МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭКРАН
MULTILAYER ELECTROMAGNETIC SCREEN

Изобретение относится к конструкции экранов для защиты от электромагнитных полей и обеспечения электромагнитной совместимости блоков в комплексах электронной аппаратуры. В частности, к многослойным металлическим экранам, используемым в радиоэлектронной и приборостроительной технике, преимущественно, при создании бортовых комплексов аэрокосмического применения.
Широкое применение электроники в практике, создание сложной электронной аппаратуры, миниатюризация ее в комплексах бортовой авиационной и космической техники и решении других технических задач, ставит высокие требования к снижению влияния внешних электромагнитных полей на ее функционирование. Особенно это влияние проявляется в проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) в создаваемых комплексах аппаратуры. Одним из эффективных способов ослабления электромагнитных полей и обеспечения правильного функционирования является применение экранирования.
Наибольшую эффективность имеют многослойные экраны, поскольку известно, что вклад механизма отражения в общую эффективность экранирования переменных ЭМИ увеличивается с ростом количества границ раздела в материале экрана (Л.Н. Кечиев, Б.Б. Акбашев, П.В. Степанов. Экранирование технических средств и экранирующие системы. Из-во «Группа ИТД», М., 2010). Однако выбор конкретной конструкции экрана зависит, как от требуемых условий ослабления электромагнитных полей, так и от конструкторских и технологических ограничений решаемой задачи.
Известен многослойный экран для ослабления электромагнитного излучения, заключающийся в создании многослойного пакета, включающего изоляционные слои и слои, поглощающие электромагнитное излучение, выполненные из материала, в который включен измельченный графитизированный шунгит, углеродоволокнистый материал и связующее. Данные экраны получают путем поочередного прессования дисперсных материалов и предназначены для экранирования высокочастотных ЭМИ (см. патент RU №2234176, кл. МПК H01Q 17/00, опубл. 10.08.2004 г.). Недостатком такого экрана является сложность изготовления, ограниченная применимость и узкий рабочий диапазон частот.
Известно устройство экранирования от электромагнитного излучения от низкочастотных электромагнитных полей, индуцируемых электротехническим оборудованием, содержащее плоские экранирующие слои, выполненные из листовой магнитомягкой изотропной стали и размещенный между ними объемный экранирующий слой, выполненный в виде стальной прямоугольной решетки (см. патент RU №2381601, кл. МПК H01Q 17/00, опубл. 10.02.2010). Однако по габаритно-массовым характеристикам подобное устройство не может быть использовано при конструировании бортовой аппаратуры.
Известен многослойный композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения, который состоит из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B с изменением размерности частиц в каждом последующем слое (см. патент RU №2529494, кл. МПК G12B 17/02, Н05K 9/00, В82В 3/00, опубл. 27.09.2014 г.). Однако подобный материал не может быть использовано в космической бортовой аппаратуре и не рекомендуется использовать в вакууме
Известны многослойные металлические экраны, состоящие из последовательно чередующихся немагнитных (медь, алюминий, латунь) и магнитных (сталь, пермаллой) листов, обладающих более высоким экранирующим эффектом, по сравнению с однослойными экранами той же толщины (Гроднев И.И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. М.: Связь, 1972 г.). Однако способ изготовления составных многослойных экранов по технологии прессования достаточно сложен, конструктивно они громоздки, а массогабаритные параметры для многих практических приложений, в частности для экранирования бортовой аппаратуры, неприемлемы.
Известен многослойный электромагнитный экран для защиты от электромагнитного поля в широком диапазоне частот, содержащий магнитные слои из аморфного сплава кобальт-железо-фосфор и немагнитные медные слои толщиной 1-25 мкм при суммарной толщине медных слоев 150-350 мкм (см. патент BY №11843, кл. МПК Н05K 9/00, H01Q 17/00, Н01F 10/10, опубл. 30.04.2009 г.). Однако свойства магнитного сплава недостаточно высоки, что не позволяет получить высокую эффективность экранирования.
магн
немагн
магн
немагн
магн
немагн
Наиболее близким прототипом заявляемого изобретения является многослойный электромагнитный экран для защиты фотоэлектронных умножителей. Этот многослойный электромагнитный экран, содержит магнитные слои из сплава никель-железа и слои электропроводящего материала - медь. Многослойный электромагнитный экран выполняется в виде покрытия из последовательно нанесенных магнитных и немагнитных слоев, при этом толщина немагнитного слоя выбирается в пределах 1-25 мкм, толщина магнитного слоя выбирается в пределах 6-250 мкм, а суммарная толщина магнитных слоев составляет 300-500 мкм, общее количество магнитных (N) и немагнитных (N) слоев находится в пределах 3<N+N<99, при этом N=N+1 (см. патент RU №2474890, МПК G12B 17/02, Н05K 9/00, Н05K 5/06 опубл. 10.02.2013 г.). Этот многослойный электромагнитный экран предназначен для защиты фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) от воздействия постоянных магнитных пролей.
Недостатком данного экрана является низкая эффективность экранирования переменных ЭМИ и, соответственно, низкая способность обеспечения ЭМС. Эффективность магнитостатических экранов определяется механизмом шунтирования и зависит от величины магнитной проницаемости материала, его толщины и размеров. Магнитостатические экраны не всегда эффективны при работе в области переменных ЭМИ, поскольку в последнем случае общий эффект экранирования определяется вкладами от механизма шунтирования, скин-эффекта и отражения электромагнитной волны от границ раздела.
Целью изобретения является повышение эффективности экранирования переменных ЭМИ в низкочастотном диапазоне ЭМИ (10÷10000 Гц) от внутрисистемных и межсистемных источников помех, эффективное обеспечения электромагнитной совместимости блоков радиоэлектронной аппаратуры.
Поставленная цель достигается выбором оптимального количества и толщины магнитного и немагнитного слоев многослойного экрана.
Сущность изобретения заключается в том, что предложена конструкция электромагнитного экрана с оптимальным сочетанием толщин магнитных и немагнитных слоев, количеством слоев и, соответственно, границ раздела между этими слоями, которые также определяют эффективность экранирования в диапазоне критических частот.
Ni-Fe
Fe
Общими признаками заявляемого изобретения и прототипа является использование в качестве магнитного слоя сплава , содержащего 18-22 ат. % , и в качестве электропроводящего слоя - меди.
магн
немагн
магн
немагн
Отличительными признаками изобретения являются использование слоев меди толщиной 0,5÷1,0 мкм, магнитных слоев толщиной - 1,0÷6,0 мкм и общего количества магнитных и немагнитных слоев в интервале 100≤N+N≤900, при этом N=N.
Ni-Fe/Cu
В частности, предложенный многослойный экран содержит большее, по сравнению с прототипом, количество магнитных и немагнитных слоев, соответственно, большее количество границ раздела и тем самым повышает эффективность экранирования именно переменных ЭМИ. Количество магнитных слоев равно количеству немагнитных слоев, при этом первый слой выполнен из немагнитного материала, последний слой - магнитного материала. Последнее отличие от прототипа связано с технологическими особенностями метода формирования многослойных систем. В случае электролитического осаждения многослойной структуры  намного технологичнее и проще выполнить операцию подготовки поверхности корпуса прибора (алюминий и его сплавы, сталь, медь и ее сплавы) для осаждения меди, чем для осаждения магнитного сплава, и, тем самым обеспечить надежное сцепление экрана с корпусом.
Ni-Fe
Для определения параметров оптимальной конструкции многослойного экрана для обеспечения ЭМС в комплексах бортовой аппаратуры были изготовлены образцы многослойных экранов с использованием в качестве магнитного слоя сплава  и в качестве электропроводящего слоя - меди. Проведены экспериментальные исследования характеристик этих образцов.
ρ
μ
Э
Э
Э
Э
d
d
Σd
N
N
0
50
500
50
00
магн
немагн
магн
немагн
Результаты этих исследований могут быть проиллюстрированы несколькими примерами, представленными в таблице 1 (условные обозначения:  - удельное электросопротивление медного слоя;  - магнитная проницаемость магнитного слоя;  - эффективность магнитостатического экранирования;  - эффективность экранирования электромагнитного поля с частотой 50 Гц;  - эффективность экранирования электромагнитного поля с частотой 500 Гц;  - эффективность экранирования электромагнитного поля с частотой 5000 Гц;  - толщина магнитного слоя;  - толщина медного слоя;  - общая толщина многослойного экрана;  - количество магнитных слоев;  - количество медных слоев), из которых видно, что оптимальными по своей структуре многослойными экранами являются образцы, приведенные в примерах №3, 4. Многослойные экраны, состоящие из 90 слоев магнитного сплава толщиной 4,0 мкм и 90 слоев меди толщиной 0,8 мкм на частотах 50; 500 и 5000 Гц обеспечивают эффективность экранирования 142; 260 и 2480, соответственно (пример №3). Многослойные экраны, состоящие из 150 слоев магнитного сплава толщиной 2,0 мкм и 150 слоев меди толщиной 0,8 мкм на частотах 50; 500 и 5000 Гц обеспечивают эффективность экранирования, равную 134; 240 и 2240 соответственно (пример №4). Снижение толщины медного слоя до 0,1 мкм приводит к увеличению удельного электросопротивления и снижению эффективности экранирования на всех частотах (пример №8). При выходе за нижнюю границу по толщине немагнитного слоя (пример №7) эффективность экранирования снижается до значений более низких, чем у прототипа. При увеличении толщины немагнитного слоя до 1,0 мкм (пример №9) экранирующий эффект изменяется незначительно. Однако, при выходе за верхнюю границу по толщине немагнитного слоя (пример №10) за счет снижения количества границ раздела между слоями эффективность уменьшается и становится ниже, чем у прототипа.
При снижении толщины магнитного слоя относительно оптимальных примеров №3, 4 до значения 1,0 мкм снижается магнитная проницаемость и, соответственно, уменьшается эффективность экранирования на частотах 50; 500 и 5000 Гц до значений 108, 220 и 1960 соответственно (пример №2). При выходе за нижнюю границу по толщине магнитного слоя (пример №1) магнитная проницаемость уменьшается еще более и по своей эффективности образец уступает прототипу. При толщине магнитного слоя 6,0 мкм эффективность экранирования по своим значениям превышает характеристики прототипа (пример №5). Дальнейшее увеличение толщины магнитного слоя приводит к снижению количества границ раздела в многослойном экране и, соответственно, приводит к снижению эффективности экранирования во всем диапазоне критических частот до значений ниже, чем у прототипа (пример №6).
При использовании многослойных экранов с общим количеством магнитных и немагнитных слоев 100 (пример №14) эффективность экранирования во всем диапазоне критических частот уступает значениям оптимальных примеров №3, 4, но превосходит прототип. При выходе за нижнюю границу по общему количеству слоев (пример №11) эффективность экрана ниже, чем у прототипа. На верхней границе по общему количеству слоев (пример №12) эффективность экранирования образцов превышает значения прототипа, но за счет снижения μ магнитного слоя и увеличения электрического сопротивления немагнитного слоя уступает оптимальным образцам. При выходе за верхнюю границу по общему количеству слоев характеристики образца уступают прототипу (пример №13).
При проведении исследований производился следующий комплекс определений различных характеристик экранов.
Химический состав отдельных слоев образцов многослойных экранов определен на рентгеновском спектральном анализаторе «RONTEC EDWIN», сопряженном с растровым электронным микроскопом LEO1455VP (Германия). Общая толщина многослойных экранов и толщины отдельных слоев определялась на специально приготовленных шлифах металлографическим методом на оптическом микроскопе «OLYMPUS GX41» (Япония) (рис. 1).
Магнитная проницаемость определялась баллистическим методом на многослойных покрытиях цилиндрической формы с толщинами медных слоев от 0,1 до 1,0 мкм и магнитных слоев от 1,0 до 6,0 мкм, общее количество слоев варьировалось от 100 до 900.
Измерения удельного электросопротивления медных слоев проводились с помощью стандартной мостовой схемы и цифрового вольтметра. В качестве образцов использовались пленки меди в виде полосок толщиной 0,08÷4,0 мкм, длиной 20 мм и шириной 2 мм, к которым подводились токовые и потенциометрические контакты.
Э
Н
Н
0
Эффективность экранирования () оценивалась из отношения напряженностей магнитного поля в защищаемой области пространства при отсутствии экрана () и при наличии его ().
Для измерения эффективности экранирования переменного электромагнитного поля использовался способ экранирования полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечно плоским электромагнитным экраном. Образцы экранов формировались на плоских алюминиевых пластинах размером 120×120 мм и толщиной 1,0 мм. В качестве источника электромагнитной волны использовался генератор сигналов ГЗ-7А, от которого сигнал подавался на излучающую катушку. Излучающая катушка состояла из сердечника, обмотки из медного провода диаметром 0,04 мм с 12000 витками и экранирующего корпуса. Вторая катушка - измерительная - также состояла из сердечника, с аналогичной обмоткой и корпусом. Зазор между излучающей и измерительной катушкой равнялся толщине электромагнитного экрана на алюминиевой пластине. Электромагнитный экран располагался перпендикулярно падающей плоской электромагнитной волне. Напряжение электрической цепи излучающей катушки задавался на генераторе сигналов в диапазоне 10 до 20 В. Наведенное напряжение на измерительной катушке фиксировалось селективным нановольтметром (type 233), амплитудно-частотные характеристики - осциллографом С1-83.
Одним из примеров практической реализации конструкции предлагаемого технического решения является выполненное экранирование привода сканирующего узла видеоспектрометра в многоцелевом комплексе научной аппаратуры, разрабатываемом в настоящее время для космических исследований.
Ni-Fe
Fe
На алюминиевый корпус линейного шагового двигателя поочередно были нанесены слои магнитного и немагнитного материалов многослойного электромагнитного экрана. При этом изготовленный электромагнитный экран содержит 50 слоев магнитного сплава , содержащего 18-22 ат. % , толщиной 6,0 мкм и 50 слоев меди толщиной 1,0 мкм, общая толщина экрана составляет 350,0 мкм (рис. 2).
μ
ρ
μ
ρ
5
Слои магнитного материала характеризуются значениями магнитной проницаемости =(1-3)×10 и электрического сопротивления =0,65 мкОм×см, а слои меди =1 и =0,0175 мкОм×см, поэтому величины волнового сопротивления (Z=√μρω) слоев значительно отличаются между собой. В многослойном экране первый слой выполнен из меди, последний слой выполнен из магнитомягкого материала, так как адгезия меди к алюминию выше, чем у магнитного сплава, а сплавы никель-железо обладают повышенными прочностными и коррозионными свойствами, что позитивно влияет на эксплуатационные характеристики экранов.
μ
магн
немагн
При прохождении электромагнитной волны через слои экрана происходит отражение и поглощение ЭМИ. В многослойных структурах роль эффекта отражения возрастает с увеличением количества слоев и различия Z, вследствие чего обеспечивается эффективное рассеяние ЭМИ на границах раздела. Экспериментально установлено, что в диапазоне частот от 50 до 5000 Гц оптимальной эффективностью экранирования, соответственно, и оптимальной ЭМС, обладают многослойные экраны, содержащие магнитные слои с толщинами от 1,0 до 6,0 мкм и максимальными значениями величин ; N; N, медные слои с толщинами от 01, до 1,0 мкм и общей толщиной экрана от 300 до 500 мкм.
Эффект применения многослойного экрана наглядно демонстрируют результаты выполненных испытаний. На рис. 3 показана амплитудно-частотная характеристика электромагнитного излучения двигателя без применения экрана. Сплошной линией показан уровень допустимого фона. На рис. 4 показана амплитудно-частотная характеристика электромагнитного излучения двигателя с использованием предложенного многослойного экрана. Уровень электромагнитного излучения двигателя становится допустимым. При этом снижения мощности двигателя не происходит.
По результатам комплексных испытаний изготовленный экран обеспечил ЭМС при работе сканирующего видеоспектрометра с этим двигателем в составе многоцелевого магниточистого исследовательского комплекса, включающего в свой состав магнитометр.
магн
немагн.
магн
немагн
Многослойные экраны с предложенными характеристиками позволяет обеспечивать эффективную электромагнитную защиту в низкочастотном диапазоне ЭМИ и, соответственно, обеспечивать ЭМС за счет использования многослойных структур с оптимальным соотношение толщин магнитных 1,0÷6,0 мкм и немагнитных 0,1÷1,0 мкм слоев, общим количеством слоев в интервале 100≤N+N≤900, при этом N=N, что отвечает совокупности требований, предъявляемых к защитным покрытиям от внешнего электромагнитного излучения. Как показывает практика, применение этих экранов позволяет обеспечить совместное функционирование узлов и блоков с недопустимым уровнем производимых ими электромагнитных помех. Оптимизация выбора толщины и количества слоев экрана позволяет минимизировать их габаритно-весовые характеристики, что является критичным для создания бортовой аэрокосмической аппаратуры. Как показал опыт разработки и применения многослойных экранов с предложенными характеристиками, предлагаемое решение обеспечивает возможность создания аппаратуры из несовместимым по своим характеристикам узлов. Использование рассмотренных многослойных экранов практически не меняют габаритно-весовые характеристики аппаратуры. Можно рекомендовать применять эти экраны в бытовой технике для улучшения экологических характеристик.