Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов радиоэлектронной аппаратуры
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC SHIELDING OF CONTACT CONNECTION OF HOUSINGS OF RADIOELECTRONIC EQUIPMENT

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к обеспечению электромагнитной совместимости и защиты от электромагнитных помех радиоэлектронной аппаратуры, а также к области энергоинформационной защиты от утечки по техническим каналам, фактором образования которых служат побочные электромагнитные излучения в широком диапазоне частот с высокой эффективностью экранирования, и может найти применение в средствах радиосвязи, управления, в средствах вычислительной техники, в комплексах автоматизированных рабочих мест оператора, в системах автоматизации и управления, в задачах электромагнитной совместимости, где необходима повышенная эффективность экранирования контактного соединения корпусов радиоэлектронной аппаратуры, в частности торцевого соединения разъемных соединений корпусов.
В качестве материала для эффективного экранирования используются стальные листы сваренные сплошным швом, а толщина листа выбирается в пределах (0,8-2) мм, что само по себе обеспечивает высокий уровень экранирования до 100 и более дБ. (Экранирование технических средств и экранирующие экраны / Л.Н. Кечиев, Б.Б. Акбашев, П.В. Степанов. - 2010 г. - 470 с; ил. - (Библиотека ЭМС), Издается под ред. Журнала «Технологии ЭМС»)). Механическое контактное соединение «корпус - съемная крышка», обеспечивается ленточными пружинными контактными прокладками, которые, как правило, выполняются из фосфористой бронзы или из сплава медь-бериллий, и является одним из слабых звеньев, определяющих эффективность экранирования радиоэлектронных аппаратуры.
Факторы, влияющие на падение эффективности экранирования, можно разделить на две составляющие: механическую, включая конструкцию контактного соединения, и электродинамическую.
К механическим факторам можно отнести: механическое повреждение ленточных пружинных контактов, усталости металла ленточных пружинных контактов, деформации корпуса или съемной крышки и другие.
К электродинамическим факторам уменьшения эффективности экранирования, при наличии источника электромагнитного излучения в объеме корпуса, можно отнести стоячие волны, вызванные резонансными явлениями усиление поля в углах и на острых краях внутри корпуса (экрана), имеющее место при высокой напряженности поля вблизи участков с резкой сменой направления металлической стенки (прямые углы в стыках стенок корпуса и в местах крепления съемной крышки с корпусом, а также петель и ручка замыкающая корпус с крышкой). Кроме того, на неровностях (неоднородностях) конструктива происходит усиление и завихрение электромагнитного поля внутри корпуса.
Номенклатура радиоэлектронной аппаратуры, требующая корпусирования с электромагнитным экранированием, очень разнообразная, а частотный диапазон, который необходимо экранировать, лежит в очень широких пределах от 10 Гц до нескольких десятков ГГц и выше по частоте. При этом регламент эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры может требовать возможность регулярного доступа внутрь корпуса (открывание и закрывание крышки корпуса) при сохранении высокой эффективности экранирования.
При расположении источника излучения вне корпуса, то эффективность экранирования принимает совсем другие значения, поскольку электродинамическая теория взаимности не работает, т.к. в этом случае проявляются совсем другие электродинамические эффекты. Например: (Резонансное рассеяние волн. Т. 1. Дифракционные решетки / Шестопалов В.П., Кириленко А.А., Масалов С.А., Сиренко Ю.К. - Киев: Наука думка, 1986. - 232 с.).
Известно устройство (конструкция) электромагнитного экранирования корпусов радиоэлектронной аппаратуры, в котором уплотнительное контактное соединение металлического корпуса с металлической съемной крышкой радиоэлектронной аппаратуры выполнено в виде ленточных контактных прокладок в сечении Л-образной формы, которые приклеивают проводящим клеем корпусу и съемной крышки (Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. Рис. 14.9(и). Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. с. 238.
Недостатками устройства (конструкции) клеевого контактного соединения являются: низкая эффективность экранирования электромагнитного излучения; ограниченный диапазон частот экранирования; ограничение частотного диапазона по высоким частотам; клеевое крепление ленточных контактных прокладок создает низкий уровень надежности и исключает возможность многократного вскрытия корпуса без потери эффективности экранирования.
Известно устройство (конструкция) электромагнитного экранирования корпусов радиоэлектронной аппаратуры (патент США №6267629, МКП Н05K 9/00. и заявка WO №2008/127778, МКП Н05K 9/00), в котором контактное соединение корпуса со съемной крышкой корпуса выполнено в виде планки с установленными на нем пружинными зажимами, основание которых закрепляется на корпусе или на съемной крышке корпуса. Лепестки пружинных зажимов выполнены выпуклыми и направлены перпендикулярно планке, при этом лепестки изогнуты так, что их выпуклости направлены навстречу друг другу, и в рабочем положении контактируют с ножевой вставкой, закрепленной на другой экранируемой детали съемной крышки корпуса или на корпусе.
Недостатками устройства (конструкции) выполнения пружинных зажимов и их установки являются: низкая эффективность экранирования электромагнитного излучения не зависимо от расположения источника излучения внутри или вне корпуса; ограниченный диапазон частот экранирования; низкий уровень надежности соединения корпуса с крышкой вследствие незащищенности лепестков пружинных зажимов от поломок при многократном вскрытии корпуса без потери эффективности экранирования.
Известно устройство (конструкция) электромагнитного экранирования корпусов радиоэлектронной аппаратуры (АС СССР №928684, МКП Н05K 9/00), содержащее, расположенный в обойме торцевого соединения корпуса и крышки, контактный элемент выполненный в виде плоской пружины с разделенными прорезями контактными перемычками двояковыпуклой формы с противоположно направленными выпуклостями.
Недостатком устройства (конструкции) выполнения контактного соединения корпуса со съемной крышкой является то, что эффективность экранирования, в первую очередь, полностью зависит от точности установки крышки на корпус в обойму торцевого соединения и создание в области контакта создания необходимой плотности соединения, которое определяется уровнем силового натяжения, и только в этом случае обеспечивается необходимая площадь контактного соединения, и как следствие таких операций - низкий уровень надежности соединения корпуса с крышкой и невозможность многократного вскрытия корпуса без потери эффективности экранирования, а также ограниченный диапазон частот экранирования.
Наиболее близким техническим решением - прототипом, является устройство (конструкция) электромагнитного экранирования контактного соединения (патент США №4803306, МКП Н05K 9/00, НK 174/351, 174/368), содержащее контактный металлический бортик, образующий на торце одной части соединения металлического корпуса и металлической ответной части съемной крышки корпуса замкнутого контура; контактного ножевого выступа, расположенного между контактными стенками и образующего на ответной части электронного аппарата замкнутый контур; двух контактных лент, каждая из которых имеет участок зажима U-образной формы с фиксаторами и разделенный поперечными пазами; участок выпуклых пружинных лепестков, расположенный между смежными плоскостями контактных стенок и ножевого выступа так, что выпуклости лепестков контактных лент направлены в противоположные стороны и образуют два контактных контура.
Недостатками устройства (конструкции) выполнения контактного соединения корпуса со съемной крышкой является: низкая эффективность экранирования электромагнитного излучения; ограниченный диапазон частот экранирования; низкий уровень надежности соединения корпуса с крышкой из-за незащищенности лепестков пружинных зажимов от механических повреждений при многократном вскрытии и закрытии корпуса без ухудшения эффективности экранирования.
Технической задачей данного изобретения является создание устройства для электромагнитного экранирования контактного соединения металлических корпусов электронного оборудования: с высокой эффективностью экранирования в широком диапазоне частот по электрической составляющей с переходом к электромагнитному полю в диапазоне частот от единиц Гц до нескольких десятков ГГц; с высокой эффективностью экранирования в широком диапазоне частот по магнитной составляющей электромагнитного поля в диапазоне частот от единиц Гц до нескольких сотен МГц; с высокой степенью надежности контактного соединения и сохранением эффективности экранирования контактного соединения при многократном демонтаже съемной крышки с корпуса и последующей ее установки (открытие/закрытие соединения).
Технический результат достигается тем, что устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования, состоящее из металлического корпуса и установленной на нем металлической ответной части, выполненной в виде съемной крышки, образующих на торце соединения металлического корпуса и металлической съемной крышки первый замкнутый электрически контур, при этом на одной поверхности металлической съемной крышки, со стороны металлического корпуса, установлен контактный металлический бортик, выполненный в форме замкнутого кольца, который расположен перпендикулярно поверхности металлической съемной крышки, и одной продольной торцевой стороной контактный металлический бортик гальванически соединен с одной поверхностью металлической съемной крышки, а со стороны одной боковой поверхности контактного металлического бортика, ориентированной внутрь металлического корпуса, по всему периметру установлены две одинаковые пружинные металлические контактные ленты, каждая из которых имеет участок U-образной формы с фиксаторами и участки выпуклых пружинных лепестков, являющихся продолжением участков U-образной формы, при этом участки выпуклых пружинных лепестков выполнены с разделяющими пазами и выпуклости лепестков одной и другой пружинных металлических контактных лент направлены в противоположные стороны, образуя два лепестковых контактных контура, при этом на одной поверхности металлической съемной крышки выполнен сверхширокополосный мода-импедансный фаза-инвертор, который состоит из двух объемных резонаторов открытого типа прямоугольного поперечного сечения, причем первый объемный резонатор выполнен в форме прямоугольного кольца, где одна боковая поверхность первого объемного резонатора образована контактным металлическим бортиком, который расположен по внешнему краю металлической съемной крышки, а другая боковая поверхность первого объемного резонатора образована введенным дополнительным контактным металлическим бортиком, который выполнен в форме прямоугольного замкнутого кольца, установленного на одной поверхности металлической съемной крышки корпуса, перпендикулярно ей и одной продольной торцевой стороной дополнительный контактный металлический бортик гальванически соединен с одной поверхностью металлической съемной крышки, при этом одна боковая поверхность дополнительного контактного металлического бортика расположена со стороны первого объемного резонатора, а другая боковая поверхность дополнительного контактного металлического бортика образует второй объемный резонатор в форме параллелепипеда, причем на торцевую сторону боковой стенки металлического корпуса, со стороны установки металлической съемной крышки, с гальваническим контактом по всему периметру и перпендикулярно боковой стенки металлического корпуса, установлен введенный металлический фланец, выполненный прямоугольной формы с внутренним окном прямоугольной формы, при этом внешний продольный и поперечный размер металлического фланца равен внешнему продольному и поперечному размеру металлического корпуса в месте установки соответственно, а внутренний продольный и поперечный размер внутреннего прямоугольного окна металлического фланца меньше внешнего продольного и поперечного размера металлической съемной крышки, соответственно, причем при установке металлической съемной крышки на металлический корпус другая продольная торцевая сторона контактного металлического бортика расположена на одной поверхности металлического фланца и имеет с ней гальванический контакт, который образует первый замкнутый электрический контур, при этом введен дополнительный объемный резонатор открытого типа прямоугольного поперечного сечения, выполненный в форме прямоугольного кольца, причем торцевой поверхностью дополнительного объемного резонатора является одна поверхность введенной металлической опорной рамки прямоугольной формы с внутренним окном прямоугольной формы, где внешние продольный и поперечный размер металлической опорной рамки меньше внешнего продольного и поперечного размера металлической съемной крышки, соответственно, и равны внешнему продольному и поперечному размеру дополнительного объемного резонатора, при этом одна боковая стенка дополнительного объемного резонатора расположена по внешнему краю металлической опорной рамки и одной торцевой стороной гальванически с ней соединена, а другая боковая стенка дополнительного объемного резонатора одной торцевой стороной гальванически соединена с одной поверхностью металлической опорной рамки, причем другая поверхность металлической опорной рамки установлена на одну поверхность металлического фланца и гальванически с ним соединена, при этом ширина дополнительного объемного резонатора и высота его боковых стенок меньше ширины первого объемного резонатора и высоты его боковых стенок соответственно, причем дополнительный объемный резонатор установлен без гальванического контакта внутрь первого объемного резонатора с одинаковыми зазорами между соответствующими боковыми стенками резонаторов, при этом одна и другая пружинные металлические контактные ленты, участками U-образной формы, установлены по всему периметру на другие продольные торцевые стороны одной и другой боковых стенок дополнительного объемного резонатора, соответственно, и закреплены на них фиксаторами, а один и другой участки выпуклых пружинных металлических контактных лепестков одной и другой металлических контактных лент обращены к одной и другой боковым поверхностям первого объемного резонатора соответственно, образуют один и другой лепестковые электрически контактные контура, причем на другую поверхность металлического фланца, симметрично его внутреннему окну, установлена и гальванически соединена одной поверхностью введенная плоская металлическая опорная шайба, выполненная прямоугольной формы с внутренним окном прямоугольной формы, при этом внешние продольный и поперечный размеры металлической опорной шайбы больше продольного и поперечного размера внутреннего прямоугольного окна металлического фланца, а продольный и поперечный размеры внутреннего прямоугольного окна металлической опорной шайбы больше или равны внутренним продольным и поперечным размерам внутреннего прямоугольного окна металлической опорной рамки соответственно, причем металлическая опорная рамка и металлическая опорная шайба, разделенные металлическим фланцем, образуют второй дополнительный объемный резонатор открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца, торцевой стенкой которого является одна торцевая сторона металлического фланца, а боковыми стенками являются другая боковая поверхность металлической опорной рамки и одна поверхность металлической опорной шайбы, при этом во внутрь второго дополнительного объемного резонатора по всему периметру установлена введенная дополнительная металлическая пружинная контактная лента, выполненная с плоским основанием и множеством отходящих от нее упругих выпуклых лепестков, причем плоское основание дополнительной металлической пружинной контактной ленты расположено на одной поверхности металлической опорной шайбы, а упругие выпуклые лепестки дополнительной металлической пружинной контактной ленты контактируют с другой поверхностью металлической опорной рамки, при этом высота упругих выпуклых лепестков дополнительной металлической пружинной контактной ленты больше ширины торцевой стороны металлического фланца, а ширина плоского основания меньше глубины второго дополнительного объемного резонатора, при этом внешняя торцевая сторона металлической опорной шайбы образует с внутренней боковой поверхностью металлического корпуса третий дополнительный объемный резонатор открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца, торцевой поверхностью которого является другая поверхность металлического фланца.
В данном техническом решении металлическая съемная крышка, со стороны присоединения к корпусу, выполнена в виде сверхширокополосного мода-импедансного фаза-инвертора, состоящего из двух объемных резонаторов открытого типа прямоугольного поперечного сечения: первый объемный резонатор выполнен в форме прямоугольного кольца, второй объемный резонатор выполнен в форме параллелепипеда. Кроме того, выполнен дополнительный объемный резонатор открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца, на боковые стенки которого установлены пружинные металлические контактные ленты, и который расположен внутри первого объемного резонатора с гальваническим контактом пружинных металлических контактных лент с боковыми стенками первого объемного резонатора, а также выполнены второй и третий дополнительные объемные резонаторы прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца.
Вид (волноводный), форма (параллелепипед, кольцевой), геометрические размеры (продольные, поперечные и глубина) и способ возбуждения (поверхностными электрическими токами и/или падающим электромагнитным полем), в зависимости от соотношения размеров к длине волны, их частотная зависимость, расположение источника (внутри корпуса или снаружи) определяется эквивалентная схема объемного резонатора (токовый режим - резонатор колебательный контур; полевой режим - объемный резонатор). Например: (Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский Л.С. Торетические основы электротехники. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1972. 488 с); (Левин. Л. Теория волноводов. Методы решения волноводных задач: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 312 с); [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.bourabai.kz/toe/radio07.htm.
В собранном состоянии (крышка установлена на корпус) сформировано два рубежа электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов радиоэлектронной аппаратуры: первый рубеж - электрический, который формируется четырьмя электрически замкнутыми контурами; второй рубеж - электромагнитный, который формируется пятью открытыми объемными резонаторами.
Электрически замкнутый контурный рубеж состоит из следующих контуров.
Первый контактный контур - обеспечивает гальванический контакт по всему периметру продольной торцевой стороны контактного металлического бортика, установленного на металлической съемной крышке, с металлическим фланцем установленном на корпус.
Второй и третий лепестковые контактные контуры - обеспечивают гальванический контакт в области расположения дополнительного объемного кольцевого резонатора внутри первого объемного кольцевого резонатора с помощью двух пружинных металлических контактных лент U-образной формы с выпуклыми лепестками, которые установлены в зазоры между боковыми стенками первого объемного кольцевого резонатора и дополнительного объемного кольцевого резонатора.
Четвертый лепестковый контактный контур - обеспечивает гальванический контакт расположением внутри второго дополнительного объемного кольцевого резонатора дополнительной пружинной металлической контактной ленты с плоским основанием и выпуклыми лепестками.
Форма пружинных металлических контактных лент может быть разной и определяется конкретными размерами объемного резонатора в месте установки. Например: FEUERHERDTEMI Shielding Products Specialist for Contact Springs. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.feuerherdt.de.
Электромагнитно замкнутый контурный рубеж состоит из следующих контуров.
Первый электромагнитный контур - расположение дополнительного кольцевого объемного резонатора открытого типа внутри первого кольцевого объемного резонатора открытого типа.
Второй электромагнитный контур - второй объемный резонатор открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного параллелепипеда.
Третий электромагнитный контур - второй дополнительный объемный резонатор открытого типа в форме прямоугольного кольца.
Четвертый электромагнитный рубеж - третий дополнительный объемный резонатор открытого типа в форме прямоугольного кольца.
Каждый электромагнитный контур - это объемный резонатор, который в конструктиве собранного корпуса имеет свою структуру, геометрические размеры и способ возбуждения, а следовательно каждому из них присущи индивидуальные электродинамические характеристики, такие как: амплитудно-частотные, фаза-частотные и импедансные. Например: (Прикладная электродинамика Г.Д. Богомолов 2014. [Электронный ресурс]: - Режим доступа. (dropdoc.ru/doc/389039/prikladnaya-elektrodinamika); (Исследование объемного резонатора. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.bsur.by/m/12_100229_1_85503.pdf.)
В такой конструкции электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования, которая, в условиях эксплуатации, является многократно сборно/разборной конструкцией, эффективность экранирования складывается из двух составляющих: с одной стороны, конструктивами каждого контура обеспечивается гальванический контакт соединения, который в реальных конструкциях не обеспечивает 100% гальванический контакт и зависит от многих факторов, и с другой стороны, индивидуальными электродинамическими характеристиками открытых объемных резонаторов, формирующих эти контуры, эффективность (дифракционная электромагнитная картина внутри корпуса) которых в прямую зависят от расположения источника электромагнитного излучения по отношению к корпусу.
В реальных условиях эксплуатации корпус радиоэлектронного оборудования, по отношению к источнику электромагнитного излучения, может быть в двух различных режимах: - источник электромагнитного излучения находится внутри корпуса, функция которого заключается - экранировать электромагнитные излучения от проникновения во внешнее пространство; - источник электромагнитного излучения находится вне корпуса, функция которого заключается - экранировать радиоэлектронное оборудование, расположенное внутри корпуса, от внешнего источника электромагнитного излучения. В обоих этих режимах решается одна и та же общая задача - эффективность экранирования корпуса, т.е. электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронного оборудования.
В связи с тем, что эффективность экранирования, при любом расположении источника электромагнитного излучения, должна сохраняться на высоком уровне и во всем сверхшироком диапазоне частот при многократных технологических операциях сборки/разборки (снятие крышки и установка крышки на корпус), поэтому в данном техническом решении сформирована двухрубежная система: - первый рубеж конструктивный и состоит из четырех электрически замкнутый контуров, в трех из которых установлены металлические контактные пружинные ленты; - второй рубеж электромагнитный и состоит из четырех объемных резонаторов открытого типа прямоугольного поперечного сечения, из которых первый, третий и четвертый выполнены в форме прямоугольного кольца, а второй выполнен в форме параллелепипеда. Причем первый и второй резонаторы являются сверхширокополосными мода-импедансными фаза-инверторами, которые в зависимости от расположения источника электромагнитного излучения по отношению к корпусу имеют различные электродинамические характеристики, обеспечивающие в обоих случаях высокую эффективность экранирования.
В результате этого достигается высокая эффективность экранирования по электрической составляющей электромагнитного поля в области соединения корпуса с съемной крышкой в сверхшироком диапазоне частот от единиц Гц до нескольких десятков ГГц, с повышенной надежностью контактного соединения и с сохранением эффективности экранирующих свойств контактного соединения при многократном демонтаже и монтаже съемной крышки корпуса.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с покрытием всех металлических поверхностей корпуса и съемной крышки коррозионно-стойким токопроводящим материалом.
Покрытие коррозионно-стойким токопроводящим материалом всех элементов конструкции позволяет обеспечить коррозионную стойкость соединения и всей конструкции в целом, устранить окисление контактов и возможность формирования гальванических пар и тем самым повысить надежность электрического контакта соединений и возможность длительной эксплуатации в жестких климатических условиях.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с покрытием внутренней металлической поверхности корпуса, и/или внутренней металлической поверхности второго объемного резонатора, и/или внутренней поверхности третьего объемного резонатора сверхвысокочастотным радиопоглощающим материалом, что позволяет повысить эффективность экранирующих свойств соединения по электромагнитному полю в высокочастотной части диапазона.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с диффузным покрытием внутренней металлической поверхности корпуса, и/или внутренней металлической поверхности съемной крышки, и/или на внутренней поверхности третьего объемного резонатора, по меньшей мере одним слоем, сплава пермаллоя, что позволяет повысить эффективность экранирующих свойств соединения по магнитному полю в низкочастотной и среднечастотной части диапазона. Для расширения диапазона частот можно использовать многослойное покрытие сплавом пермаллоя с различной магнитной проницаемостью по слоям.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с установкой на внутреннюю поверхность металлического корпуса, и/или на внутреннюю поверхность второго объемного резонатора, и/или на внутренняя поверхность третьего объемного резонатора, по меньшей мере одного, слоя ферритовой фольги, что позволяет увеличить эффективность экранирующих свойств соединения по электромагнитному полю в низкочастотной части диапазона. Для расширения диапазона частот можно использовать многослойное покрытие ферритовой фольгой с различной магнитной проницаемостью по слоям. Например: (Я. Смит, X. Вейн. Ферриты. Физические свойства и практическое применение. Пер. с англ. - М.: Иностранная литература, 1962. - 504 с); ([Электронный ресурс]. - Режим доступа: katalog.we-online.com/de/pbs/we - FSFS Flexible Ferritfolie.)
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с установкой на одну поверхность внутренней торцевой стенки второго объемного резонатора, и/или на внутреннюю поверхность дополнительного объемного кольцевого резонатора, и/или на внутренняя поверхность третьего объемного резонатора, по меньшей мере одной, диэлектрической вставки с относительной диэлектрической проницаемостью больше единице, что позволяет увеличить эффективность экранирующих свойств соединения по электромагнитному полю во всем диапазоне частот. Диэлектрические вставки могут быть выполнены, например, в виде пластин, а также можно использовать многослойное пластинчатое покрытие с различной относительной диэлектрической проницаемостью по слоям.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с установкой на одну поверхность металлической опорной рамки, по меньшей мере одной, диэлектрической рамки прямоугольной формы, внутреннее окно которой идентично внутреннему окну металлической опорной рамки, а ширина диэлектрической рамки равна ширине металлической опорной рамки от боковой кромки окна до другой боковой стороны дополнительного объемного резонатора. Установка диэлектрической рамки на металлическую опорную рамку позволяет расширить частотный диапазон эффективного экранирования во всем диапазоне частот. Диэлектрические рамки могут быть выполнены, например, в виде многослойного покрытия с различной относительной диэлектрической проницаемостью по слоям.
При использовании нескольких диэлектрических вставок и/или диэлектрических рамок соответствует принципу многослойного диэлектрического покрытия с различной величиной по слоям относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрические материалы выбираются с максимально возможной величиной относительной диэлектрической проницаемости и максимально возможной величиной тангенса угла диэлектрических потерь.
Использование диэлектрических вставок и диэлектрической рамки, с точки зрения электродинамики, увеличивают потери электромагнитного поля и формировать требуемое амплитудно-фазовое и импедансное распределение внутри корпуса, уменьшать добротность структуры и соответственно резонансные эффекты внутри корпуса становятся менее выражены. Например: (Р. Кинг, Г. Смит. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 824 с); [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www/kapitza.ras.ru/chair/books/bogom.pdf).
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено с гальванической установкой на внутренние прямые углы соединения по всему периметру металлических наплывов. Так например: - на один и другой внутренний прямой угол первого объемного резонатора; - на внутренний прямой угол второго объемного резонатора; - на один и другой внутренний прямой угол дополнительного объемного резонатора; - на один и другой внутренний прямой угол третьего дополнительного объемного резонатор; - на внутренний прямой угол, образованный соединением другой боковой стенкой дополнительного объемного резонатора с одной поверхностью металлической опорной рамки.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования может быть выполнено со скруглением выпуклой или вогнутой формы острых углов внутри соединения корпуса с съемной крышкой. Так, например, скругление выпуклой формы может быть выполнено на: - другой продольной торцевой стороне одной и другой боковых стенок дополнительного объемного резонатора; - другой продольной торцевой стороне дополнительного контактного металлического бортика; - продольной торцевой стороне внутреннего окна металлической опорной рамки выполнена; - продольной торцевой стороне окна металлической опорной шайбы; - внешней продольной торцевой стороне металлической опорной шайбы. Скругленной вогнутой формы может быть выполнена продольная торцевая сторона внутреннего окна металлического фланца.
Падение эффективности экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования происходит из-за стоячих волн, вызванных резонансными явлениями усиление поля в углах и на острых краях металлического корпуса и съемной крышки, имеющее место при высоком уровне поля вблизи участков с резкой сменой направления металлической стенки. Усиление происходит за счет скачка электрического тока на ребрах и завихрения поля в неровностях. Например: (Р. Митра, С. Ли. Аналитические методы теории волноводов. - М.: Мир, 1974. - 323 с); (Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. Разделение частот в теории колебаний и волн. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 288 с. )
Устранение всех этих конструктивных элементов в данном техническом решении обеспечивается установкой металлических наплывов на внутренние прямые углы металлического корпуса и съемной крышки, а также выполнение острых углов металлического корпуса и съемной крышки скругленной формы, позволяет не зависимо от расположения источника электромагнитного поля внутри корпуса или вне корпуса: устранить резонансные явления усиления электромагнитного поля в углах и на острых краях металлического корпуса и съемной крышки; устранить возбуждение высших типов волн внутри замкнутого объема корпуса с крышкой; уменьшить завихрения электромагнитного поля в неровностях; уменьшить уровень стоячих электромагнитных полей вблизи участков конструкции с резкой сменой направления металлических конструктивов, Например: (Барыбин А.А. Электродинамика волноведущих структур. Теория возбуждения и связи волн. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 512 с.)
Изобретение поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 схематически представлен общий вид устройства для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса с крышкой; на фиг. 2 - схематически представлено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса с крышкой (фиг. 1) с установленными диэлектрическими вставками и диэлектрической рамки; на фиг. 3 - схематически представлено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса с крышкой (фиг. 1) с установленными металлическими наплывами на внутренние прямые углы; на фиг. 4 - схематически представлено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса с крышкой (фиг. 3) с выполнением острых углов корпуса и острых углов крышки скругленной выпуклой или вогнутой формы и установленными металлическими наплывами на внутренние прямые углы.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования (фиг. 1), состоящее из металлического корпуса 1 и установленной на нем металлической ответной части, выполненной в виде съемной крышки 2, образующих на торце соединения металлического корпуса 1 и металлической съемной крышки 2 первый электрически замкнутый контур, при этом на одной поверхности 3 металлической съемной крышки 2, со стороны металлического корпуса 1, установлен контактный металлический бортик 4, выполненный в форме замкнутого кольца, который расположен перпендикулярно поверхности 3 металлической съемной крышки 2, и одной продольной торцевой стороной 5 контактный металлический бортик 4 гальванически соединен с одной поверхностью 3 металлической съемной крышки 2, а со стороны одной боковой поверхности 6 контактного металлического бортика 4, ориентированной внутрь металлического корпуса 1, по всему периметру установлены две одинаковые одна 7 и другая 8 пружинные металлические контактные ленты, каждая из которых имеет участок U-образной формы 9 с фиксаторами 10 и участки выпуклых пружинных лепестков 11 и 12, являющихся продолжением участков U-образной формы 9 одной 7 и другой 8 пружинных металлических контактных лент, соответственно, при этом участки выпуклых пружинных лепестков 11 и 12 одной 7 и другой 8 пружинных металлических контактных лент направлены в противоположные стороны, образуя два лепестковых контактных контура, причем на одной поверхности 3 металлической съемной крышки 2 выполнен сверхширокополосный мода-импедансный фаза-инвертор, который состоит из двух объемных резонаторов открытого типа прямоугольного поперечного сечения, при этом первый объемный резонатор 13 выполнен в форме прямоугольного кольца, где одна боковая поверхность 6 первого объемного резонатора 13 образована контактным металлическим бортиком 4, который расположен по внешнему краю металлической съемной крышки 2, а другая боковая поверхность 14 первого объемного резонатора 13 образована дополнительным контактным металлическим бортиком 15, который выполнен в форме прямоугольного замкнутого кольца, установленного на одной поверхности 3 металлической съемной крышки 2 металлического корпуса 1, перпендикулярно ей и одной продольной торцевой стороной 16 дополнительный контактный металлический бортик 15 гальванически соединен с одной поверхностью 3 металлической съемной крышки 2, где одна боковая поверхность 17 дополнительного контактного металлического бортика 15 расположена со стороны первого объемного резонатора 13, а другая боковая поверхность 18 дополнительного контактного металлического бортика 15 образует второй объемный резонатор 19 в форме параллелепипеда, причем на торцевую сторону 20 боковой стенки 21 металлического корпуса 1, со стороны установки металлической съемной крышки 2, с гальваническим контактом по всему периметру и перпендикулярно боковой стенки 21 металлического корпуса 1 установлен металлический фланец 22, выполненный прямоугольной формы с внутренним окном 23 прямоугольной формы, при этом внешний продольный и поперечный размер металлического фланца 22 равен внешнему продольному и поперечному размеру металлического корпуса 1 по месту установки соответственно, а внутренний продольный и поперечный размер внутреннего прямоугольного окна 23 металлического фланца 22 меньше внешнего продольного и поперечного размера металлической съемной крышки 2 корпуса 1 соответственно, причем при установке металлической съемной крышки 2 на металлический корпус 1 другая продольная торцевая сторона 24 контактного металлического бортика 4 расположена на одной поверхности 25 металлического фланца 22 и имеет с ней гальванический контакт, который образует первый замкнутый электрический контур, при этом дополнительный объемный резонатор 26 открытого типа прямоугольного поперечного сечения, выполненный в форме прямоугольного кольца, причем торцевой поверхностью дополнительного объемного резонатора 26 является одна поверхность 27 металлической опорной рамки 28 прямоугольной формы выполненной с внутренним окном 29 прямоугольной формы, где внешние продольный и поперечный размер металлической опорной рамки 28 меньше внешнего продольного и поперечного размера металлической съемной крышки 2, соответственно, и равны внешнему продольному и поперечному размеру дополнительного объемного резонатора 26, причем одна боковая стенка 30 дополнительного объемного резонатора 26 расположена по внешнему краю металлической опорной рамки 28 и одной торцевой стороной 31 гальванически с ней соединена, а другая боковая стенка 32, дополнительного объемного резонатора 26, одной торцевой стороной 33 гальванически соединена с одной поверхностью 27 металлической опорной рамки 28, причем другая поверхность 34 металлической опорной рамки 28 установлена на одну поверхность 25 металлического фланца 22 и гальванически с ним соединена, при этом ширина дополнительного объемного резонатора 26 и высота его боковых стенок 30 и 32 меньше ширины первого объемного резонатора 13 и высоты его боковых стенок, соответственно, причем дополнительный объемный резонатор 26 установлен без гальванического контакта внутрь первого объемного резонатора 13 с одинаковым зазором 35 между соответствующими боковыми стенками 4, 30 и 14, 32, при этом одна 7 и другая 8 пружинные металлические контактные ленты, участками 9 U-образной формы, установлены по всему периметру на продольные торцевые одну 36 и другую 37 стороны боковых стенок 30 и 32 дополнительного объемного резонатора 26 соответственно, и закреплены на них фиксаторами 10, а один 11 и другой 12 участки выпуклых пружинных металлических контактных лепестков одной 7 и другой 8 металлических контактных лент обращены к одной 6 и другой 14 боковым поверхностям первого объемного резонатора 13, соответственно, образуя один 38 и другой 39 лепестковые контактные контура, причем на другую поверхность 40 металлического фланца 22, симметрично его внутреннему окну 23, установлена и гальванически соединена одной поверхностью 41 плоская металлическая опорная шайба 42, выполненная прямоугольной формы с внутренним окном 43 выполненным прямоугольной формы, при этом внешние продольный и поперечный размер металлической опорной шайбы 42 больше продольного и поперечного размера внутреннего прямоугольного окна 23 металлического фланца 22, а продольный и поперечный размер внутреннего прямоугольного окна 43 металлической опорной шайбы 42 больше или равны внутренним продольным и поперечным размерам внутреннего прямоугольного окна 29 металлической опорной рамки 28 соответственно, причем металлическая опорная рамка 28 и металлическая опорная шайба 42, разделенные металлическим фланцем 22, образуют второй дополнительный объемный резонатор 44 открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца, торцевой стенкой которого является одна торцевая сторона 45 металлического фланца 22, а боковыми стенками являются другая боковая поверхность 34 металлической опорной рамки 28 и одна поверхность 41 металлической опорной шайбы 42, при этом во внутрь второго дополнительного объемного резонатора 44 по всему периметру установлена дополнительная металлическая пружинная контактная лента 46, выполненная с плоским основанием 47, и множеством отходящих от нее упругих выпуклых лепестков 48, причем плоское основание 47 дополнительной металлической пружинной контактной ленты 46 расположено на одной поверхности 41 металлической опорной шайбы 42, а упругие выпуклые лепестки 48 дополнительной металлической пружинной контактной ленты 46 контактируют с другой поверхностью 34 металлической опорной рамки 28, при этом высота упругих выпуклых лепестков 48 дополнительной металлической пружинной контактной ленты 46 больше ширины торцевой стороны 45 металлического фланца 42, а ширина плоского основания 47 меньше глубины второго дополнительного объемного резонатора 44, при этом внешняя торцевая сторона 49 металлической опорной шайбы образует с внутренней боковой поверхностью 50 металлического корпуса 1 третий дополнительный объемный резонатор 51 открытого типа прямоугольного поперечного сечения в форме прямоугольного кольца, торцевой поверхностью которого является другая поверхность 40 металлического фланца 22.
На фиг. 2 схематически изображено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса 1 электронного оборудования (фиг. 1) с установкой на одну поверхность 3 съемной металлической крышки 2 второго объемного резонатора 19 и на одну поверхность 27 дополнительного объемного резонатора 26, например, по одной диэлектрическая вставки 52 и 53, соответственно, и установкой на одну поверхность 27 металлической опорной рамки 28 диэлектрической рамка 54.
На фиг. 3 схематически изображено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса 1 электронного оборудования (фиг. 1) с установкой: - на внутренний прямой угол 55 и на внутренний прямой угол 56, третьего дополнительного объемного резонатора 51, металлических наплывов 57 и 58, соответственно; - на внутренний прямой угол 59 и внутренний прямой угол 60, первого объемного резонатора 13, металлических наплывов 61 и 62, соответственно; - на внутренний прямой угол 63, второго объемного резонатора 19, металлический наплыв 64; на внутренний прямой угол 65 и внутренний прямой угол 66, дополнительного объемного резонатора 26, металлические наплывы 67 и 68 соответственно; - на внутренний прямой угол 69, образованный соединением другой боковой стороной 32 дополнительного объемного резонатора 26 с одной поверхностью 27 металлической опорной рамки 28 металлического наплыва 70.
На фиг. 4 схематически изображено устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпуса электронного оборудования (фиг. 3): - с скруглением выпуклой формы 71 и 72 одной 30 и другой 32 продольной торцевой стороны дополнительного объемного резонатора 26 соответственно; - с скруглением выпуклой формы продольной торцевой стороны 73 дополнительного контактного металлического бортика 15; - с скруглением выпуклой формы продольной торцевой стороны 74 внутреннего окна 29 металлической опорной рамки 28; - с скруглением вогнутой формы 75 продольной торцевой стороны 45 внутреннего окна 23 металлического фланца 22; - с скруглением выпуклой формы 76 торцевой стороны металлической опорной шайбы 42 со стороны внутреннего окна 43; - с скруглением выпуклой формы 77 внешней продольной стороны 49 металлической опорной шайбы 42.
Устройство для электромагнитного экранирования контактного соединения корпусов электронного оборудования работает следующим образом
В реальных условиях эксплуатации радиоэлектронное оборудование, установленное в металлическом корпусе 1 (фиг. 1), по отношению к источнику электромагнитного излучения, может быть в двух различных режимах: - источник электромагнитного излучения находится внутри корпуса 1, функция которого заключается - экранировать электромагнитные излучения радиоэлектронного оборудования от проникновения во внешнее пространство; - источник электромагнитного излучения находится вне корпуса 1, функция которого заключается - экранировать радиоэлектронное оборудование, расположенное внутри корпуса 1, от внешнего источника электромагнитного излучения.
Функциональное назначение и конструктив радиоэлектронного оборудования необходимо рассматривать по следующим основным параметрам: - соотношение габаритов (объема) конструктива по отношению к объему корпуса 1; - металлоемкость конструктива; - конфигураия конструктива; - диапазон частот источника электромагнитного излучения функционала или источника электромагнитного излучения вне корпуса 1; - диаграмма направленности источника электромагнитного излучения функционала или диаграмма направленности источника электромагнитного излучения вне корпуса 1; -ориентация диаграммы направленности по отношению к контактному соединению крышки 2 с корпусом 1. Перечисленные параметры являются основными, есть второстепенные, которые рассматривать не будем, но в той или иной степени влияют на эффективность экранирования радиоэлектронного оборудования. Все эти факторы необходимо учитывать при определении геометрических размеров объемных резонаторов
Замкнутый корпус 1 (крышка 2 установлена на корпус 1), без радиоэлектронного оборудования представляет собой объемный резонатор с собственными резонансными частотами и конечной величиной добротности на этих частотах. При размещении радиоэлектронного оборудования в корпусе 1 происходит изменение объема, который по своей конфигурации может быть очень сложным и этому объему соответствуют свои резонансные частоты, значение которых существенно отличаются от резонансных частот пустого корпуса 1.
Поскольку контактное соединение корпуса 1 с крышкой 2 по отношению к источнику электромагнитного излучения может быть в двух различных режимах, то следовательно каждому режиму соответствует свой набор из перечисленных выше параметров, влияющих на эффективность экранирования, при этом неизменными для обоих режимов остаются поперечный и продольный размер крышки 2, а точнее соотношение линейных размеров крышки по отношению к длине волны.
Рассмотрим каждый режим в отдельности.
Источник электромагнитного излучения (радиоэлектронное оборудование) находится внутри корпуса 1.
Радиоэлектронное оборудование имеет частоты излучения и области излучения (диаграммы направленности могут быть не сформированы), которые для одной частоты или спектра частот могут быть ориентированы произвольно в пространстве и соответственно внутри корпуса 1 и особенно по отношению к области соединения корпуса 1 с крышкой 2.
Линейные расстояния между стенками корпуса 1 и радиоэлектронным оборудованием, в зависимости от длины волны источника электромагнитного излучения, могут лежать в пределах от много меньше длины волны до соизмеримым с длиной волны и больше, следовательно электродинамический режим будет меняться от квазистатического токового (система связанных контуров) до полевого электромагнитного (режим стоячих волн), когда размеры соизмеримы с длиной волны. Например: (Г.Д. Боголюбов. Прикладная электродинамика. Изд. М.: МФТИ, 2014 г., 160 с. [Электронный ресурс].: Режим доступа: Bogom.pdf - Adobe Reader).
В связи с этим, сверхширокополосный мода-импедансный фаза-инвертор, состоящий из первого 13 и второго 19 объемных резонаторов, дополнительный объемный резонатор 26 с одной 7 и другой 8 металлическими контактными лентами, второй дополнительный объемный резонатор 44, с дополнительной металлической пружинной контактной лентой 46, и третий дополнительный объемный резонатор 51 имеют свои индивидуальные геометрические линейные размеры и ориентированы по разному относительно области электромагнитного излучения радиоэлектронного оборудования, в результате этого каждый из них имеет свои индивидуальные электродинамические характеристики (мода-импедансные, амплитудные и фазовые), соответствующие токовому и/или полевому режимам.
Такая совокупность электродинамических характеристик формируемых конструктивными элементами, при расположении источника электромагнитного излучения внутри корпуса, обеспечивает высокую эффективностью экранирования в широком диапазоне частот по электрической и электромагнитной составляющей электромагнитного поля в диапазоне частот от единиц Гц до нескольких десятков ГГц и составит, как минимум, 80дБ.
Источник электромагнитного излучения находится вне корпуса 1, радиоэлектронное оборудование расположено внутри корпуса 1.
В данном случае, источник электромагнитного излучения представляет из себя гипотетичеекую(ие) антенну(ы) расположенную вне корпуса. Диаграмма направленности (направленная или распределенная) источника формирует электромагнитную обстановку в области расположения корпуса, в частности, относительно первого электрически замкнутого контура соединения другой продольной торцевой стороны 24 контактного металлического бортика 4 с металлическим фланцем 22.
В зависимости от длины волны источника электромагнитного излучения и расстояния между источником и корпусом, как принято в теории антенн, имеет место ближняя, промежуточная или дальняя зона, что определяет электродинамическое взаимодействие антенны (источника излучения) с первым электрически замкнутым контуром, а именноб: как система связанных контуров (диаграмма направленности не сформирована), сферическому фронту или плоскому фронту волны (диаграмма направленности сформирована). Например: David Morgan. A handbook for EMC testing and measurement Published by: Peter Peregrinus Ltd., on behalf of the Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1994, pp.285 (ISBN 0 86341 262 9)
Падающая электромагнитная волна возбуждает на поверхности корпуса 1 поверхностный электрический ток со сложным амплитудно-фазовым распределением по периметру первого электрически замкнутого контура соединения контактного металлического бортика 4 с металлическим фланцем 22, который внутри корпуса формирует режим электромагнитного возбуждения.
В данном случае имеет место обратная задача по формированию экранирующих свойств (эффективности экранирования) соединения крышки 2 с корпусом 1, где первую функцию экранирования определяет первый электрически замкнутый контур, с последующими функциями обеспечения эффективности экранирования осуществляют сверхширокополосный мода-импедансный фаза-инвертор (первый 13 и второй 19 объемные резонаторы), дополнительный объемный резонатор 26 с одной 7 и другой 8 пружинными металлическими контактными лентами, второй дополнительный объемный резонатор 44 с дополнительной пружинной металлической контактной лентой 46 и третий дополнительный объемный резонатор 51.
В данном случае эффективность экранирования по электрической составляющей электромагнитного поля в диапазоне частот от единиц Гц до нескольких десятков ГГц, по отношению к источнику электромагнитного излучения расположенного внутри корпуса, будет лучше на (15-20) дБ и составит, как минимум, 95дБ.
Кроме того, использование двух систем контактных лент 7 и 8 обеспечивает повышенную надежность контактного соединения и сохранение эффективности экранирования контактного соединения при многократном демонтаже/монтаже крышки 2.
Покрытие коррозионно-стойким токопроводящим материалом, например, никелем или хромом, всех металлических поверхностей корпуса 1 и съемной крышки 2 исключает окисление и существенно повышает надежность соединения и возможность эксплуатации в сложных климатических условиях.
Покрытие внутренних поверхностей корпуса 1 и крышки 2 сверхвысокочастотным радиопоглощающим материалом, например, на основе графита или резистивной пленки, позволяет повысить эффективность экранирующих свойств соединения по электромагнитному полю в сред нечастотной и высокочастотной части диапазона.
Покрытие внутренних поверхностей корпуса 1 и крышки 2 сплавом пермаллоя, например, по технологии ионно-плазменного (диффузного) напыления, однослойного или многослойного с различной относительной магнитной проницаемостью, позволяет повысить эффективность экранирующих свойств соединения по магнитному полю.
Установка на внутреннюю поверхность металлического корпуса 1 и крышки 2 однослойного или многослойного покрытия ферритовой фольги с различной магнитной проницаемостью позволяет существенно увеличить эффективность экранирующих свойств в низкочастотной части диапазона и до 1 Ггц.
Установка диэлектрических вставок (фиг. 2) позволяет увеличить эффективность экранирующих свойств во всем диапазоне частот. Диэлектрические материалы выбираются с максимально возможной величиной относительной диэлектрической проницаемостью и максимальным тангенсом угла диэлектрических потерь.
Установка с гальваническим контактом металлических наплывов (фиг. 3) на внутренние прямые углы соединений и скругление острых углов (фиг. 4) корпуса 1 крышки 2 существенно увеличивает эффективность экранирования.
Таким образом, покрытие сверхвысокочастотным радиопоглощающим материалом, покрытие сплавом пермаллоя, установка однослойного или многослойного покрытия ферритовой фольги, установка диэлектрических вставок, установка металлических наплывов на внутренние прямые углы соединений и скругление острых углов эффективно при любом расположении источника электромагнитного излучения.