Экранирование электромагнитных полей. Расчет и конструирование защитных экранов

Электромагнитное поле имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучателей (диполей) в воздухе определяются соответственно равенствами:

и (3)

, (4)

где

r – расстояние до источника,

– волновое число.

Здесь

– круговая частота ЭМП,

f – частота ЭМП,

c – скорость распространения ЭМП (для воздуха скорость света 300000 км/с),

– длина волны ЭМП. (5)

Обычно считают, что на расстоянии от источника не большем длины волны – зона индукции. Например для частоты f = 10⁹ Гц = 1 ГГц расстояние, которое определяет зону индукции меньше м. Для f = 10⁶ Гц – 300 м.

Для антенн зону излучения обозначают неравенством:

, (6)

где l – размер антенны.

В зоне излучения поле практически принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, составляющие которой равны:

(7)

где – комплексная диэлектрическая проницаемость среды; e и m – абсолютные проницаемости соответственно диэлектрическая и магнитная; s – удельная проводимость среды; – комплексное волновое число; – комплексная амплитуда напряженности поля, E_m – амплитуда напряженности поля, j_E – начальная фаза, r – расстояние от антенны до заданной точки пространства.

Модуль напряженности электрического поля излучающей антенны в зоне излучения может быть вычислен по формуле:

, (8)

где E – напряженность поля в заданной точке пространства, В/м;

P_изл – мощность передатчика, Вт;

Z₀ – волновое сопротивление свободного пространства, равное 120 Ом;

G₀ – коэффициент направленного действия (КНД) антенны (излучателя) в направлении максимального излучения.;

r – расстояние от антенны до заданной точки пространства, м;

F(Q,j) – диаграмма направленности антенны.

Значения КНД и виды диаграмм направленности антенны различных типов приводятся в литературе по антенной технике. Так, для антенны в виде полуволнового электрического вибратора:

G₀ = 2,5; F(Q,j) = sin Q, где Q – угол между осью вибратора и направлением в точку приема.

В диапазонах длинных и средних волн (200 м < l < 2000 м) расстояние r до места возможного расположения людей может удовлетворять условию

,

т.е. точка наблюдения находится в зоне индукции (ближней зоне). В этом случае понятие диаграммы направленности теряет смысл.

Для простейшей антенны в виде элементарного вибратора, длина которого значительно меньше длины волны, а распределение тока по длине равномерно, для нахождения напряженности поле можно воспользоваться выражением:

, (9)

, (10)

, (11)

где

I – ток вибратора, А;

l – длина вибратора, м;

v – частота поля, рад/с;

Ф/м – диэлектрическая постоянная;

– волновое число;

Q – угол между осью вибратора и направлением в точку наблюдения.

Для вычисления напряженности поля антенны более сложной конфигурации, антенну необходимо разбить на малые отрезки с постоянной амплитудой тока, которые рассматривать как элементарные электрические вибраторы, для вычисления суммарного поля применять принцип суперпозиции.

В случае, если величина тока в вибраторе неизвестна, можно произведение Il выразить через излучаемую мощность P_изл:

. (12)

Для любых антенн, расположенных вблизи поверхности Земли, необходимо учитывать отражение ЭМП от поверхности. Величина коэффициента отражения зависит от многих факторов. В наихудшей ситуации его можно считать равным единице, при этом величина напряженности поля у поверхности Земли удваивается.

На частотах выше 300 МГц величина плотности потока для конкретной антенны в зоне излучения (дальней зоне) может вычисляться по формуле

. (13)

Различают экранирование магнитного, электрического и электромагнитного (плоская волна) полей.

Экранирование в магнитном поле постоянного тока основано, грубо говоря, на том, что силовые линии магнитного поля преимущественно проходят по участкам с меньшим магнитным сопротивлением (по стенкам экрана).

Электростатическое экранирование основано на компенсации внешнего поля полем зарядов, выявившихся на стенках экрана из проводящего материала вследствие электростатической индукции. Толщина стенок экрана при электростатическом экранировании в отличие от экранирования в магнитном и электромагнитном полях может быть сколь угодно малой.

Экранирование в переменном электромагнитном поле основано, главным образом, на том, что электромагнитная волна, проникающая в стенки экрана, быстро затухает, расходуя энергию на покрытие потерь, обусловленных вихревыми токами в стенках экрана.

Экранирование при воздействии статического электрического поля осуществляют весьма простым способом. Достаточно поместить экранируемый объект в замкнутую металлическую область любой толщины и соединить ее с точкой нулевого потенциала (с корпусом), при этом следует иметь ввиду, что наличие в экране неплотностей (щелей) приводит к проникновению внутрь экрана внешнего электрического поля

(14)

где E₀ – внешнее электрическое поле; b и d – ширина цепи и толщина материала экрана соответственно; r – расстояние от центра щели до рассматриваемой точки внутри экрана.

Эффективной защитой от постоянного магнитного поля служат экраны, выполненные из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллоя или стали). При наличии такого экрана магнитные силовые линии проходят в основном по его стенкам, поскольку их магнитное сопротивление существенно меньше сопротивления окружающего пространства. Если стенки экрана имеют швы и стыки, расположенные перпендикулярно силовым линиям поля, его эффективность в значительной степени снижается из-за увеличения магнитного сопротивления экрана магнитному потоку.

При наличии щели в экране поле внутри экрана

(15)

где H, H₀ – внутреннее и внешнее магнитные поля соответственно, остальные обозначения даны выше.

Экран сферической или близкой к ней формы (радиус эквивалентной сферы определяют исходя из равенства объемов) имеет коэффициент экранирования

, (16)

где R₁, R₂ – внутренний и внешний радиусы экрана соответственно; m_r – относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Для цилиндрического экрана, который имитирует экран сложной геометрической формы, одно измерение которого значительно больше двух других, коэффициент экранирования

. (17)

При m_r >> 1, R₁ = R₂-d (d – толщина экрана):

; (18)

. (19)

Соотношение между коэффициентом экранирования К_э и ослаблением магнитного поля D определяется формулой

. (19а)

Проектирование экранов рассматриваемого типа должно базироваться на следующих принципах:

1. Магнитная проницаемость материала экрана должна быть по возможности более высокой;

2. Коэффициент экранирования (т.е. отношение величин полей вне и внутри экрана) в первом приближении пропорционален толщине стенки экрана;

3. Воздушный промежуток между экранируемым объектом и экраном должен быть по возможности увеличен.

4. Конструкция экрана должна быть выполнена таким образом, чтобы на пути силовых линий поля не встречались стыки и швы с большим магнитным сопротивлением.

Электромагнитное экранирование осуществляют с помощью экранов, которые выполняют на основе следующих рекомендаций:

1. Начальная магнитная проницаемость и электрическая проводимость материала экрана должны быть по возможности более высокими;

2. Толщина экрана должна быть по возможности наибольшей (что особенно важно для низких частот поля);

3. Воздушный промежуток между экранируемым элементом и экраном должен иметь большую величину;

4. Конструкция экрана должна быть выполнена таким образом, чтобы на пути силовых линий поля не встречались швы и стыки;

5. Наибольшая степень экранирования достигается путем применения многослойных экранов, при этом целесообразно сочетание материалов с большой магнитной проницаемостью и большой электрической проводимостью (например, пермаллоя и медь);

6. Целесообразно также применение нескольких экранов, расположенных один внутри другого и разделенных воздушными промежутками.

Поиск по сайту: