Экранирование как конструктивный способ обеспечения ЭМС РЭС

Андреев П.Г., Наумова И.Ю., Ширшов М. В. ЭКРАНИРОВАНИЕ КАК КОНСТРУКТИВНЫЙ СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС РЭС

Рассматриваются вопросы применения наноструктурированных композиционных радиопоглощающих материалов для обеспечения эффективного экранирования радиоэлектронных средств.

В ходе работы конструктора возникают вопросы, связанные с проблемами паразитных связей, когда проявляются нежелательные воздействия, которые ведут к ухудшению работы устройства. Задача конструктора состоит в том, чтобы минимизировать эти воздействия или разработать способы защиты от них.

Одной из проблем нежелательного воздействия на РЭС является электромагнитное излучение. Оно может быть как внешним, так и внутренним когда узлы или элементы блока "мешают" работе друг друга. К внешним воздействиям относится даже солнце, так как оно имеет две составляющих, одна из которых является электромагнитной, она вносит серьёзные искажения в сигнал.

В работе рассматриваются наиболее эффективные способы экранирования, общие проблемы, а так же анализируются современные разработки, ведущиеся в данной области в России и в мире.

В связи с работами по созданию сложных радиоэлектронных средств (РЭС), особенно специального назначения, остро стоит вопрос совершенствования методов экранирования их от воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) радиочастотного диапазона. Такое экранирование в значительной степени влияет как на надежность функционирования РЭС, так и на обеспечение защиты окружающей среды в зоне ее функционирования.

Особенно остро стоит проблема экранирования РЭС в связи с генерированием мощных широкополосных ЭМИ, выводящих из строя радиоэлектронные системы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема прохождения ЭМИ, приводящего к деградации аппаратуры [1]

С увеличением быстродействия электронных схем растут рабочие частоты, что приводит к повышенным требованиям к экранированию блоков устройств (рисунок 2) , печатных узлов (ПУ) и отдельных элементов в ПУ с целью обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). Для создания экранирующих конструкций наиболее широко применяются металлы (электростатическое экранирование, экранирование в дальней зоне) и специальные магнитомягкие сплавы и ферриты (экранирование от магнитного излучения в ближней зоне). Указанные материалы имеют ряд недостатков. Металлы, например, не способны защитить РЭА от магнитных полей. В основе механизма экранирования металлами лежит явление отражения, а не поглощение ЭМИ.

Отражение приводит к резонансу и усилению ЭМИ, появлению стоячих волн, что может быть причиной сбоя в работе РЭА. Для обеспечения высокой степени экранирования к конструкции экрана предъявляется требование омического контакта между его составляющими с максимально возможным низким переходным сопротивлением [1]. Недостатком магнитомягких сплавов и ферритовых материалов является их высокая стоимость и нетехнологичность (многие материалы хрупки), что заставляет увеличивать толщину экрана, другие материалы нельзя сваривать, так как это приводит к потере их магнитных свойств. "Универсальными" материалами, способными существенно повысить надежность компонентов РЭА, их ЭМС, а также снизить себестоимость за счет упрощения конструкции и технологии изготовления, могут стать наноструктурированные композиционные радиопоглощающие материалы (НКРМ) на полимерной основе. На основе анализа информации [2-8] и предварительных экспериментов могут быть сформулированы требования, выполнение которых необходимо для достижения НКРМ максимальных радиопоглощающих свойств.

о) 100 ш 80 I </> 60 40

Ш

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 МО4 Частота, МГц

из * 10 <Л 1

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 но* Частота, МГц

100 из 80 Ш 60 40 20

/

/

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 но4 Частота, МГц

100 из сх £ 50 0

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 МО4 Частота, МГц

Рисунок 2. - Зависимость эффективности экранирования от частоты [1]

а - экранирование неразъёмного шва; б - суммарное экранирование блока; в - экранирование сплошного листа; г - экранирование щели.

Структура НКРМ должна соответствовать следующим условиям:

- наличие в полимерной матрице развитой электропроводящей наносети;

- присутствие изолированных друг от друга наночастиц магнитного вещества;

- обеспечение дополнительного ослабления ЭМИ за счет диэлектрических потерь;

- наличие структурных элементов, способствующих образованию релеевских рассеивающих структур и

зон, где происходит сложение волн в противофазе;

- достижение минимальной разности волновых сопротивлений на границе НКРМ/воздух.

Эксперименты показали, что в качестве компонента наносети, ответственной за поглощение элек-

трической составляющей ЭМИ, наиболее перспективны углеродные нановолокна (УНВ), особенно в случае их функцианализации, например обработки поливиниловым спиртом (ПВС) или активации гидрооксидом калия (КОН) (рисунок 3).

70 § 60

——

|| 50 40 II 30 £ (О 20 У 10

ш

А '

10 20 30 40 50 60 70 Содержание УНВ в образце материала,%

УНВ УНВ, активирование КОН

УНВ, активированные в водном растворе КОН электродуговым разрядом X УНВ, активированные КОН и обработанные ПВС -X— УНВ, активированные КОН и обработанные полианилином

Рисунок 3. - Усреднение значения ослабления ЭМИ в диапазоне 100 - 1200 МГц при прохождении через содержащие УНВ образцы.

Другое требование к НКРМ - наличие в них изолированных друг от друга наночастиц магнитного вещества. В качестве компонентов, поглощающих магнитную составляющую ЭМИ, наибольший интерес представляют магнитные наноматериалы, размер частиц которых сопоставим с размером магнитного домена. Учитывая технологичность синтеза и применения, наиболее перспективными для вышеназванных целей представляются наполнители на основе наноферритов. Наполнитель представляет собой немагнитную матрицу, в нанопорах которой находятся кластеры феррита. Для получения таких наполнителей наиболее технологичны методы, основанные на одновременном синтезе матрицы и ферритовых нанокластеров.

Первый состоит в осаждении матрицы в суспензии ферритообразующих прекурсов. По ритовый композит получают путем пиролиза аэрозолей (рисунок 4).

второму - нанофер-

1 5. !з - 1 2 3 и/ 1,^. •X

IX (X X £ ? ¥ IV *1 м X о _ I *

—1 4-< 5 ^ §! ' 61

1 Ноноферритовый продукт

Рисунок 4. - Схема получения наноферритовых материалов: 1 - распределение воздушных потоков; 2

- «зональные» нагревательные элементы; 3 - ультразвуковой распылитель; 4 - циклон; 5 - фильтр доочистки

В ходе экспериментов отмечено, что радиопоглощающая способность ферритовых композитов зависит не только от химического состава и размера наночастиц, но и от их формы. На рис. 5 приведены зависимости радиопоглощающих свойств НКРМ от условий синтеза феррита структуры шпинели состава 50^е203 х 351пОх \5NiO с матрицей из оксида кремния. Видно, что при вводе в полимерную матрицу наноферритовых композиционных наполнителей в количествах более 2 0% получаются НКРМ, сравнимые по магнитным свойствам с одним из лучших магнитомягких металлических сплавов - альсифером. Это подтверждает возможность создания НКРМ, выгодно отличающихся технологичностью от традиционно используемых для радиоэкранирования магнитомягких сплавов. Чтобы НКРМ обеспечивали дополнительное ослабление ЭМИ, необходимо наличие в НКРМ диэлектрической фазы.

Рисунок 5. - Характеристики НКРМ, полученных модификацией эпоксидного связующего композиционным наноферритовым наполнителем

В качестве такой фазы может выступать сама полимерная матрица (при вводе количества УНВ, достаточного для образования непрерывной наносети, могут возникать микрообъемы полимерной матрицы с ярко выраженными свойствами диэлектрика). Для увеличения диэлектрических свойств микрообъемов матрицы в нее могут дополнительно вводиться нанонаполнители, например оксиды кремния или оксид молибдена (рисунок 6). Композиционные ферритовые наполнители с диэлектрической минеральной матрицей также увеличивают диэлектрические потери при прохождении ЭМИ через НКРМ.

Рисунок 6. - Рост диэлектрических потерь в зависимости от содержанной матрице оксида молибдена .

Еще одно требование, предъявляемое к НКРМ, - наличие в них структурных элементов, обеспечивающих образование релеевских рассеивающих структур и зон, где происходит сложение волн в противофа-зе. Для создания таких зон необходимо наличие в структуре НКРМ элементов с размерами, большими длины электромагнитной волны. Степень отражения волн тем выше, чем больше разность волновых сопротивлений на границе раздела фаз внутри НКРМ. Использование в качестве отражателей стеклянных металлизированных микросфер [9] достаточно эффективно, но приводит к увеличению стоимости покрытия. В определенной степени такие отражатели могут быть заменены металлосиликатными микрогранулами, изготавливаемыми по схожей с вышеописанной технологией получения наноферритных композиционных наполнителей, с использованием в качестве прекурсов формиатов металлов 3d подгруппы. Однако, по мнению авторов, наиболее эффективна частичная замена образующих электропроводящую наносеть УНВ на металлические нанопроволоки (МНП). Во-первых, такая замена не сказывается на суммарной электропроводящей способности наносети, во-вторых, МНП из железа вносят вклад в поглощение магнитной составляющей ЭМИ. Частичная замена УНВ на МНП не приводит к существенному росту разности волновых сопротивлений на границе НКРМ/воздух, но резко увеличивает разность волновых сопротивлений на границе наносеть/полимерная матрица. В результате в НКРМ возникают релеевские зоны, причем они максимально распределены по объему полимерной матрицы. На рисунке 7 показано влияние на радиопоглощающие и радиоотражающие свойства НКРМ частичной замены УНВ на синтезированные МНП.

Рисунок 7. - Увеличение радиопоглощающих свойств при замене УНВ на МНП.

Как уже было сказано, частичная замена УНВ на МНП не приводит к существенному росту разности волновых сопротивлений на границе НКРМ/воздух, а значит, не противоречит требованию, чтобы такая разность на этой границе была минимальной.

Хорошо известен синтез углеродных наноматериалов (УНМ) в нанореакторах полимерных матриц с одновременным образованием некоторого количества МНП. Установлено, что для увеличения выхода МНП, наилучшим образом подходящих для создания НКРМ (при использовании в качестве матрицы ПВС), целесообразно использовать смесь оксалатов и формиатов металлов с их хлоридами, а не чистые хлориды, как в синтезе, описанном в [10].

Еще одним перспективным направлением является получение УНВ, наполненных наноферритами. Разработка методов синтеза, продуктом которого являлся бы наноматериал, содержащий смесь МНП, УНВ и УНВ, наполненных ферритом (фактически речь идет о матричных наноферритах, где роль матрицы выполняет углеродная стенка нановолокна), позволил бы значительно снизить себестоимость НКРМ. Первые проведенные авторами эксперименты показали возможность осуществления такого синтеза, а также возможность влиять на соотношение компонентов получаемого наноматериала.

Практическое применение НКРМ предложенной авторами структуры для создания РЭА продемонстрировано на рисунке 8. В приведенной схеме конструкции блока РЭА для устранения нежелательных резонансных явлений использовано покрытие из НКРМ. Для устранения основных утечек через швы и апертуры [1] применены герметики и резиноподобные уплотняющие прокладки. Вместо сотовых вентиляционных панелей или отверстий в форме выдавок, играющих роль запредельных волноводов, применен НКРМ с пористой структурой, создающей малые аэродинамические потери при прохождении через него воздушного потока. Вместо металлической гребенки из бериллиевой бронзы для предотвращения утечек через дверные щелевые зазоры использованы эластичные уплотнительные прокладки из НКРМ. На рис.9 приведен график, демонстрирующий на примере простейшей конструкции - корпуса РЭА -эффект применения НКРМ, отвечающих выдвинутым требованиям.

Рисунок 8. - Варианты применения НКРМ: 1 - вентиляционная пористая вставка; 2 - герметик; 3 -

вентилятор; 4 - печатный узел; 5 - резиноподобный уплотнитель; 6 - валы ручек управления; 7 -

экран из конструкционного НКРМ или другого материала с НКРМ покрытием; 8 - покрытие; 9 - уплотнительные прокладки; 10 - дверца; 11 - металлический корпус

12 5 Ї 10 = і* І І 8 1 Iй | |4 1 2 >

200 400 600 800 1000 1200 1400 Чостото, МГц

Рисунок 9. - Увеличение коэффициента экранирования конструкции с применением НКРМ, изготовленной с соблюдением требований

омического контакта относительно конструкции без НКРМ

Применение НКРМ позволяет снизить себестоимость изделий путем упрощения их конструкции и технологии изготовления за счет снижения требований к омическому контакту и смены механизма экранирования с отражения на поглощение, что дополнительно дает возможность устранить резонансные явления. Использование НКРМ возможно и в уже существующих конструкциях для устранения резонансных эффектов и снижения утечек через швы. По результатам анализа экспериментов по созданию наноструктурных композиционных радиопоглощающих материалов с предложенной структурой можно констатировать, что комплекс предложенных технических решений позволяет рассчитывать на синтез наноструктурных композиционных материалов, обладающих повышенными радиопоглощающими свойствами, высокой технологичностью и в целом значительно повышающих надежность РЭС.

С учетом вышеизложенного в качестве перспективного направления работы рассматривается разработка и изготовление в соответствии со сформулированными техническими требованиями опытных образцов, создание оптимальных методов промышленного производства радиопоглощающих материалов и синтеза нанокомпонентов, а также стандартизация способов их применения. Все это позволит в условиях

серийного производства достигнуть не только высоких технологических результатов, но и значительно

снизить, по сравнению с опытными образцами, себестоимость самих радиопоглощающих наноматериалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кечиев, Л. Н. Экранирование электронных средств и экранирующие системы. Материалы семинара.

- М.: ИТД "Технологии", 2007, с.11, 61-62.

2. Патент № 2247759, Россия, опубликован 2005.03.10.

3. Патент № 314483, Япония, опубликован 1992.03. 13.

4. Патент № 5965056, США, опубликован 1999.10.12.

5. Патент № 2273925, Россия, опубликован 2006.04.10.

6. Патент № 2300832, Россия, опубликован 2007.06.10.

7. Заявка РФ № 2003118967, опубликована 2005.02.10.

8. Заявка РФ № 2004126880, опубликована 2006.02.20.

9. Заявка РФ № 2003100064, опубликована 2004.07.10.

10. Липанов, А. М. Проблемы создания нанореакторов для синтеза металлических наночастиц в углеродных оболочках / Липанов, А. М. и др. - Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" АЭЭ, 2005, № 2(22), с.59-63.