирования в различных условиях эксплуатации.
Так, например, современные медицинские приборы, осуществляющие диагностику и лечение пациентов, включают в себя множество компонентов и электроприборов. Взаимодействие всех этих компонентов может вызывать нежелательные электромагнитные волны, что приводит к сбоям в работе устройства, возможно, даже его разрушению [2].
С расширением количества устройств, работающих в электромагнитном спектре, ученые и инженеры находят новые решения проблемы ЭМС. Основным методом обеспечения электромагнитной совместимости в части устойчивости к воздействию электромагнитных полей, а также соответствия требованиям к уровню излучаемых помех является электромагнитное экранирование [3]. 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 надежного функционирования разрабатываемой аппаратуры.
В настоящее время промышленность выпускает огромное разнообразие материалов для обеспечения ЭМС. Это конструкционные материалы, предназначенные для улучшения экранирования, поглотители электромагнитных волн, а также ЭРИ: дроссели, специальные фильтры и полупроводниковые приборы.
В данной статье подробнее рассмотрим конструкционные материалы, к которым относятся прокладки, контактные пружины, ткани, компаунды, ферритовые изделия, а также их комбинации.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Контактные пружины (рис. 1) изготавливают из различных сплавов (бериллиевая бронза, сталь, монель, луженая медь) и применяют для обеспечения контакта между двумя проводящими поверхностями. Пружины отличаются большим количеством циклов сжатия – более 20 тыс. без ухудшения основных характеристик. Усилие прижима около 800 г/см. Эффективность экранирования выше всего в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц и падает с ростом частоты. В силу своей конструкции пружины позволяют организовать скользящий контакт. Универсальные методы крепления позволяют организовать скользящий или прижимной контакт в любом направлении. Для крепления может использоваться один из нескольких методов: клепки, крепление к пазам, крепление с помощью клеевого слоя, крепление методом клипсы, монтаж с помощью приклеиваемой рейки, сварка, пайка. С помощью таких пружин организуются ножевые контакты, применяемые в дверях безэховых камер.
Прокладки из проволочной сетки представляют собой сетку из стальной проволоки, скрученной в трубку или обернутую вокруг мягкой пористой резины (рис. 2). Применяются в основном при сборке высоконагруженных конструкций (БЭК). Между жгутами прокладки пропускается болт соединения и таким образом организуется непрерывный контакт вокруг соединения. Количество циклов сжатия – от 6 до 12 в год. Кроме того, выпускается лента из плетеного провода (рис. 3), которая позволяет экранировать кабельные сборки путем обмотки вокруг кабеля. Зафиксировать ее можно с помощью термоусадочной трубки или любым другим удобным способом.
Сегодня получили широкое распространение экранирующие прокладки из проводящей резины и эластомеров (рис. 4). Они популярны благодаря возможности обеспечить одновременно герметичность и электрический контакт. Они обладают высокой гибкостью, что позволяет укладывать их в пазы сложной формы, как, например, в СВЧ-корпусах. Кроме того, они удобны для поточного производства, поскольку могут быть сформированы из компаунда на автоматической линии.
Спиральные трубки (рис. 5) по функционалу подобны контактным пружинам, но их способ монтажа иной – они устанавливаются в паз и прижимаются сверху крышкой. Электрический контакт обеспечивается за счет упругости стали.
Наиболее популярны и удобны в использовании тканевые проводящие прокладки с упругим наполнителем и клеевым слоем (рис. 6). Они представляют собой вспененный полимер, покрытый проводящей тканью. Выпускаются различных форм и размеров, благодаря наличию проводящего клеевого слоя могут использоваться на неподготовленных корпусах при отсутствии пазов. Количество сжатий превышает 500 тыс. Тканевые проводящие прокладки имеют остаточную деформацию при превышении усилия и степени сжатия.
Экранирующая фольга применяется для экранирования магнитной и электрической составляющей электромагнитного поля, в зависимости от материала фольги (рис. 7). Выпускается в катушках с нанесенным клеевым слоем. Очень удобно экранировать кабели, устранять щели в экранах. Коэффициент экранирования достигает 10.
Для экранирования прозрачных конструкций применяется экранирующая пленка с клеевым слоем. Коэффициент экранирования от 20 до 30 дБ. Также для решения этих задач применяются готовые экранированные стекла, получаемые спеканием двух стекол и проволочной сетки между ними (рис. 8). Для крепления к внешнему экрану по краям такой конструкции оставляется юбка, шириной 10–50 мм для крепления к проводящей поверхности. При применении подобных конструкций всегда необходимо помнить, что чем выше коэффициент экранирования, тем ниже коэффициент светопропускания.
При необходимости заэкранировать кабельную сборку, обеспечив ей механическую защиту, удобно применять экранирующие термоусадочные трубки (рис. 9). Внутри такой трубки нанесен проводящий слой или сетка. При усадке трубка плотно облегает кабель, обеспечивая необходимую прочность и экранирование до 60 дБ на частоте 10 ГГц. Необходимо помнить, что для обеспечения заявленного коэффициента экранирования при заделке разъемов необходимо обеспечить электрический контакт по всему хвостовику разъема и его проводящего корпуса.
Особое место среди экранирующих материалов занимают поглотители высокочастотных излучений с клеевым слоем (рис. 10). Они применяются для обеспечения ЭМС внутри небольших корпусов. Как известно, в закрытом корпусе, состоящем из проводящих материалов, электромагнитные волны отражаются от проводящей поверхности. Многократные переотражения в небольшом замкнутом пространстве приводят к образованию стоячих волн, изменению полного комплексного сопротивления пространства над полоском и во многих случаях к отказу функционирования схемы, которая работала при открытой крышке. Для решения этой проблемы применяют поглотители с клеевым слоем. Их удобно наклеивать на крышку корпуса, обеспечивая поглощение до 10 дБ.
На рис. 11 представлена зависимость усиления от частоты для усилителя с автоматической регулировкой усиления. На графике видны броски коэффициента усиления из-за пространственных резонансов до применения поглотителя. После наклейки поглотителя характеристика становится гладкой, а усилитель с АРУ-пригодным для эксплуатации. Поглотители являются частотно-зависимыми материалами, что необходимо учитывать при их выборе.
Учитывая скорость появления новых материалов в промышленности, невозможно быть заранее знакомым со свойствами их всех, в связи с чем в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР» разработали методику подтверждения некоторых характеристик экранирующих материалов. Метод основан на стандарте MIL-STD‑285 [4]. Подтверждение коэффициента экранирования листовых материалов проводится следующим образом. Перед проведением измерений выполняется калибровка измерительной системы. В безэховой камере устанавливаются друг напротив друга, соосно, приемная и измерительная антенны с известными характеристиками (рис. 12).
Измеряется коэффициент связи между антеннами в исследуемом частотном диапазоне. Затем передающая антенна и генератор сигналов устанавливаются в камере, а приемная антенна – вне камеры (рис. 13).
В технологическое отверстие камеры последовательно устанавливаются исследуемые образцы материалов и проводятся измерения. Полученные значения сравниваются с коэффициентом связи антенн без экрана между ними, и вычисляется коэффициент экранирования. Данный метод пригоден также для оценки эффективности применения проводящих прокладок. Прокладки помещаются между камерой и стальной пластиной с известным коэффициентом экранирования – по снижению коэффициента экранирования можно довольно точно оценить эффективность применения той или иной прокладки.
С помощью этого метода было проверено несколько образцов материалов, результаты подтвердили заявленные значения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Благодаря появлению на рынке новых конструкционных материалов разработчикам становится проще обеспечить необходимые требования по ЭМС, но сложнее разобраться в многообразии предлагаемых продуктов. АО «ТЕСТПРИБОР» обладает собственной испытательной лабораторией, способной подтвердить качество поставляемых материалов, что позволяет предлагать комплексные решения проблем ЭМС.
REFERENCES
Pospisilik M., Drofova I., Kovar S., Dulik T., Tesacek A. Construction of a Generator for Power Frequency Magnetic Field Immunity Test. 2023. 33rd International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA). 19–20 April 2023. DOI: 10.1109/RADIOELEKTRONIKA57919.2023.
Pospisilik M. Introduction to Electromagnetic Compatibility for Electronic Engineers… and not only for them. – Zlin: Tomas Bata University in Zlin. 2019.
IMO Resolution A.813(19) – General Requirements for Electromagnetic Compatibility (EMC) for all Electrical and Electronic Ships Equipment – (Adopted on 23 November 1995).
Standard MIL-STD‑285 Attenuation Measurements for Enclosures and Electromagnetic Shielding
АВТОРЫ
Гришин Д., инженер-испытатель, лаборатория ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Гусев И., инженер-испытатель, лаборатория ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Д. Гришин, И. Гусев
АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Электромагнитное экранирование – широко распространенный метод обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоаппаратуры. Эффективность экранирования и надежность функционирования аппаратуры во многом определяются конструкцией экранов, а также характеристиками и свойствами материалов, используемых для их изготовления. В статье рассмотрены основные конструкционные материалы, применяемые для электромагнитного экранирования, такие как прокладки, контактные пружины, ткани, термоусадочные трубки, поглотители ВЧ-излучения с клеевым слоем. Описана методика подтверждения характеристик экранирующих материалов в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР».
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электромагнитное экранирование, поглотители электромагнитных волн
Статья поступила:07.04.2023
Статья принята:25.04.2023
Введение
В современном мире электроника и вычислительная техника занимают особое место во многих сферах деятельности человека. Однако совместное использование различных электронных устройств может приводить к возникновению нежелательных электромагнитных взаимодействий, которые могут негативно сказаться на работе этих устройств. Одним из способов решения таких проблем является обеспечение электромагнитной совместимости [1].
Электромагнитная совместимость (ЭМС) определяется как способность электронной системы функционировать в окружении других систем без значительного воздействия на них. Это означает, что оборудование, предназначенное для использования в различных электронных системах, должно соответствовать определенным стандартам ЭМС, чтобы обеспечить возможность безопасного и надежного функционирования в различных условиях эксплуатации.
Так, например, современные медицинские приборы, осуществляющие диагностику и лечение пациентов, включают в себя множество компонентов и электроприборов. Взаимодействие всех этих компонентов может вызывать нежелательные электромагнитные волны, что приводит к сбоям в работе устройства, возможно, даже его разрушению [2].
С расширением количества устройств, работающих в электромагнитном спектре, ученые и инженеры находят новые решения проблемы ЭМС. Основным методом обеспечения электромагнитной совместимости в части устойчивости к воздействию электромагнитных полей, а также соответствия требованиям к уровню излучаемых помех является электромагнитное экранирование [3]. 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 надежного функционирования разрабатываемой аппаратуры.
В настоящее время промышленность выпускает огромное разнообразие материалов для обеспечения ЭМС. Это конструкционные материалы, предназначенные для улучшения экранирования, поглотители электромагнитных волн, а также ЭРИ: дроссели, специальные фильтры и полупроводниковые приборы.
В данной статье подробнее рассмотрим конструкционные материалы, к которым относятся прокладки, контактные пружины, ткани, компаунды, ферритовые изделия, а также их комбинации.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Контактные пружины (рис. 1) изготавливают из различных сплавов (бериллиевая бронза, сталь, монель, луженая медь) и применяют для обеспечения контакта между двумя проводящими поверхностями. Пружины отличаются большим количеством циклов сжатия – более 20 тыс. без ухудшения основных характеристик. Усилие прижима около 800 г/см. Эффективность экранирования выше всего в диапазоне частот от 100 МГц до 1 ГГц и падает с ростом частоты. В силу своей конструкции пружины позволяют организовать скользящий контакт. Универсальные методы крепления позволяют организовать скользящий или прижимной контакт в любом направлении. Для крепления может использоваться один из нескольких методов: клепки, крепление к пазам, крепление с помощью клеевого слоя, крепление методом клипсы, монтаж с помощью приклеиваемой рейки, сварка, пайка. С помощью таких пружин организуются ножевые контакты, применяемые в дверях безэховых камер.
Прокладки из проволочной сетки представляют собой сетку из стальной проволоки, скрученной в трубку или обернутую вокруг мягкой пористой резины (рис. 2). Применяются в основном при сборке высоконагруженных конструкций (БЭК). Между жгутами прокладки пропускается болт соединения и таким образом организуется непрерывный контакт вокруг соединения. Количество циклов сжатия – от 6 до 12 в год. Кроме того, выпускается лента из плетеного провода (рис. 3), которая позволяет экранировать кабельные сборки путем обмотки вокруг кабеля. Зафиксировать ее можно с помощью термоусадочной трубки или любым другим удобным способом.
Сегодня получили широкое распространение экранирующие прокладки из проводящей резины и эластомеров (рис. 4). Они популярны благодаря возможности обеспечить одновременно герметичность и электрический контакт. Они обладают высокой гибкостью, что позволяет укладывать их в пазы сложной формы, как, например, в СВЧ-корпусах. Кроме того, они удобны для поточного производства, поскольку могут быть сформированы из компаунда на автоматической линии.
Спиральные трубки (рис. 5) по функционалу подобны контактным пружинам, но их способ монтажа иной – они устанавливаются в паз и прижимаются сверху крышкой. Электрический контакт обеспечивается за счет упругости стали.
Наиболее популярны и удобны в использовании тканевые проводящие прокладки с упругим наполнителем и клеевым слоем (рис. 6). Они представляют собой вспененный полимер, покрытый проводящей тканью. Выпускаются различных форм и размеров, благодаря наличию проводящего клеевого слоя могут использоваться на неподготовленных корпусах при отсутствии пазов. Количество сжатий превышает 500 тыс. Тканевые проводящие прокладки имеют остаточную деформацию при превышении усилия и степени сжатия.
Экранирующая фольга применяется для экранирования магнитной и электрической составляющей электромагнитного поля, в зависимости от материала фольги (рис. 7). Выпускается в катушках с нанесенным клеевым слоем. Очень удобно экранировать кабели, устранять щели в экранах. Коэффициент экранирования достигает 10.
Для экранирования прозрачных конструкций применяется экранирующая пленка с клеевым слоем. Коэффициент экранирования от 20 до 30 дБ. Также для решения этих задач применяются готовые экранированные стекла, получаемые спеканием двух стекол и проволочной сетки между ними (рис. 8). Для крепления к внешнему экрану по краям такой конструкции оставляется юбка, шириной 10–50 мм для крепления к проводящей поверхности. При применении подобных конструкций всегда необходимо помнить, что чем выше коэффициент экранирования, тем ниже коэффициент светопропускания.
При необходимости заэкранировать кабельную сборку, обеспечив ей механическую защиту, удобно применять экранирующие термоусадочные трубки (рис. 9). Внутри такой трубки нанесен проводящий слой или сетка. При усадке трубка плотно облегает кабель, обеспечивая необходимую прочность и экранирование до 60 дБ на частоте 10 ГГц. Необходимо помнить, что для обеспечения заявленного коэффициента экранирования при заделке разъемов необходимо обеспечить электрический контакт по всему хвостовику разъема и его проводящего корпуса.
Особое место среди экранирующих материалов занимают поглотители высокочастотных излучений с клеевым слоем (рис. 10). Они применяются для обеспечения ЭМС внутри небольших корпусов. Как известно, в закрытом корпусе, состоящем из проводящих материалов, электромагнитные волны отражаются от проводящей поверхности. Многократные переотражения в небольшом замкнутом пространстве приводят к образованию стоячих волн, изменению полного комплексного сопротивления пространства над полоском и во многих случаях к отказу функционирования схемы, которая работала при открытой крышке. Для решения этой проблемы применяют поглотители с клеевым слоем. Их удобно наклеивать на крышку корпуса, обеспечивая поглощение до 10 дБ.
На рис. 11 представлена зависимость усиления от частоты для усилителя с автоматической регулировкой усиления. На графике видны броски коэффициента усиления из-за пространственных резонансов до применения поглотителя. После наклейки поглотителя характеристика становится гладкой, а усилитель с АРУ-пригодным для эксплуатации. Поглотители являются частотно-зависимыми материалами, что необходимо учитывать при их выборе.
Учитывая скорость появления новых материалов в промышленности, невозможно быть заранее знакомым со свойствами их всех, в связи с чем в лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР» разработали методику подтверждения некоторых характеристик экранирующих материалов. Метод основан на стандарте MIL-STD‑285 [4]. Подтверждение коэффициента экранирования листовых материалов проводится следующим образом. Перед проведением измерений выполняется калибровка измерительной системы. В безэховой камере устанавливаются друг напротив друга, соосно, приемная и измерительная антенны с известными характеристиками (рис. 12).
Измеряется коэффициент связи между антеннами в исследуемом частотном диапазоне. Затем передающая антенна и генератор сигналов устанавливаются в камере, а приемная антенна – вне камеры (рис. 13).
В технологическое отверстие камеры последовательно устанавливаются исследуемые образцы материалов и проводятся измерения. Полученные значения сравниваются с коэффициентом связи антенн без экрана между ними, и вычисляется коэффициент экранирования. Данный метод пригоден также для оценки эффективности применения проводящих прокладок. Прокладки помещаются между камерой и стальной пластиной с известным коэффициентом экранирования – по снижению коэффициента экранирования можно довольно точно оценить эффективность применения той или иной прокладки.
С помощью этого метода было проверено несколько образцов материалов, результаты подтвердили заявленные значения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Благодаря появлению на рынке новых конструкционных материалов разработчикам становится проще обеспечить необходимые требования по ЭМС, но сложнее разобраться в многообразии предлагаемых продуктов. АО «ТЕСТПРИБОР» обладает собственной испытательной лабораторией, способной подтвердить качество поставляемых материалов, что позволяет предлагать комплексные решения проблем ЭМС.
REFERENCES
Pospisilik M., Drofova I., Kovar S., Dulik T., Tesacek A. Construction of a Generator for Power Frequency Magnetic Field Immunity Test. 2023. 33rd International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA). 19–20 April 2023. DOI: 10.1109/RADIOELEKTRONIKA57919.2023.
Pospisilik M. Introduction to Electromagnetic Compatibility for Electronic Engineers… and not only for them. – Zlin: Tomas Bata University in Zlin. 2019.
IMO Resolution A.813(19) – General Requirements for Electromagnetic Compatibility (EMC) for all Electrical and Electronic Ships Equipment – (Adopted on 23 November 1995).
Standard MIL-STD‑285 Attenuation Measurements for Enclosures and Electromagnetic Shielding
АВТОРЫ
Гришин Д., инженер-испытатель, лаборатория ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Гусев И., инженер-испытатель, лаборатория ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР», Москва, Россия
Отзывы читателей
