Как сделать экран от электромагнитного излучения

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 05.10.2024

Электромагнитные волны в спектре 0,01 Гц - 1000 ГГц сильно различаются по свойствам с изменением частоты.

Различают поперечные электромагнитные волны и продольные электромагнитные волны, если хлестать кнутом, то это будут поперечные волны, если тянуть резинку на себя и отпускать, то продольные волны.

1. Поперёчные электромагнитные волны, - это всё радиовещание, телевидение, сотовые телефоны, электросеть и т.д.

2. Продольные электромагнитные волны, это звуковые волны и поперечные волны идущие в волноводе. Есть естественные волноводы, например в между землёй и ионосферой распространяются резонансные волны Шумана частотой 5-30 Гц, они распространяются с минимальными потерями на любые расстояния по всей планете (сигнал вращается вокруг планеты в этом волноводе).
Нужно различать звук - колебание среды в которой он распространяется (воздух, земля, камень, металл) и электромагнитную волну - колебание электрического и магнитного поля в той среде где она распространяется. Хотя звук и электромагнитная волна взаимосвязаны - они могут экранироваться по разному. Основное изменение свойств распространения происходит от частоты. На каждом диапазоне свои, отдельные расчёты. Каждый диапазон имеет свой отдельный слой или слои в экране. Сочетания материалов и технологий для достижения одинакового эффекта могут быть разными. Нужно выбрать наиболее подходящий вариант в сочетании качество-стоимость. Исходя из этого и расчитываются экранирующие помещения.

3. Есть несущая частота сигнала - это движения кнута и модулирующая частота сигнала - это если по этому кнуту пропустить переменный ток. Модаляция подразделяется по поляризации - ( круговая "правая" или "левая", линейная вертикальная или горизонтальная).
Круговую поляризацию нужно экранировать экранами на 20 % более прочными, в остальном это тоже самое, сигнал изменяется вертикально, горизонтально или вращается.
Вращающуюся поляризацию иногда называют торсионной (от слова торсион - вращать) и приписывают ей чудесные свойства, ничего чудесного нет, кроме того, что человеческий организм использует круговую поляризацию.
Поэтому на всех спутниках вещающих на территории развитых стран круговая поляризация запрещена, но шпионы поставили именно круговую поляризацию на спутниках вещающих на территории бывшего СССР и этот сигнал глушит естественные колебания живых организмов на этой территории.

4. На этих частотах работае и мозг человека. Для работы мозга человека Создателями выбраны инфразвук 0,01 Гц -100 Гц и ультразвук свыше 30 ГГц, это отличный выбор. Проходимость сигнала сильнейшая и на огромные расстояния практически неограниченно в пределах планеты Земля.

Это позволяет воздействовать на мозг дистанционно издалека. От биологических источников резонансных частот мозг защищён отлично. Но когда начинает работать техника, без экрана человек почти беспомощен. Прослушка всех нейронный импульсов, мыслей, желаний - 100%.

Технология простейшая, Альфа-ритм, Бета-ритм мозга и другие ритмы на частотах 0,1Гц - 100 Гц это инфразвуковые волны которые можно прослушать и сконвертировать в слышимый диапазон, только и всего.

Управляемость - 90%, если человек не знает о внешнем воздействии и 50% если знает о внешнем воздействии. Тренированный человек отличает свои желания от наведённых извне. Обычно наведённые извне желания вредят человеку, (наркомания, алкголизм, проституция, коммунизмы, преступления и т.д.), а внутренние желания человека способствуют его процветанию (семья, дети, здоровье, питание, жилище, бизнес, обучение).

Экранировать весь этот спектр достаточно легко, но нужно знать азы экранирования обоих типов волн: продольных и поперечных.

5. Преобразователи поперечных волн в звук и обратно это обычные микрофоны и динамики, простейший пример - кварц. Усилить звук напрямую нельзя, нужно преобразовать в поперечную волну, усилить, а затем обратно в продольную волну. Есть много перекрёстных эффектов, когда одна волна порождает другую проходя например через металл или в других условиях.
Это используется как для создания мощных инфра и ультра звуковых импульсов неестественных в природе, так и для экранирования - например преобразования экранируемого сигнала в тепло (звук при прохождении через стекловолокно колеблет ворсинки).

На низких частотах магнитная составляющая электромагнитного сигнала намного больше электрической, на высоких наоборот.

Звуковые волны экранируются методами отличными от экранирования поперёчных электромагнитных волн. Звук экранируется немагнитными материалами, но может применятся и шунт. Поперечная электромагнитная волна или продольная волна

При экранировании низких частот важен материал экрана и количество слоёв, можно просто экранировать магнитным полем, например применяя Катушки Гельмгольца.

При экранировании высоких частот важно отсутствие даже маленьких отверстий, так как длина волны маленькая, для милиметрового диапазона, отверстие в 2 мм это уже целый проспект. Также можно экранировать электрическим полем или воздействовать на электрическое поле.

При экранировании звука отражением также важно отсутствие даже маленьких отверстий и сочетания отражения с поглощением звука. Волна ведь продольная - диаметром от долей милиметра, через замочную скважину может пройти до 80 % энергии волны падающей на двери.

Отражённый сигнал желательно что-бы был поглощён, тогда уменьшится давление на экран и проникновение звука через двери и вентиляцию. Поглощение происходит переводом падающего сигнала в другую форму, например если он расходуется на нагрев материала, то сигнал уменьшается.

Звуковые слои экрана распологаются, если считать от источника сигнала так: отражатель затем поглотитель. Так как для того чтобы поглотить весь сигнал нужно лишком большой слой поглотителя - то сначало отражают плотным немагнитным материалом (камень, базальт, гипс, дерево плотное (ясень-оптимален)), затем поглощают поглотителем типа УРСА (сверхтонкое стекловолокно) или шунтируют шунтом (сталь, феррит, пермаллой). Кольца Гельмгольца активно работающие в противофазе, могут поглощать излучения на частотах от 0 Гц до 10 000 Гц и при этом поддерживать заданное искуственное магнитное поле внутри колец.

Электромагнитные слои экрана распологаются если считать от источника сигнала так: отражение электрической части сигнала затем магнитной, например сначало на выбор - золото, серебро, медь, алюминий, цинк, а затем сталь, электротехническая сталь, феррит высокочастотный марка 200, феррит низкочастотный марка 6000, пермаллой 80%. Так как электрическая составляющая отражается от ближней поверхности слоя, а магнитная от дальней поверхности слоя. Изменение этого порядка перенасытит сталь и она станет прозрачной для электромагнитных волн.

Экран создан как несколько слоёв, которые работают независимо один от одного и дополняют один одного. Слои изолированны один от другого как в матрёшке.

Выбор материала и составных частей экрана:

1. 0 Гц - 10000 Гц компенсируют магнитным полем кольца Гельмгольца, они же создают искусственное магнитное поле в экране, которое обязательно при сильном экранировании.

2. Камень, кирпич, гипс, штукатурка: отражают в спектре 0,01Гц - 50 000 Гц звуковые волны. Стенка на полкирпича отражает на 50 Дб на частотах 100-50 000 Гц (для диапазона 1-100 Гц экранирование нужно усиливать в 3-4 раза и использовать тяжёлые конструкции), для диапазона 0-100 Гц нужно размещать помещение на плавающем полу, обязательно на пружинах, размещение на минвате не даёт нужного эффекта на частотах 0-100 Гц, возможно несколько слоёв минваты будут получше, попозже это проясним. Также вес комнаты должен быть сбалансирован с упругостью пружин. Помните "Избушка на курьих ножках", это не смешно, это остатки прошлых цивилизаций так жили.

Скорость звука в воздухе 340 м/с, а стали 7 км/c, инфразвук отлично проходит через металл, поэтому металлические части в этой кирпичной стене должны отсутствовать. Стену покрываем гипсом. Двери и технологические отверстия делаем тоже толстые из похожих материалов без металла. Между дверью и косяком прорезаем по периметру шов шириной 1 мм, через каждые 10 см в шве делаем отверстия на глубину 5 мм диаметром 3 мм. Это будет барьер для звука.

3. Сталь, электротехническая сталь, феррит высокочастотный марка 200, феррит низкочастотный марка 6000, пермаллой 80%, альцифер: работают с поперёчными электромагнитными волнами (магнитная часть сигнала) и продольными электромагнитными волнами (звуком) как шунт. Для звука это и отражатель. Так как вещество плотное, гладкое, волна частично отразится.

4. Золото, серебро, медь, алюминий, цинк: работают с электрической частью электромагнитного сигнала и звуком, как отражатель и как шунт в зависимости от частоты. Для средних частот - это шунт и отражатель, для высоких частот только отражатель. Так как заземлить экран в миллиметровом диапазоне нереально. Нужно заземлять каждый четверть волновой участок.

5. Графит: поглотитель электромагнитных волн в широком спектре частот. Для частот рентгеновского диапазона применяют специальный графит для АЭС.

6. Сегнетова соль: поглотитель- пьезоэлектрик и отражатель звуковых и электромагнитных волн, где диэлектрическая проницаемость около 3000 единиц. В сверхвысокочастотном диапазоне металлы уже не работают, отражают вещества с высокой диэлектрической проницаемостью. Это относится к поперёчным волнам и продольным - ультразвуку. Чем резче и больше перепад диэлектрической проницаемости, тем сильнее гасится сигнал. Поэтому нужно много чередующихся тонких слоёв пенопласта и сегнетовой соли или магния семиводного для защит работающих с ультразвуком и милиметровым диапазоном волн.

Также можно использовать кварцевый песок там диэлектрическая проницаемость около 7 единиц, если его смешать с Сегнетовой солью, то будет много перепадов по диэлектрической проницаемости. Чистый кварцевый песок отличается от обычного речного кварцевого песка или карьерного кварцевого песка тем, что песок обработан кислотой очищающей от окислов железа, просеян через ситы - грохоты, для отбора по размеру и дополнительно очищен от примесей. Содержание кремнозёма в чистом кварцевом песке более 99%.

7. Магний семиводный - вода в твёрдом виде, диэлектрическая проницаемость около 80: отражатель звуковых и электромагнитных волн. Используется эффект - перепад диэлектрической проницаемости.

8. Резина: поглотитель ударного шума, звука. Можно использовать жидкий каучук, который применяется при обработке кузовов автомобилей. Но запах от этого каучука, - выветривается слишком долго. Слой резины должен быть толще твёрдого слоя на который он нанесён в 5-10 раз, для оптимальной работы. Но работает и тонкий слой, хотя не так эффективно. Желательно резине дать возможность изгибаться, толстая перфорированная резина будет наилучшим выбором.

9. Пенопласт поглотитель ударного шума, звука и электрической части сигнала электромагнитной волны. Используется эффект ионизации воздуха при работе в сверхвысокочастотном диапазоне. Некоторые пенопласты упругие. Но как поглотитель неударного шума, пенопласт сильно уступает лёгким продуваевым материалам, - меху, вате, ворсу, шерсти.

10. Вещества с разной диэлектрической проницаемостью, по разному проводят и отражают звук и электромагнитные волны, в основном это отражатели для электрической части электромагнитного сигнала. Об этом уже сказано выше.

11. Поглотитель звука: продуваемое лёгкое вещество, сверхтонкое стекловолокно, ткань, пух, перо, вата, базальтовая плита. Поглотитель может быть пассивный и активный, если сигнал идёт в противофазе от специальных конструкций например резонаторов Гельмгольца или от излучателей дающих сигнал в противофазе.

12. Активные поглотитель звука и электромагнитных волн, это любые схемы дающие сигнал в противофазе. Обычно делают 6 излучателей во все стороны. Можно использовать сабвуферы. Вопрос с датчиками-микрофонами решайте при покупке или разработке.

13. Экран должен быть цельным, слои изолированы друг от друга, заземлены, двери, воздушные фильтры и фильтры для проводов должны быть правильно аккуратно расчитаны и изготовлены как самая ответственная часть экрана.

14. Лучше делать несколько тонких слоёв, чем один толстый, особенно это касается таких металлов как золото, серебро, медь, алюминий, цинк. Для стали оптимально 0,5-1 мм - 1 слой - такие слои как в железе сердечника трансформатора.

Для таких веществ как феррит высокочастотный марка 200, феррит низкочастотный марка 6000, пермаллой 80%, альцифер достаточно толщины 1 слоя в 0,3 мм. Ферриты гнуть нельзя, можно брать порошковые и добавить в краску, олифу, каучук, затем покрасить 2-3 раза для одного слоя. Пермаллой можно гнуть и лучше устанавливать листами.

15. Для экранирования сверхвысоких частот можно использовать пирамиды из пенополистирола с добавкой графита, покрытые слоем сегнетовой соли. Сигнал падающий на стенку под углом менее 12 градусов будет полностью отражён. Применение веществ с большой диэлектрической проницаемостью оправдано для сверхвысоких частот, когда металл заземлить невозможно и он должен быть свехгладкий.

16. Форма экрана желательна выпуклая или вогнутая, тогда сигнал падающий под углом на экран лучше отражается.

17. Двери должны быть весом более 35 кг на 1 м в квадрате, многослойные и иметь по краям контактные группы на каждый слой. Двери всегда должны быть как минимум двойные. Дверь заходит за косяк на 50-100 мм. Место прилегания подклеено плюшем. Между дверьми всё покрыто поглотителями всех типов.

18. Фильтры должны быть с заглушками от всех видов волны.

19. Места у дверей и фильтров нужно усилять поглотителями.

20. Заземление для экрана должно быть сделано отдельно, к нему идти медный изолированный кабель более 10 мм в квадрате, заземление должно быть менее 4 Ом. Все слои экрана выводятся отдельно и заземляются на одну медно-стальную шину к которой припаяны провода от заземления. Так как снимаем с экрана как электрическую так и магнитную составляющую, то провода желательно до заземления иметь два - стальной и медный и желательно многожильные. Стальной экран заземляеся в 1 точке, алюминиевый, медный - через каждый метр экрана (менее четверти длины волны).

21. Для экранирования конденсаторной связи, один слой должен быть из металлической заземлённой сетки. Эта сетка размещается между 2-х слоёв изолятора (плёнка ПЭТ-Э) и заземлена отдельным проводником в 1 месте.

22. Плавающий пол для экранированной комнаты делается как бетонная стяжка высотой как минимум 60 мм. В этой бетонной стяжке нужен хороший, крепкий металлический каркас с штукатурной сеткой. Между комнатой на бетонной стяжке и внешней комнатой нужен зазор как минимум 50 мм, заполненный поглотителем, например минеральной ватой или стекловатой.

23. Пустоты между слоями экрана заполняются поглотителем. Любые пустоты должны отсутствовать, кроме специально спроектированных. Между параллельными поверхностями возникают стоячие волны, их можно уничтожить избегая параллельных поверхностей.

Стоячая волна, может быть использована как опорная точка для другого сигнала, поэтому их нужно уменьшать.

24. Экран из алюминия или меди пробивать насквозь нельзя. Щели должны отсутствовать.

25. Экран из стали можно пробивать насквозь шурупами, соединять листы можно большим нахлёстом, загибом, сваркой.

26. Каждый слой экрана делается с запасом по экранирующей способности, как самостоятельный. Места стыков, нахлёстов, двери, фильтры, нужно прорабатывать более тщательно и усиливать здесь экранирующую способность слоя в 2-3 раза.

27. Экранирующая способность экранированного помещения определяется качеством экранирования самого слабого места экрана.

Электромагнитные волны в спектре 0,01 Гц - 1000 ГГц сильно различаются по свойствам с изменением частоты.

Выбор материала и составных частей экрана:

16. Форма экрана желательна выпуклая или вогнутая, тогда сигнал падающий под углом на экран лучше отражается.

18. Фильтры должны быть с заглушками от всех видов волны.

19. Места у дверей и фильтров нужно усилять поглотителями.

Стоячая волна, может быть использована как опорная точка для другого сигнала, поэтому их нужно уменьшать.

24. Экран из алюминия или меди пробивать насквозь нельзя. Щели должны отсутствовать.

Все люди и другие живые существа находятся в постоянном контакте с электромагнитными полями (ЭМП). Они являются неотъемлемой частью, окружающей нас природы. Все самые серьезные достижения нашей цивилизации связаны с умением тем или иным образом использовать ЭМП . Даже костры первобытных людей были, по сути, примитивными источниками теплового и видимого диапазона ЭМП.

Практически вся наша техника работает на электричестве и в процессе функционирования повышает фон излучения в окружающей среде . В некоторых случаях уровень искусственного излучения может в тысячи раз превышать природный фон, что создает определенные риски для здоровья. Чтобы снизить его можно и нужно применять различные средства защиты.

Что такое электромагнитное излучение?

Электромагнитное излучение – колебания электрического и магнитного полей, взаимосвязанных друг с другом . Спектр частот таких колебаний очень широк, очень небольшую часть от него (менее 0,0001%) мы воспринимаем органами зрения в виде света. Все что находится за пределами этого узкого диапазона мы не воспринимаем, это невидимое ЭМП.

Хотя без специальных приборов такое излучение обнаружить невозможно, оно может оказывать негативное воздействие на здоровье человека при повышении пороговых значений. Наиболее опасными считаются сверхвысокочастотные гамма волны – это один из главных компонентов радиации.

Но встретится с источником высокой радиоактивности в обычной жизни практически невозможно. А вот бытовые приборы и средства связи окружают нас постоянно. Многие из них являются довольно мощными источниками радиоволн и электромагнитных излучений (ЭМИ) других диапазонов.

Источники электромагнитного излучения в квартире

Благодаря развитию технологий, в последние годы в квартирах и домах появилось огромное количество электроприборов. Многие из них являются источниками достаточно мощных полей. К ним можно отнести:

Мобильные телефоны;
WiFi -роутеры;
Микроволновые печи;
Компьютеры;
Планшеты.

Даже обычный фен, утюг и другие подобные приборы при работе излучают ЭМП, но их мощность невысока и серьезного загрязнения не создает.

Источники излучения на улице

Любой житель города ежедневно сталкивается с множеством источников электроизлучения выходя на улицу. К наиболее мощным относятся:

Антенны операторов мобильной связи;
Трамваи, троллейбусы и питающие их провода;
Высоковольтные линии электропередач.

Эти и другие источники ЭМП в сочетании друг с другом создают достаточно высокий фон излучения, который может быть опасным для здоровья. Даже расположенное под землей метро является таким источником. Ведь поезда метрополитена работают на электричестве. При этом излучают вдвое больше ЭМИ чем трамваи либо другой электротранспорт.

Источники излучения на рабочем месте

К мощным источникам ЭМИ, с которыми можно столкнуться на рабочем месте относят:

Нормы электромагнитного излучения на рабочем месте устанавливаются государством и контролируются специальными службами.

Как и чем измерить электромагнитное излучение в квартире?

Выяснить уровень электромагнитного загрязнения в помещении можно двумя способами:

Самостоятельные измерения при помощи специальных приборов;
Заказ услуги замера уровня ЭМП в специализированных компаниях.

Важно понимать, что прибора, измеряющего электромагнитное излучение во всем диапазоне частот нет. Создать такой универсальный датчик невозможно, так как физические свойства ЭМП разных частот сильно отличаются. Поэтому такие устройства (особенно бытовые) работают в достаточно узком спектре частот и не всегда могут выявить повышенный фон.

Нормы электромагнитного излучения для человека

Предельно допустимая нагрузка ЭМИ зависит от его частот. Нормы электромагнитного излучения регулирует Санпин (2.2.4.1191-03), в нем прописаны предельные уровни для волн разных частотных диапазонов.

Например, для спектра частот от 30 кГц до 300 МГц предельными считаются такие значения:

Чем опасно электромагнитное излучение для человека?

ЭМИ может существенно влиять на работу практически всех органов и систем. Особенно подвержена негативному воздействию нервная система и головной моз г. Это связано с электрической природой нервных импульсов. При длительном нахождении в областях с повышенным электромагнитным фоном повышается риск развития депрессии и других заболеваний ЦНС.

Некоторые спектры частот способны существенно изменять работу организма на клеточном уровне. Существуют исследования, которые показывают непосредственную связь повышенного воздействия высокочастотного радиоизлучения и риска развития раковых заболеваний.

Механизм такого воздействия основан на том, что молекула ДНК в процессе деления клетки может получить существенный статический заряд, и выступать в качестве мини-антенны поглощающей волны разных длин спектра. Результатом становятся ошибки при ее копировании. Как следствие – возникновение мутаций и преобразование клетки в раковую либо ее гибель.

Страдают и другие органы, системы органов. Это связано с тем, что все процессы жизнедеятельности клетки, по сути, имеют электрохимическую природу. Поэтому повышенный фон электромагнитного излучения вреден для всего организма, может существенно нарушить баланс и регуляторные взаимодействия между клетками и органами, приводя к самым различным заболеваниям.

Как снизить электромагнитное излучение в квартире?

Чтобы избежать возникновения болезней от электромагнитного излучения, необходимо предпринимать меры по ограничению их воздействия на бытовом уровне. Часть из них довольно просты и не потребуют серьезных усилий либо вложений средств. К ним относятся:

Сокращение количества работающих в квартире электроприборов . Особенно это касается компьютеров, смартфонов и других активно излучающих ЭМИ гаджетов;
Сохранение достаточного расстояния между человеком и источником ЭМП . Даже отодвинув смартфон от подушки на 20-30 см можно заметно снизить его негативное воздействие. Лучше, чтобы расстояние составляло не менее 1,5-2 м. Носить его лучше не в кармане, а в сумке, при разговоре желательно использовать проводную гарнитуру.

Важно понимать, что даже неработающий прибор, подключенный к сети является источником ЭМП. При наличии соединения с сетью на концах шнура образуется разность потенциалов, он становится источником излучения. Хотя мощность его невелика, таких приборов в средней квартире может быть до нескольких десятков. А их суммарное излучение достичь опасных для здоровья величин.

Поэтому после использования электроприборы лучше физически отключать от сети. Это принесет не только пользу для здоровья, но и снизит риск возникновения пожара.

Существуют и другие способы без особых затрат снизить уровень электромагнитного фона в квартире. В их число входят:

Покупка новых электроприборов с минимальным потреблением электроэнергии . Это позволит не только снизить общий уровень излучения, но и положительно скажется на счетах за электричество;
Использование специальных увлажнителей. Поддерживая достаточный уровень влажности в помещении можно заметно снизить фоновое излучение. Водяной пар хорошо поглощает ЭМП. Кроме того, это в целом положительно повлияет на микроклимат, послужит хорошей профилактикой респираторных заболеваний;
Отказ от ионизаторов. Повышенная концентрация заряженных ионов в воздухе в сочетании с высоким уровнем ЭМИ может существенно усилить их негативное воздействие на организм.

К простым средствам можно отнести, грамотную расстановку мебели и электроприборов в квартире. Желательно, чтобы расстояние от них до мест постоянного пребывания человека (кровать, диван, обеденная зона) составляло не менее 1,5-2 м. Этого расстояния будет достаточно для заметного снижения фонового излучения. При расстановке мебели важно учесть расположение кабелей в стенах. Не стоит устанавливать кровать рядом розеткой, идущими к ней в стене проводами.

Технические средства для снижения электромагнитного загрязнения

Для снижения негативного влияния электромагнитных полей можно использовать различные спецсредства, например, экранирующие краски либо специальные шторы . Их применение может потребовать значительных затрат и не всегда оправдано. В большинстве случаев необходимость в них возникает при расположении жилья в области повышенного загрязнения (рядом с высоковольтной ЛЭП, радарами, вышками сотовой связи).

К наиболее эффективным решениям можно отнести:

Укладка металлической сетки на стены и потолок квартиры . Осуществляется в процессе ремонта, после фиксации к поверхности. Такую сетку обычно покрывают декоративной штукатуркой;
Использование поглощающих красок. Многие производители предлагают краски, содержащие частицы металлов и других экранирующих материалов. Такое покрытие способно поглотить большую часть вредного излучения;
Использование штор из экранирующей ткани . Окна – основной источник поступления ЭМИ в помещение. Прикрытие их специальными гардинами, в ткани которых вплетено небольшое количество металлических волокон – хороший метод защиты.

Важно понимать, что использование экранирующих сеток, красок может заметно снизить уровень приема мобильного телефона внутри квартиры. В результате сильно снизиться качество связи, либо аппарат вообще потеряет возможность соединятся с вышкой оператора.

Причем при снижении уровня сигнала современные смартфоны заметно наращивают мощность излучения, поэтому эффект от таких радикальных решений может быть отрицательным. Прежде чем использовать эти дорогостоящие методы защиты нужно проконсультироваться со специалистами и провести профессиональное измерение фона в помещении.

Только после этого нужно принимать решение о методах борьбы с излишним фоновым излучением. В большинстве случаев будет достаточно простой перестановки мебели и уменьшения количества работающих одновременно электроприборов.

Основным методом обеспечения Электромагнитной совместимости в части устойчивости к воздействию электромагнитным полем, а так же соответствию требованиям к уровню излучаемых помех, является электромагнитное экранирование. 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 качественного функционирования разрабатываемой аппаратуры.

Финансовые и временные затраты на обеспечение экранирования РЭА возрастают экспоненциально с ростом размеров изделия и приближением этапа сдачи изделия. При этом цена просчета, совершенного на начальном этапе проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. Пример из практики. Изделие представляющие из себя набор оборудования, установленного в морской контейнер. К изделию в целом предъявляются жесткие военные требования по излучаемым помехам в широком частном диапазоне. Однако данные требования не были учтены на этапе проектирования контейнера. В результате в конструкции не обеспечен надежный контакт по периметру дверей, не установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решетки недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТ коэффициента экранирования. По предварительной оценке переделка контейнера, с учетом сроков сдачи изделия в эксплуатацию превышает стоимость самого контейнера. Именно поэтому необходимо тщательно планировать помеховую обстановку изделия, применяя экраны, фильтры, поглощающие материалы.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования К_э – это отношение интенсивности электромагнитного поля измеренного до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. На рисунке 1 приведены формулы для его расчета при измерении напряженности поля в различных величинах.

От каждой границы раздела сред происходит отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е₅, который для электромагнитного поля близок к ста процентам и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е₃ – связанно со скин эффектом - протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с ростом магнитной проницаемости. Например, для 50Гц – 1см.; 5кГц – 0,1см; 0,5 МГц – 10мкм; 2,4 ГГц-1,67мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.

Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.

Итоговый коэффициент экранирования представляет собой сумму потерь на отражение и поглощение. На рисунке 2 приведены расчетные значения потерь на отражение и поглощение для стали (проводимость 7,69х10 6 См/м, относительная магнитная проницаемость 50) и меди (проводимость 58х10 6 , проницаемость 0,9999). Для меди с ростом частоты потери на отражение уменьшаются, а потери на поглощение увеличивается из-за её высокой проводимости. Для стали потери на отражение так же уменьшаются, потери на поглощение растут сначала даже быстрее чем у меди, так как на низких частотах все ещё велика магнитная составляющая, однако с дальнейшим повышением частоты эта же проницаемость, а так же низкая проводимость стали приводят к уменьшению потерь на поглощение и на сверхвысоких частотах сталь малоэффективна. Следовательно, для экранирования на высоких частотах предпочтительно использовать материалы с высокой проводимостью. На низких частотах материалы, с высокой проницаемостью.

Примеры металлов и сплавов сведены в таблицу, представленную на рисунке 3. Для экранирования магнитного поля предпочтительным материалом является пермаллой с начальной проницаемостью 10×10 3 - 100×10 3 , далее по убывающей, альсифер – 35000, железо чистое – 10000, трансформаторная сталь 250 – 1000, сталь конструкционная – 50 и другие магнитомягкие материалы. Для экранирования высокочастотных электромагнитных полей необходимо применять материалы с высокой проводимостью: серебро 62×10 6 См/м; медь 58×10 6 См/м, алюминий 37×10 6 См/м, латунь 12,5×10 6 См/м, сталь 7,6х10 6 См/м. При этом металлы и сплавы с высокой проводимостью, кроме стали не годятся для экранирования постоянных магнитных полей, т.к. имеют магнитную проницаемость равную 1 (как у воздуха). Для экранирования в широком диапазоне частот лучше всего подходят многослойные материалы, например сталь, с нанесенным слоем из хорошо проводящего металла. Такие листы применяют для изготовления безэховых камер. Для дальнейшего повышения коэффициента экранирования возможно использование комбинированных многослойных материалов.

Конструкция экранов.

Получить качественный экран с высоким коэффициентом экранирования очень просто – необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный контур (например, куб) и вы с легкостью получите К_э порядка 100дБ и более. К сожалению, в реальности это невозможно, т.к. необходимы отверстия для ввода кабелей, для вентиляции и для обслуживания аппаратуры.

Каждое отверстие или щель в экране сравнимые с 1/20 длины волны следует учитывать при планировании экрана рисунок 4. Например, для 1ГГц отверстие диаметром 1,5 мм ухудшит коэффициент экранирования до 40dВ, 1,5 см до 20dВ. При увеличении количества отверстий коэффициент экранирования ухудшится на К_n=20log n. Необходимо избегать больших отверстий и щелей в экране. Много маленьких отверстий лучше, чем одно большое.

В случае, если все же необходимо использовать отверстие строго определенного диаметра (например, для вентиляции или ввода диэлектрических кабелей). Можно использовать запредельный волновод рисунок 5. Это полая трубка из проводящего материала, длина которой значительно превышает диаметр. Свойства этой конструкции частотно зависимы. Электромагнитные волны ниже определенной частоты будут распространяться с очень большим затуханием. Частота выше которой электромагнитная волна распространяется по волноводу практически без потерь называется частотой среза волновода, и определяется из его наибольшего внутреннего размера по формуле f=150000/g, где g-наибольший поперечный размер отверстия. Для прямоугольного волновода шириной 5 мм частота среза равна 30 ГГц. Коэффициент ослабления уже будет зависеть и от длины волновода и частоты и рассчитывается по формуле, представленной на рисунке 5.

Для примера на рисунке 6 построены графики коэффициентов ослабления волноводов различной конфигурации. Видно, что при уменьшении длины трубки с 20 до 10мм Кэ уменьшается со 108 дБ до 54 дБ, при этом частота среза остается постоянной. При изменении диаметра отверстия – изменяется частота среза волновода. Для волновода диаметром 20мм – это 10 ГГц, для волновода диаметром 200мм это уже 1 ГГц. У запредельного волновода есть еще одно ограничение - если внутрь волновода ввести проводящий кабель, то волновод потеряет свои изолирующие свойства. Запредельный волновод подходит только для ввода диэлектрических кабелей типа оптических, которые не сильно искажают диэлектрическую проницаемость среды. На рисунке 7 представлены конструкции из запредельных волноводов.

Мы рассмотрели технические решения для создания вентиляционных решеток и ввода оптических кабелей, есть ещё одна проблема – образование щелей и зазоров, неизбежно появляющихся в процессе соединения элементов конструкции друг с другом. На рисунке 8 схематично изображены в большом увеличении две соприкасающиеся детали. Кроме непосредственного искривления самих элементов конструкции металлические детали имеют неровности, которые соприкасаясь друг с другом, образуют зазоры и щели. Для надежного электрического контакта в этом случае необходимо применить довольно большое усилие прижима либо, применить проводящую прокладку, которая обеспечит непрерывный контакт на всем протяжении щели.

В настоящее время промышленность выпускает огромное количество проводящих прокладок, самых различных свойств и размеров рисунок 9.

Планирование помеховой обстановки на различных этапах разработки

Планировать помеховую обстановку и экранирование необходимо на начальном этапе проектирования. Предотвращая распространение нежелательных сигналов от самого источника.

Первый уровень разработки - дизайн печатной платы рисунок 10, сюда относятся правильное проектирование полигонов земли, линий передачи, фильтров. Для экранирования отдельных элементов или целых областей печатной платы применяются металлические экраны. Они состоят из двух частей одна часть - основание, фиксируется на печатной плате, вторая часть - крышка надевается сверху и фиксируется зажимами, защелками, или пайкой.

Дизайн блока, рисунок 11. Представлены блоки, направленные на создание коэффициента экранирования около 100дБ. Шаг винтов выбирается исходя из максимальной частоты, которую необходимо экранировать, так же необходимо использовать проводящую прокладку. Корпус выполнен из цельного куска металла, это оправдано, когда необходимы сложные формы с разделением каналов, зон с разными частотами и мощностями.

Дизайн корпуса, рисунок 12. На данном этапе появляются вентиляционные отверстия, подвижные элементы и прозрачные панели для экранов. Окончательный коэффициент экранирования такой конструкции уже довольно трудно рассчитать, зато его можно достаточно достоверно оценить методом непосредственного измерения. Благодаря тому, что внутрь вполне может поместиться излучающая антенна с источником сигнала.

Следующий этап - Соединение двух экранированных систем рисунок 13. Кабели и соединители должны быть экранированы и иметь электрический контакт по всей окружности разъема. Необходимо избегать соединения экрана кабеля с корпусом оборудования одним тонким проводником, так как он вносит паразитную индуктивность, а следовательно имеет высокое полное сопротивление на высоких частотах. Ввод внешних кабелей должен осуществляться через проходные фильтры, заключенные в отдельный экранированный корпус.

Итак, для создания эффективного экрана необходимо:

а) Подобрать материал, его структуру и толщину в зависимости от составляющей электромагнитного поля, которую необходимо экранировать.

б) По возможности исключить любые отверстия и щели и любые другие прерывания электрического контакта по размерам сравнимые с 1/20 длиной волны.

г) Для ввода сигналов и питания использовать оптические линии связи и проходные фильтры

д) Для обеспечения контакта по периметру сборных конструкций использовать проводящие прокладки или пружинные контакты

е) Контролировать коэффициент экранирования корпусов, проводя натурные измерения когда это возможно.

Сегодня трудно переоценить важность проведения испытаний на ЭМС. Особенно в связи с участившимися техногенными авариями, они лишь показывают что необходимо не только расчетами, но и натурными испытаниями подтверждать соответствие продукции государственным стандартам. Особенно это относится к военной, космической и авиационной отраслям, где цена ошибки очень высока.

И каждый раз проводя испытания, мы уверены, что делаем и свой небольшой вклад в развитие и повышение качества техники выпускаемой Российскими предприятиями.

Читайте также: