Электромагнитное экранирование

В электротехнике электромагнитное экранирование — это практика уменьшения или перенаправления электромагнитного поля (ЭМП) в пространстве с помощью барьеров из проводящих или магнитных материалов. Обычно он применяется к корпусам для изоляции электрических устройств от окружающей среды, а также к кабелям для изоляции проводов от окружающей среды, через которую проходит кабель ( см. Экранированный кабель ). Электромагнитное экранирование, которое блокирует радиочастотное (РЧ) электромагнитное излучение , также известно как РЧ-экранирование .

Экранирование ЭМП служит для минимизации электромагнитных помех . Экранирование может уменьшить взаимодействие радиоволн, электромагнитных и электростатических полей . Проводящая оболочка, используемая для блокировки электростатических полей, также известна как клетка Фарадея . Степень уменьшения во многом зависит от используемого материала, его толщины, размера экранируемого объема и частоты интересующих полей, а также размера, формы и ориентации отверстий в экране по отношению к падающему электромагнитному полю.

Используемые материалы

Типичные материалы, используемые для электромагнитного экранирования, включают тонкий слой металла, листовой металл , металлический экран и металлическую пену . Обычные листовые металлы для защиты включают медь, латунь, никель, серебро, сталь и олово. Эффективность экранирования, то есть то, насколько хорошо экран отражает или поглощает/подавляет электромагнитное излучение, зависит от физических свойств металла. К ним могут относиться проводимость, паяемость, проницаемость, толщина и вес. Свойства металла являются важным фактором при выборе материала. Например, электрически доминирующие волны отражаются от металлов с высокой проводимостью, таких как медь, серебро и латунь, тогда как магнитно-доминантные волны поглощаются/подавляются менее проводящими металлами, такими как сталь или нержавеющая сталь . ^[2] Кроме того, любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше длины волны непроницаемого излучения, иначе корпус не будет эффективно приближаться к сплошной проводящей поверхности.

Другой широко используемый метод экранирования, особенно для электронных устройств, помещенных в пластиковые корпуса, заключается в покрытии внутренней части корпуса металлическими чернилами или аналогичным материалом. Чернила состоят из материала-носителя, наполненного подходящим металлом, обычно медью или никелем , в виде очень мелких частиц. Он распыляется на корпус и после высыхания образует непрерывный проводящий слой металла, который можно электрически соединить с заземлением шасси оборудования, обеспечивая тем самым эффективное экранирование.

Электромагнитное экранирование — это процесс снижения электромагнитного поля на определенной территории путем ее баррикадирования проводящим или магнитным материалом. Медь используется для экранирования радиочастот (РЧ), поскольку она поглощает радио- и другие электромагнитные волны . Правильно спроектированные и изготовленные корпуса, защищающие от радиочастотных помех, удовлетворяют большинству потребностей в экранировании радиочастотных помех, от компьютерных и электрических коммутационных комнат до больничных кабинетов компьютерной томографии и МРТ . ^[3]^[4]

Экранирование от электромагнитных помех представляет большой исследовательский интерес, и разрабатывается несколько новых типов нанокомпозитов из ферритов, полимеров и 2D-материалов для получения более эффективных материалов, поглощающих радиочастотные и микроволновые волны (МАМ). ^[5] Экранирование от электромагнитных помех часто достигается путем химического покрытия медью, поскольку большинство популярных пластиков не проводят ток, или с помощью специальной проводящей краски. ^[1]

Пример применения

Одним из примеров является экранированный кабель , который имеет электромагнитное экранирование в виде проволочной сетки, окружающей внутренний проводник. Экранирование препятствует выходу любого сигнала из жилы, а также предотвращает добавление сигналов в жилу.Некоторые кабели имеют два отдельных коаксиальных экрана, один из которых подключен на обоих концах, а другой только на одном конце, чтобы максимизировать экранирование как электромагнитных, так и электростатических полей.

В окно дверцы микроволновой печи встроена сетка. С точки зрения микроволн (с длиной волны 12 см) этот экран завершает клетку Фарадея, образованную металлическим корпусом печи. Видимый свет с длиной волны от 400 до 700 нм легко проходит через отверстия экрана.

Радиочастотное экранирование также используется для предотвращения доступа к данным, хранящимся на RFID- чипах, встроенных в различные устройства, например биометрические паспорта . ^[6]

НАТО предписывает электромагнитное экранирование для компьютеров и клавиатур, чтобы предотвратить пассивный мониторинг излучений клавиатуры , который позволяет перехватывать пароли; потребительские клавиатуры не обеспечивают такой защиты в первую очередь из-за непомерно высокой стоимости. ^[7]

Радиочастотное экранирование также используется для защиты медицинского и лабораторного оборудования, чтобы обеспечить защиту от мешающих сигналов, включая AM, FM, ТВ, службы экстренной помощи, диспетчерскую, пейджеры, ESMR, сотовую связь и PCS. Его также можно использовать для защиты оборудования на станциях AM, FM или телевещания.

Другим примером практического использования электромагнитного экранирования может служить оборонное применение. По мере совершенствования технологий растет и восприимчивость к различным типам вредоносных электромагнитных помех. Идея помещения кабеля внутри заземленного проводящего барьера может снизить эти риски.

Как это работает

Электромагнитное излучение состоит из связанных электрического и магнитного полей. Электрическое поле создает силы на носителях заряда (т. е. на электронах ) внутри проводника. Как только электрическое поле прикладывается к поверхности идеального проводника, оно индуцирует ток , который вызывает смещение заряда внутри проводника, которое нейтрализует приложенное поле внутри, и в этот момент ток прекращается. См в клетке Фарадея . дополнительную информацию .

Аналогичным образом, изменяющиеся магнитные поля генерируют вихревые токи , которые нейтрализуют приложенное магнитное поле. (Проводник не реагирует на статические магнитные поля, если проводник не движется относительно магнитного поля.) В результате электромагнитное излучение отражается от поверхности проводника: внутренние поля остаются внутри, а внешние поля остаются снаружи.

Несколько факторов ограничивают экранирующую способность реальных радиочастотных экранов. Во-первых, из-за электрического сопротивления проводника возбужденное поле не полностью нейтрализует падающее поле. Кроме того, большинство проводников проявляют ферромагнитный отклик на низкочастотные магнитные поля. ^{[ нужна ссылка ]}, так что такие поля не полностью ослабляются проводником. Любые отверстия в экране заставляют ток течь вокруг них, поэтому поля, проходящие через отверстия, не возбуждают противоположные электромагнитные поля. Эти эффекты снижают отражающую способность экрана.

В случае высокочастотного электромагнитного излучения вышеупомянутые настройки занимают немалое количество времени, однако любая энергия такого излучения, если она не отражается, поглощается кожей (если только она не очень тонкая). , поэтому в этом случае внутри тоже нет электромагнитного поля. Это один из аспектов более масштабного явления, называемого скин-эффектом . Мерой глубины, на которую излучение может проникнуть через экран, является так называемая глубина скин-слоя .

Магнитное экранирование

Оборудование иногда требует изоляции от внешних магнитных полей. ^[8] Для статических или медленно меняющихся магнитных полей (ниже примерно 100 кГц) описанное выше экранирование Фарадея неэффективно. В этих случаях можно использовать экраны из с высокой магнитной проницаемостью металлических сплавов , например, листы пермаллоя и мю-металла. ^[9]^[10] или с нанокристаллическими ферромагнитными металлическими покрытиями с зернистой структурой. ^[11] Эти материалы не блокируют магнитное поле, как электрическое экранирование, а скорее втягивают поле в себя, обеспечивая путь для линий магнитного поля вокруг экранируемого объема. Таким образом, наилучшей формой магнитных экранов является закрытый контейнер, окружающий экранируемый объем. Эффективность этого типа экранирования зависит от проницаемости материала, которая обычно падает как при очень низкой напряженности магнитного поля, так и при высокой напряженности поля, когда материал становится насыщенным . Поэтому для достижения низких остаточных полей магнитные экраны часто состоят из нескольких корпусов, расположенных один внутри другого, каждый из которых последовательно уменьшает поле внутри себя. Входные отверстия внутри экранирующих поверхностей могут значительно ухудшить их характеристики.

Из-за вышеуказанных ограничений пассивного экранирования альтернативой, используемой со статическими или низкочастотными полями, является активное экранирование, при котором поле, создаваемое электромагнитами, нейтрализует окружающее поле внутри объема. ^[12] Соленоиды и катушки Гельмгольца — это типы катушек, которые можно использовать для этой цели, а также более сложные схемы проводов, разработанные с использованием методов, адаптированных к методам, используемым при проектировании катушек для магнитно-резонансной томографии . Активные экраны могут быть спроектированы и с учетом электромагнитной связи с пассивными экранами. ^[13]^[14]^[15]^[16]^[17] называемое гибридным экранированием, ^[18] так что имеется широкополосное экранирование от пассивного экрана и дополнительное подавление конкретных компонентов с помощью активной системы.

Кроме того, сверхпроводящие материалы могут вытеснять магнитные поля посредством эффекта Мейснера .

Математическая модель

Предположим, что мы имеем сферическую оболочку из (линейного и изотропного) диамагнитного материала с относительной проницаемостью $\mu _{\text{r}}$ , с внутренним радиусом $a$ и внешний радиус $b$ . Затем мы поместили этот объект в постоянное магнитное поле: $\mathbf {H} _{0}=H_{0}{\hat {\mathbf {z} }}=H_{0}\cos(\theta ){\hat {\mathbf {r} }}-H_{0}\sin(\theta ){\hat {\boldsymbol {\theta }}}$ Поскольку в этой задаче токов нет, за исключением возможных связанных токов на границах диамагнитного материала, то можно определить магнитный скалярный потенциал, удовлетворяющий уравнению Лапласа: ${\begin{aligned}\mathbf {H} &=-\nabla \Phi _{M}\\\nabla ^{2}\Phi _{M}&=0\end{aligned}}$ где $\mathbf {B} =\mu _{\text{r}}\mathbf {H}$ В этой конкретной задаче существует азимутальная симметрия, поэтому мы можем записать, что решение уравнения Лапласа в сферических координатах: $\Phi _{M}=\sum _{\ell =0}^{\infty }\left(A_{\ell }r^{\ell }+{\frac {B_{\ell }}{r^{\ell +1}}}\right)P_{\ell }(\cos \theta )$ После согласования граничных условий ${\begin{aligned}\left(\mathbf {H} _{2}-\mathbf {H} _{1}\right)\times {\hat {\mathbf {n} }}&=0\\\left(\mathbf {B} _{2}-\mathbf {B} _{1}\right)\cdot {\hat {\mathbf {n} }}&=0\end{aligned}}$ на границах (где ${\hat {n}}$ — единичный вектор, перпендикулярный поверхности, направленный от стороны 1 к стороне 2), то мы находим, что магнитное поле внутри полости в сферической оболочке равно: $\mathbf {H} _{\text{in}}=\eta \mathbf {H} _{0}$ где $\eta$ – коэффициент затухания, зависящий от толщины диамагнитного материала и магнитной проницаемости материала: $\eta ={\frac {9\mu _{\text{r}}}{\left(2\mu _{\text{r}}+1\right)\left(\mu _{\text{r}}+2\right)-2\left({\frac {a}{b}}\right)^{3}\left(\mu _{\text{r}}-1\right)^{2}}}$ Этот коэффициент описывает эффективность этого материала в экранировании внешнего магнитного поля от полости, которую он окружает. Обратите внимание, что этот коэффициент соответствующим образом принимает значение 1 (нет экранирования) в пределе, $\mu _{\text{r}}\to 1$ . В том пределе, что $\mu _{\text{r}}\to \infty$ этот коэффициент стремится к 0 (идеальное экранирование). Когда $\mu _{\text{r}}\gg 1$ , то коэффициент затухания принимает более простой вид: $\eta ={\frac {9}{2\left(1-{\frac {a^{3}}{b^{3}}}\right)\mu _{\text{r}}}}$ который показывает, что магнитное поле уменьшается как $\mu _{\text{r}}^{-1}$ . ^[19]