Elektromagnetické stínění. Jiří Dřínovský UREL, FEKT, VUT v Brně

Transkript

1 Jiří Dřínovský UREL, FEKT, VUT v Brně

2 Teoreické řešení neomezeně rozlehlá sínicí přepážka z dobře vodivého kovu kolmý dopad rovinné elekromagneické vlny (nejhorší případ) Koeficien sínění K S E E i nebo K S H H i

3 Efekivnos (účinnos) sínění (úlum sínění) Shielding Effeciveness SE 1 K S E E i, [db] SE H H i 3

4 Efekivnos (účinnos) sínění (úlum sínění) Shielding Effeciveness SE 1 K S E E i, [db] SE ( Z + Z ) 1 Z Z Z M γ M -γ e e 4Z Z M + Z charakerisická impedance volného prosředí před a za sínicí přepážkou Z µ 1 π 377 ε Ω M 4

5 Efekivnos (účinnos) sínění (úlum sínění) Shielding Effeciveness SE 1 K S E E i, [db] SE ( Z + Z ) 1 Z Z Z M γ M -γ e e 4Z Z M + Z charakerisická impedance vodivého prosředí kovové přepážky Z M jωµ σ M 5

6 Efekivnos (účinnos) sínění (úlum sínění) Shielding Effeciveness SE 1 K S E E i, [db] SE ( Z + Z ) 1 Z Z Z M γ M -γ e e 4Z Z M + Z konsana šíření (vlnové číslo) rovinné elekromagneické vlny ve vodivém prosředí sínicí přepážky M γ ωµσ j ωµσ (1 + j) α + jβ 6

7 Efekivnos (účinnos) sínění (úlum sínění) Shielding Effeciveness SE 1 K S E E i, [db] SE ( Z + Z ) 1 Z Z Z M γ M -γ e e 4Z Z M + Z M SE [db] R [db] + A [db] + M [db] 7

8 Úlum odrazem R vzniká vlivem čásečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní mezi vzduchem (dielekrikem) s impedancí Z a kovovou sěnou přepážky s impedancí Z M a rovněž na výsupním rozhraní mezi kovovou sěnou Z M a dielekrikem (vzduchem) Z : Při Z >> Z M je R R Z 4Z M Úlum odrazem nezávisí na loušťce sínicí kovové sěny účinné sínění lze vyvoři z enké, ale vysoce vodivé (Z >> Z M ) přepážky. ( Z + Z ) 4Z R Z M M 1 4 σ ωµ ε r 8

9 Absorpční úlum A vzniká pohlcením čási energie elekromagneické vlny při jejím průchodu sínicí kovovou přepážkou o loušťce vlivem epelných zrá, j. vlivem konečné vodivosi kovu sínicí přepážky : sěnou Z M a dielekrikem (vzduchem) Z : A γ α δ e e e [db] Hloubka vniku elekromagneického pole do kovového maeriálu δ ωµσ A 8,69,69 ω µ σ δ r Absorpční úlum rose s druhou odmocninou kmioču na db supnici. Vodivé feromagneické maeriály (µ r >> 1) mají přiom věší absorpční úlum než sejně vodivé nemagneické maeriály. 9

10 Celková účinnos sínění SE [db] R [db] + A [db] + M [db] Úlum odrazem R je funkcí poměru σ /µρ, zaímco absorpční úlum A je funkcí součinu ěcho veličin σ.µ r. Úlum odrazem R voří dominanní složku sínicího účinku na nízkých kmiočech pro magneické i nemagneické kovové maeriály. Na vysokých kmiočech rose absorpční úlum A a vysoce převyšuje klesající úlum odrazem. Teno vzrůs na vysokých kmiočech je přiom výraznější u magneických kovových maeriálů s µ r >> 1. Na nízkých kmiočech, kdy hloubka vniku d >>, příp. u velmi enkých sínicích přepážek ( << d ) je hodnoa úlumu mnohonásobnými odrazy M záporná a snižuje celkovou účinnos sínění SE. S rosoucím kmiočem se velikos M -> db a mnohonásobné odrazy v kovové přepážce nemají vliv na účinnos sínění. 1

11 11 Kmiočový průběh jednolivých složek účinnosi sínění měděné desky o loušťce 1 mm r 4 1 log ε ωµ σ R σ µ ω r,69 A δ δ Z Z Z Z j M M e e 1 log + M

12 Vliv mnohonásobných odrazů M na velikos celkové účinnosi sínění SE se může nepříznivě uplaňova i na vyšších kmiočech, je-li sínicí přepážka velice enká ( << d ). Přísrojové a počíačové sínicí kryy vyvořené napařením či naprášením velmi enkého kovového povlaku na vniřní povrch nekovové (plasové) přísrojové skříně. 1

13 13

14 Účinnos sínění v blízké zóně elmag. pole vzdálená zóna r >> l / p Z f ( r ) kons. blízká zóna r << l / p Z f ( r ) kons. Blízké elekrické pole blízké pole elekrického dipólu R 1 λ Z E Z > ω ε r πr σ log 3 µ ω r E > r Z R Sínění elekrického pole je účinnější než sínění rovinné vlny. Účinnos sínění RE rose se zmenšující se vzdálenosí zdroje od sínicí přepážky a je věší pro nemagneické (m r >> 1) než magneické (m r >> 1) maeriály. 14

15 Blízké magneické pole blízké pole magneického dipólu (proudové smyčky) R πr Z H ωµ r Z < λ ωσ r Úlum odrazem blízkého magneického pole se zmenšuje s klesajícím kmiočem a je vždy menší, než hodnoa R pro rovinnou elekromagneickou vlnu. Pro velmi nízké kmiočy je velikos R H velmi malá a nijak nepřispívá k celkové účinnosi sínění SE R H + A + M. Pro dobré sínění blízkého pole nízkofrekvenčního (sejnosměrného) magneického zdroje je nuno zvýši velikos absorpčního úlumu A. To lze docíli užiím lusé sínicí přepážky z feromagneického kovového maeriálu, čímž se zároveň zmenší negaivní vliv mnohonásobných odrazů M na výslednou účinnos sínění. Z H log < µ r R 15

16 Kmiočový průběh složek účinnosi sínění blízkého elekromagneického pole blízké elekrické pole blízké magneické pole 16

17 17

18 Vliv ovorů a echnologických neěsnosí na účinnos elekromagneického sínění Ovory, šěrbiny a další oevření sínicí plochy (např. dveře, okna, věrací ovory, šěrbiny a neěsnosi mezi jednolivými kovovými plochami sínění, vsupní ovory pro přípojné kabely, vedení, příp. vnější mechanické ovládací prvky síněného zařízení). Španě vodivé (vysokoimpedanční) čási sínění (vodivě nedokonalá spojení jednolivých čásí sínění, nedokonale vodivé průhledné plochy (skla) při požadavku vizuální konroly zařízení). Vnější přívodní kabely a přípojná vedení (napájecí, signálové a daové kabely, jimiž se mohou dosáva elekromagneické rušivé signály do vniřního prosoru sínicího kryu). 18

19 Ovory ve sínicí ploše Malý kruhový ovor o poloměru a v enké kovové sínicí přepážce SE R 1 log Pi P λ π a Sínění enké kovové přepážky s n sejnými kruhovými ovory SE R λ π a Sínění lusé kovové přepážky ( > a) s jedním či více kruhovými ovory na kmiočech hluboko pod mezním kmiočem, j. f << fm n c π a f π n c a f SE 54,6 f 16 A α 1 m a m f λ λ m 3,41 a 19

20 Ovory ve sínicí ploše Malý kruhový ovor o poloměru a v enké kovové sínicí přepážce SE R 1 log Pi P λ π a Sínění enké kovové přepážky s n sejnými kruhovými ovory SE R λ π a Sínění lusé kovové přepážky ( > a) s jedním či více kruhovými ovory na kmiočech hluboko pod mezním kmiočem, j. f << fm n c π a f π n c a f SE 54,6 f 16 A α 1 m a m f λ λ m 3,41 a

21 Dlouhé šěrbiny v kovovém sínění se mohou chova jako účinné šěrbinové anény, keré mohou inenzivně vyzařova a ím výrazně snižova účinnos sínění. Orienace nevyzařující a vyzařující podlouhlé šěrbiny v kovové sínicí přepážce Sínění kryu s pravoúhlou šěrbinou (při její nejhorší orienaci) c SE R + A + 7, l f l Druhý člen vyjadřuje úlum pravoúhlého vlnovodu v pásmu nepropusnosi. Musí se uvažova při loušťce sínicí desky > l na kmiočech f << c / l. 1

22 Průchody v kovovém sínění Na principu podkriického vlnovodu (zavedení kabelů či mechanických ovládacích prvků do vniřku síněného prosoru, zajišění jeho věrání či denního osvělení) Základní provedení Průchod s dielekrickým průvlakem f ( 3,41 ε ) << c a r Průchod s kovovým průvlakem Galvanický (pérový) konak

23 Věrací a průchodkové sekce sínicích kryů << c ( a) f << c ( 3, 41a) f 3

24 Věrací a průchodkové sekce sínicích kryů - honeycomb vens 4

25 5

26 Hodnoa výsledné účinnosi sínění SE desky je na nízkých kmiočech (sovky Hz a jednoky khz) dán úlumem odrazem blízkého magneického pole R H, na sředních kmiočech (cca 1 khz 1 MHz) konečným úlumem vlnovodových průchodek A a v oblasi vysokých kmiočů (MHz) klesajícím úlumem věracích ovorů R. Na velmi nízkých kmiočech (v oblasi Hz) je sínění nevyhovující vlivem mnohonásobných odrazů procházejících vln M. 6

27 Vznik nežádoucích šěrbin při spojení čásí sínicího kryu na upo SE c + 7, l f l nevhodné 7

28 Konsrukční zlepšení účinnosi sínění Vzájemným dlouhým překryvem spojovaných čásí použiím elasických vodivých maeriálů (pas, silikonů aj.) použiím pružinových, příp. pérových nožových konaků na pohyblivých čásech 8

29 Hodnocení elekromagneického sínění dle orienačních hodno SE 9

30 Zásady správné konsrukce elekromagneicky síněných kryů chybná konsrukce z hlediska EMC zlepšená konsrukce pro vyšší účinnos sínění 3

31 Example of PCB-level shielding in a cellphone 31

32 Sínění koaxiálních kabelů je nejčasěji charakerizováno zv. vazební (přenosovou) impedancí (angl. Transfer Impedance) Z T. Proéká-li po vnější sraně sínicího plášě koaxiálního kabelu rušivý proud I r, vzniká na vniřním povrchu plášě podélný úbyek napěí U r. Jeho velikos je určena konsrukcí a loušťkou sínicího plášě a hloubkou vniku elekromagneického pole do maeriálu plášě při daném kmioču. Poměr ohoo vniřní úbyku napěí a vnějšího rušivého proudu v pláši vzažený na jednoku délky koaxiálního kabelu udává vazební (přenosovou) impedanci Z T sínění kabelu U r ( ω) ZT ( ω) I ( ω) l pro délku kabelu l << λ / 4 na pracovním kmioču. r 3

33 Vazební impedance Z T je silně kmiočově závislá. Plný (kompakní) sínicí plášť : Z ω) R T ( (1 + j) δ sinh (1 + j) δ R je ss. hodnoa odporu plášě na jednoku délky 1 R π r σ Pleený sínicí plášť : ( ω) (1 + j) δ sinh (1 j) + δ µ a + jω 3π r ZT R 3 33

34 Koaxiální kabely s dvojiým síněním (riaxiální kabely) Srovnání velikosí vazebních impedancí jednoduchého a dvojiého sínění 34

35 Komerčně vyráběné koaxiální kabely jednoduché pleené sínění dvojié pleené spojené sínění dvojié pleené izolované sínění (riaxiální kabel) jednoduché kompakní sínění pleené a kompakní sínění jednoduché vinué sínění 35

36 Vazební impedance sínění koaxiálních konekorů Při spojování konekoru se sínicí plášě obou jeho čásí musí pevně spoji (uzavří) dříve, než se propojí vniřní živé vodiče obou kabelů a naopak, při rozpojování se musí nejprve rozpoji živé vodiče a eprve pak sínicí plášě obou čásí konekoru. Případné jiskření a paraziní impulzy, keré mohou vznika při spojování či rozpojování elekricky živých vodičů, ak odeznějí ve savu, kdy vnější sínění konekoru je již či ješě uzavřeno. Elekricky živé (vniřní) čási konekoru musí bý kvalině izolovány od vnějšího kovového plášě. Důvodem je jednak bezpečnos, jednak zamezení přenosu elekrosaických výbojů vznikajících mezi obsluhující osobou a vnějším plášěm konekoru do jeho vniřního prosoru. Elekrická, mechanická a elekromagneicky ěsná konsrukce konekoru musí odola všem změnám pracovních podmínek, j. ořesům, vibracím, korozi, kolísání eploy apod. 36

37 Spojení sínicího plášě kabelu a konekoru 37

38 Vazební impedance koaxiálních konekorů Vazební impedance někerých ypů koaxiálních konekorů 38

39 Přenosová (vazební) admiance (angl. Transfer Admiance) Y T charakerizuje průnik zbykového (paraziního) elekrického pole pleením sínicího plášě koaxiálního kabelu do jeho vniřního prosoru. Je duální veličinou k vazební impedanci Z T. Y T I( ω) ( ω ) jω C U ( ω) l U je vnější (rušivé) napěí me zi sínicím plášěm kabelu a vzažnou zemí a I je ímo napěím indukovaný proud ve vniřním (sředním) vodiči kabelu. T Vazební admiance Y T, příp. vazební kapacia sínění C T, není veličina jednoznačná. 39