Обзор материалов применяемых при экранировании РЭС для решения задач обеспечения ЭМС и эму

Самоквасова Ю. Н.,Ромащенко М.А.

Воронежский государственный технический университет

ОБЗОР МАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ЭКРАНИРОВАНИИ РЭС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС И ЭМУ

Для обеспечения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) и электромагнитной устойчивости (ЭМУ) широко используется экранирование. Эффективность экранирования зависит от ряда факторов, таких как конструкция, материал экрана, расположение источника помех. В данной статье хотелось бы рассмотреть выбор материала для экрана.

Рассмотрим, какие материалы применяются сейчас для экранирования, а так же какие находится в разработке.

Классическими материалами стали: металлические, сеточные, фольгированные материалы и токопроводящие краски.

Металлические материалы выбирают из следующих условий [1]:

1. Достижения заданной величины ослабления ЭМП и его составляющих в рабочем диапазоне частот при соответствующих ограничениях размеров экранов и его влияния на экранируемый объект;

2. Устойчивости против коррозии и механической прочности;

3. Технологичности конструкции экрана и получения требуемых его конфигурации и высоко габаритных характеристик.

Первому требованию удовлетворяют практически все применяемые в настоящее время листовые материалы (сталь, медь, алюминий, латунь), так как при соответствующей их толщине обеспечивают достаточно высокую эффективность экранирования. Но в различных диапазонах рабочих частот при одинаковой толщине экрана эффективность экранирования магнитных и немагнитных материалов будет различной. То есть, пока экран работает как магнитостатический, эффективность магнитных материалов значительно выше немагнитных. В электромагнитном режиме в полосе частот, где эффективность экранирования за счет отражения больше эффективности поглощения, немагнитные материалы, обладающие большой проводимостью по сравнению с магнитными, обеспечивают более высокую эффективность. Ввиду экономических и конструктивных соображений предпочтение в ВЧ устройствах отдается стальным конструкция экранов. И лишь преимущества стали теряются при экранировании токонесущих элементов, критичных к вносимым в них потерям, (т. е. применение стальных экранов ограничено из-за больших потерь,

вносимых ими). Применение стали для экранов обусловлено еще тем, что при монтаже такого экрана можно широко использовать сварку. [1]

К недостаткам листовых металлических экранов можно отнести:

Высокую стоимость покрытия (серебро и т. д.);

Значительный вес и габариты;

Сложность пространственного решения конструкции.

Низкую эффективность самого металла, реализуемую лишь на 10-20% из-за несовершенства конструкции .

Сеточные материалы нашли широкое применение в экранировании из-за своих преимуществ перед листовыми.

Металлические сетки значительно легче листовых материалов, проще в изготовление, удобны в сборке и эксплуатации, обеспечивают достаточный обмен воздуха, светопроницаемы, они обладают достаточной эффективностью экранирования во всем диапазоне радиочастот. Однако сетки имеют не высокую механическую прочность, быстро теряют эффективность экранирования из-за старения (эта потеря происходит за счет коррозии сеток, поэтому сетки специально покрывают антикоррозийным лаком). [1]

Экранирующие свойства металлических сеток проявляются главным образом в результате отражения электромагнитные волны от их поверхности.

Как показала практика, наиболее часто для экранирования используют медные и латунные сетки с ячейками от 0,4 до 4 мм. Благодаря отличным показателям по относительной магнитной проницаемости наиболее желаемым материалом все же является медь. Но высокая стоимость сырья по сравнению с латунной сеткой делает медную сетку менее доступной.

К фольгированным материалам относятся электрически тонкие материалы толщиной 0,01...0,05 мм. В сортамент фольгированных материалов входят в основном диамагнитные материалы - алюминий, латунь, цинк. Стальные фольгированные материалы промышленность не выпускает.

Монтаж фольгированных экранов несложен, т. к. крепление фольги к основе экрана проводится приклеиванием. Выбор клея должен производится с учетом условий эксплуатации экрана, к которым относятся температура, влажность, вибрационные нагрузки и др. Выбор толщины материала должен производиться с учетом возможностей возникновения резонансных явлений. [1]

Эффективность экранирования фольгированными материалами достаточно высока для электромагнитного поля и электрической составляющей. Магнитную составляющую такие материалы ослабляют сравнительно мало и тем меньше, чем больше длина волны.

Использование токопроводящих красок для электромагнитного экранирования является весьма перспективным направлением, т.к. их применение исключает необходимость проведения сложных и трудоемких работ по монтажу экрана, соединению его листов и элементов между собой.

Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих составляющих, пластификатора и отвердителя. В качестве токопроводящих пигментов используют коллоидное серебро, графит, сажу, оксиды металлов, порошковую медь, алюминий. Токопроводящая краска обычно устойчива и сохраняет свои начальные свойства в условиях резких климатических изменений и механических нагрузок. [1]

Еще следует указать применение таких материалов, как электропроводные клеи.

Они создается на основе эпоксидной смолы, заполняемой металлическими порошками (железо, кобальт, никель и др.). Электропроводный клей обладает высокой прочностью на отрыв, высокой удельной электропроводностью, химической стойкостью к влаге и различным агрессивным средам, обеспечивает незначительную усадку после отвердения. Он применяется наряду с пайкой, сваркой и болтовым соединением, а также в целях электромагнитного экранирования.

Теперь рассмотрим перспективные направления разработок и применения материалов в экранировании.

В настоящее время используются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Например, ПКМ с применением электропроводящих волокон и связующего (например, углеродных волокон), которые обладают высокой электропроводностью. ПКМ с непрерывными углеродными волокнами используют при создании материалов с регулируемыми электрофизическими свойствами, что позволяет использовать их в качестве полимерных магнитодиэлектрических и электропроводящих материалов в радиоэкранирующих и радио-поглощающих покрытиях и конструкциях. [2]

Достаточно широко применяются токопроводящие ткани, например, когда стоит задача сделать экран большой площади, малой толщины и веса. Токопроводящая ткань состоит из полиэстеровых нитей, на которые гальваническим способом осаждены медь с никелем в качестве базового токопроводящего слоя. Лицевой слой ткани обеспечивает минимальное поверхностное сопротивление, что позволяет обеспечивать требования ЭМС в тех местах и полостях, где невозможно применить готовые формы, например, прокладки ЭМС. Низкое поверхностное сопротивление материала обеспечивает прекрасное экранирование при обеспечении замкнутого контура.

При задаче обеспечения определенного климатического исполнения, в частности соблюсти требования по водонепроницаемости, возможно применение токопроводящего силикона или клеевого состава из силикона. Токопроводящий силикон состоит из электрически и химически инертных полимерных шариков с нанесенным на них слоем токопроводящего материала. При спекании получаемая форма экрана обладает свойствами проводника за счет применения меди и серебра в качестве покрытия полимерных шариков, а также свойствами герметика за счет использования силиконового наполнителя. [3]

Существуют радиопоглощающие материалы, которые могут применяться в качестве покрытий различных поверхностей с целью уменьшения отражения от этих поверхностей электромагнитных волн. Принцип действия таких материалов заключается в том, что падающая на них электромагнитная волна преобразуется внутри их структуры в другие виды энергии. При этом имеют место явления рассеяния, поглощения, интерференции, а в ряде покрытий и дифракции электромагнитных волн. В зависимости от свойств радиопоглощающие материалы-покрытия могут быть широкодиапазонными и с узким диапазоном.

Структуру широкодиапазонных радиопоглощающих материалов образуют частицы ферромагнетика, введенные в слой изоляционного материала из немагнитного диэлектрика. Покрытия с узким диапазоном изготавливают из различных пластмасс и каучука. Чтобы такие покрытия обладали поглощающими свойствами, в их состав вводят ферромагнетики с примесями сажи или порошка графита в качестве поглотителя. [4]

Радиопоглощающие материалы, используемые в качестве покрытий, могут быть однослойными, многослойными с переменными от слоя к слою параметрами, а также структурно неоднородными, т.е. с включением в состав материала различного рода структур, например дифракционных решеток.

Эффективность таких материалов достаточно высока. Коэффициент отражения большинства современных радиопоглощающих покрытий не превышает единиц процентов.

Перспективной разработкой поделился ЦНИИ КМ «Прометей». Был проведен эксперимент по изучению поведения аморфного магнитомягкого материала в магнитном поле на частоте 10 кГц. Было выявлено, что лучший коэффициент экранирования получается при использовании магнитомягких материалов, прошедших термообработку. Также было выявлено, что одинаковые сплавы различных производителей имеют существенно различные экранирующие свойства. Это связывается с различными технологическими режимами получения сплавов. А также было выявлено, что деформирование не приводит к ухудшению магнитных свойств материалов. [5]

Итак, материал для экранирования необходимо выбирать так, чтобы были обеспечены:

1. Заданная величина ослабления электромагнитного поля или его составляющих в рабочем диапазоне частот;

2. Устойчивость против коррозии и механическая прочность;

3. Экономическая целесообразность;

4. Возможность практического выполнения выбранного варианта экрана.

Разработка новых радиоэкранирующих материалов ведет к поиску технических решений, которые позволяют обеспечить их высокие электрически показатели и хорошую технологичность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бузов Г.А., Калинин С.В., Кондратьев А.В. Защита от утечки информации по техническим каналам: Учеб.пособие для подготовки экспертов системы Гостехкомиссии России. М.: Горячая линия -

Телеком, 2005. - 416 с.

2. Сафонов А. А. Метод проектирования электродинамических экранов из полимерных композиционных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2011.

3. КармашевВ.С. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник. М., 2001.

4. Конеев И.Р. Информационная безопасность предприятия. СПб.: БХВ_Петербург, 2003. - 752 с.

5. Электронная библиотека: http://zaryad.com/2011/06/17/ekranirovanie-magnitnyih-poley-

amorfnyimi-magnitomyagkimi-materialami/