Электромагнитный экран
ELECTROMAGNETIC SHIELD

Изобретение относится к области электротехники, предназначено для экранирования электромагнитных полей и может применяться в различных отраслях промышленности. Широкое использование в промышленных и бытовых условиях источников электромагнитных волн радиочастотного диапазона, имеющих различные рабочие частоты, приводит к необходимости организации защиты технических и биологических объектов, расположенных в зонах распространения электромагнитных волн. Решение этой задачи основано на применении электромагнитных экранов.
Известно техническое решение (патент US 6195267 «Gel structure for combined EMI shielding and thermal control of microelectronic assemblies)), МПК H01L 23/28; H01L 23/42; H01L 23/552; H05K 7/20; H05K 9/00, опубл. 27.02.2001), в котором экранирование электромагнитного излучения обеспечивается использованием внутри корпуса электропроводящего геля, содержащего частицы углерода или углеродные волокна. Электропроводящий гель образует электромагнитный экран между металлическим покрытием корпуса микроэлектронной сборки и печатными проводниками платы. Такая структура обеспечивает защиту от электромагнитного излучения за счет его отражения от поверхности экрана с высокой электропроводностью.
Данное техническое решение основано на использовании материала с высокой электропроводностью, что приводит к отражению электромагнитного излучения и его воздействию на окружающие объекты, в том числе людей. Кроме того, поверхность электропроводящего геля не имеет герметичной оболочки, что способно привести к изменению технических характеристик геля с течением времени.
Известно устройство (патент BY 9096, «Устройство защиты организма человека от воздействия электромагнитного излучения мобильных радиотелефонов», МПК H01Q 17/00, опубл. 30.04.2013), состоящее из влагосодержащего материала - сшитого полимерного гидрогеля, пропитанного спиртовым раствором, закрепленного между двумя слоями полиамидной герметизирующей пленки, размещенного в декоративном корпусе. В растворе содержатся вода (свыше 70 об. %) и этиловый спирт для предотвращения развития плесневых грибков внутри влагосодержащего материала и обеспечения эксплуатации устройства при температуре ниже 0°С.
Такое устройство не содержит в составе раствора частиц электропроводящих и/или полупроводниковых материалов, вследствие чего экранирование электромагнитного излучения обеспечивается только электропроводностью пропитывающего раствора, что приводит к повышению отражения энергии электромагнитного излучения и возможному его воздействию на окружающие объекты, в том числе людей. Кроме того, такое устройство не обладает механической гибкостью.
Ослабить электромагнитное излучение сотовых телефонов предлагается при помощи устройства (патент BY 10080, «Устройство для ослабления электромагнитного излучения сотовых телефонов», МПК H01Q 17/00, опубл. 30.04.2014), выполненного в виде машинно-вязанной основы, плотно прилегающей к голове человека. В отдельных отсеках машинно-вязанной основы находятся сменные герметизированные поглощающие модули с коллоидной смесью, в состав которой входит порошок шунгита, гипса и насыщенный водный раствор хлорида кальция.
Такое устройство является сложным по причине использования нескольких разнородных функциональных наполнителей, которые необходимо стабилизировать в составе коллоидного раствора, что ограничивает максимальные размеры частиц наполнителей и их максимальную концентрацию в растворе. Кроме того, использование насыщенного раствора хлорида кальция (электропроводящего раствора) приводит к увеличению отражения энергии электромагнитного излучения, которая может воздействовать на объекты, находящиеся в зоне его распространения.
Наиболее близким к заявляемому решению является техническое решение (патент CN 102349364, ((Electromagnetic wave shielding gel-like composition)), МПК H05K 9/00; C08F 20/20; H01F 1/147, опубл. 22.07.2010), из которого известна конструкция электромагнитного экрана, представляющего собой герметично закрытую гелеобразную композицию. Такое решение представляет герметичную оболочку, образованную двумя полимерными пленками, концы которых герметизированы. Внутри этой оболочки расположена гелеобразная композиция, состоящая из геля с полимерной структурной сеткой и дисперсионной средой в виде ионной жидкости с частицами материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением.
Гибкие полимерные пленки могут быть изготовлены из полиэтилена, полипропилена, винилхлорида, поликарбоната, термопластичного полиуретана, целлофана, винилиденфторида, полиэтилентерефталата, полистирола, винилиденхлорид-акрила, полиуретана, полиолефина, смолы на основе фтора, полиимида, фенольной смолы, эпоксидной смолы, полиамида и полифениленового эфира. В вариантах исполнения используемая полимерная пленка может быть изготовлена из термостойкого материала, например, из поверхностно-обработанного полиэтилентерефталата.
Гелеобразная композиция включает в себя гель с распределенными в нем частицами материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением. В состав геля входят полимер и ионная жидкость, содержащаяся в сети полимера. Такая гелеобразная композиция обеспечивает экранирование электромагнитных волн, а также обладает теплопроводящими свойствами.
2
2
3
Гелеобразная композиция может включать один или несколько видов частиц, экранирующих электромагнитной волны. Частицы могут создаваться из материалов различных типов: электрических проводников, углеродных материалов, диэлектрических материалов и магнитных материалов. В качестве электрических проводников применяют Al, Fe, Ni, Cr, Cu, Au, Ag и их сплавы; в качестве углеродных материалов - сажу, углеродные волокна, углеродные нанотрубки, фуллерены и алмаз; в качестве диэлектрических материалов - SiO, AlO, титанат бария и оксид титана; в качестве магнитных материалов - сплавы или оксиды, содержащие переходные элементы, такие как феррит, пермаллой (сплав на основе Fe-Ni) и альсифер (сплав на основе Al-Si-Fe).
Недостатками прототипа являются:
- недостаточная электромагнитная безопасность, обусловленная организацией защиты от воздействия электромагнитного излучения, основанной преимущественно на его отражении, что связано с использованием в гелеобразной композиции ионной жидкости, проводящей электрический ток; это приводит к возможности воздействия отраженных электромагнитных волн на технические и биологические объекты, находящиеся в зоне их распространения;
- высокие затраты на изготовление такого экрана, обусловленные отсутствием диэлектрических потерь в ионной жидкости, приводящим к тому, что для достижения сравнимых значений эффективности экранирования электромагнитного излучения с соответствующими значениями, получаемыми при применении диэлектрической жидкости, необходимо или изготавливать экран значительно большей толщины, или увеличивать массовую долю частиц в гелеобразной композиции.
Задачей заявляемого изобретения является создание электромагнитного экрана, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в повышении электромагнитной безопасности технических и биологических объектов в сокращении затрат на его изготовление.
Сущность изобретения состоит в том, что в электромагнитном экране, содержащем герметичную оболочку, внутри которой расположена гелеобразная композиция, образованная гелем с частицами материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, оболочка выполнена из материала с низкой паропроницаемостью, дисперсионная среда геля является диэлектрической жидкостью, при этом частицы материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, обладают минимальным отражением электромагнитного излучения и максимальным поглощением электромагнитного излучения, а содержание в гелеобразной композиции частиц материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, составляет не более 50 мас. %.
Материал с низкой паропроницаемостью, из которого выполнена оболочка, выбирают из ряда: полиэтилен низкого давления, полипропилен, целлофан, винилиденфторид, полиэтилентерефталат.
Дисперсионную среду геля выбирают из ряда диэлектрических жидкостей: деионизованная вода, трансформаторное масло, изопропиловый спирт.
Частицы материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, обладающие минимальным отражением электромагнитного излучения и максимальным поглощением электромагнитного излучения, могут быть магнитотвердыми ферритами или полупроводниковыми оксидами металлов.
Изготовление оболочки из материала с низкой паропроницаемостью обеспечивает сохранение свойств гелеобразной композиции в течение не менее шести месяцев, что позволяет применять в качестве дисперсионной среды геля жидкость. Использование в качестве дисперсионной среды геля диэлектрической жидкости позволяет повысить значение диэлектрической проницаемости гелеобразной композиции до 500 и более. Механизмы электрической поляризации в такой гелеобразной композиции являются релаксационными (замедленными), в связи с чем характеризуются высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь, что позволяет уменьшить концентрацию частиц материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, и, следовательно, сократить затраты на изготовление экрана. Кроме того, дисперсионная среда геля на основе диэлектрической жидкости не проводит электрической ток, вследствие чего возникновение в ней индукционных (вихревых) токов минимально, что обеспечивает минимальное отражение электромагнитного излучения от экрана и, таким образом, повышает его электромагнитную безопасность для технических и биологических объектов.
Частицы материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, обладают минимальным отражением электромагнитного излучения и максимальным поглощением электромагнитного излучения за счет того, что их получают, например, из магнитотвердых ферритов или полупроводниковых оксидов металлов. Эти материалы обладают высоким удельным объемным электрическим сопротивлением, вследствие чего индукционные (вихревые) токи в частицах не возникают, что обеспечивает минимальное отражение электромагнитного излучения от экрана и, таким образом, повышает его электромагнитную безопасность для технических и биологических объектов. Кроме того, высокое значение удельного объемного электрического сопротивления обеспечивает резистивные потери энергии электромагнитного излучения и, тем самым, его максимальное поглощение при меньшей толщине экрана и, соответственно, меньших затратах на его изготовление.
За счет того, что содержание в гелеобразной композиции частиц материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, составляет не более 50 мас. %, эти частицы не способны сформировать в электромагнитном экране электропроводящую сетку, даже в случае использования частиц, полученных из металлических ферромагнетиков, например - аморфных магнитомягких сплавов или карбонильного железа. Это обеспечивает минимальное отражение электромагнитного излучения от экрана и, таким образом, повышает его электромагнитную безопасность для технических и биологических объектов. Кроме того, снижение содержания в гелеобразной композиции частиц материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, приводит к уменьшению затрат на изготовление экрана, так как материалы, из которых получают частицы, существенно дороже материалов, из которых получают гель.
При повышении содержания в гелеобразной композиции частиц материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, до 50 мас. % и более, возможно формирование в экране электропроводящей сетки, вследствие чего происходит существенное возрастание отражения электромагнитного излучения от экрана и, следовательно, снижение его электромагнитной безопасности для технических и биологических объектов. При этом также увеличиваются затраты на изготовление экрана, связанные с повышением стоимости изготовления большего количества частиц.
Заявляемый электромагнитный экран имеет меньшие массогабаритные характеристики, что позволяет его использовать в условиях ограниченного объема и высоких требований, предъявляемых к его массе.
В заявляемом электромагнитном экране возникновение индукционных (вихревых) токов минимально, поэтому он может использоваться в составе автоматизированных систем, основанных на слежении методами вихретокового зондирования за объектами, защищенными от воздействия электромагнитного излучения более высоких (по сравнению с применяемыми при вихретоковом зондировании) частот.
Предлагаемое изобретение иллюстрируют следующие чертежи:
Фиг. 1. Конструкция электромагнитного экрана.
Фиг. 2. Внешний вид электромагнитного экрана размерами 60×40×2 мм.
Фиг. 3. Частотная зависимость коэффициента экранирования для электромагнитных экранов размерами 60×40×2 мм.
Фиг. 4. Внешний вид электромагнитного экрана размерами 170×170×6 мм.
Фиг. 5. Частотная зависимость коэффициента экранирования для электромагнитного экрана размерами 170×170×6 мм с частицами феррита марки «ЗСЧ».
Фиг. 6. Частотная зависимость коэффициента экранирования для электромагнитного экрана размерами 170×170×6 мм с частицами аморфного сплава марки «АМАГ 172».
Электромагнитный экран (Фиг. 1) содержит:
1 - герметичная оболочка;
2 - гель;
3 - частицы материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением. Электромагнитный экран состоит из герметичной оболочки 1, изготовленной,
например, из полиэтилена или полипропилена, с расположенной внутри гелеобразной композицией, на основе геля 2, например, полиметилсилоксана полигидрата, и частиц 3 материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением, например, феррита, аморфного магнитомягкого сплава, карбонильного железа или другого аналогичного по магнитным свойствам материала.
Устройство работает следующим образом.
При достижении электромагнитной волной электромагнитного экрана происходит ее отражение, обусловленное наличием границы раздела между средой распространения электромагнитной волны и гелеобразной композицией, и поглощение энергии электромагнитной волны за счет диэлектрических потерь в гелеобразной композиции с высокой диэлектрической проницаемостью, резистивных и магнитных потерь в частицах материалов, взаимодействующих с электромагнитным излучением. В результате этого уменьшается воздействие электромагнитной волны на защищаемый объект.
Примеры реализации устройства Пример 1.
Электромагнитный экран размерами 60×40×2 мм изготавливали следующим образом.
Приготавливали навеску феррита марки «3СЧ» (ОАО «Завод «Магнетон», Россия) или феррита марки «2000НМ» (ОАО «Завод «Магнетон», Россия), или аморфного сплава марки «АМАГ 172» (ПАО «Мстатор», Россия) в количестве 7,5 г, добавляли гель полиметилсилоксана полигидрата (торговая марка «Энтеросгель», ООО «ТНК СИЛМА», Россия) в количестве 15 г. Перемешивали механически в течение 5 минут. Помещали в оболочку из полиэтилена низкого давления размерами в плоскости 60×40 мм и герметизировали запаиванием.
21
21
пуст
21
обр
21
обр
21
пуст
Внешний вид полученного электромагнитного экрана представлен на Фиг. 2. Испытания экранирующих свойств проводили с использованием векторного анализатора цепей ZVB-20 («Rhode&Schwarz», ФРГ) с частотным диапазоном от 10 МГц до 20 ГГц. При помощи векторного анализатора измерялись зависимости модуля комплексного коэффициента рассеяния S. Результирующий спектр (в дБ) представляет собой арифметическую разность между спектром при отсутствии испытуемого образца |S| и спектром при его наличии |S|: S=|S| - |S|, что соответствует значению коэффициента экранирования электрического поля в дБ. Измерения производили с использованием копланарной измерительной ячейки в частотном диапазоне 50-2000 МГц. Полученные частотные зависимости коэффициента экранирования на Фиг. 3. Кривая 4 соответствует использованию феррита марки «3СЧ», кривая 5 - ферриту марки «2000НМ», кривая 6 - аморфному сплаву марки «АМАГ 172». Результаты испытаний электромагнитного экрана размерами 60×40×2 мм приведены в таблице 1.
В результате был получен электромагнитный экран размерами 60×40×2 мм.
Как видно из таблицы 1, полученный электромагнитный экран с малым отражением электромагнитного излучения может обеспечивать его экранирование на уровне до 5,5 дБ (в 3,5 раза по мощности) в диапазоне частот 0,5-2,0 ГГц при толщине 2 мм. Таким образом, полученный экран обеспечивает повышение электромагнитной безопасности при малой толщине экрана, что приводит к сокращению затрат на его изготовление.
Пример 2.
Электромагнитный экран размерами 170×170×6 мм изготавливали следующим образом.
Приготавливали навеску феррита марки «3СЧ» (ОАО «Завод «Магнетон», Россия) или аморфного сплава марки «АМАГ 172» (ПАО «Мстатор», Россия) в количестве 90 г, добавляли полиметилсилоксана полигидрат (торговая марка «Энтеросгель», ООО «ТНК СИЛМА», Россия) в количестве 185 г. Перемешивали механически в течение 15 минут.
Помещали в оболочку из полиэтилена низкого давления размерами в плоскости 170×170 мм и герметизировали запаиванием.
21
пуст
21
обр
21
обр
21
пуст
Внешний вид полученного образца представлен на Фиг. 4. Испытания экранирующих свойств проводили с использованием векторного анализатора цепей ZVB-20 («Rhode&Schwarz», ФРГ) с частотным диапазоном от 10 МГц до 20 ГГц. При помощи векторного анализатора измерялись зависимости модуля комплексного коэффициента рассеяния S21. Результирующий спектр (в дБ) представляет собой арифметическую разность между спектром при отсутствии испытуемого образца |S| и спектром при его наличии |S|: S=|S| - |S|, что соответствует значению коэффициента экранирования электрического поля в дБ. Измерения производили с использованием рупорной измерительной ячейке на основе антенн П6-124 (ЗАО «СКАРД-Электроникс», Россия) в частотном диапазоне 2-18 ГГц. Полученная частотная зависимость коэффициента экранирования в случае использования феррита марки «3СЧ» приведена на Фиг. 5, в случае использования аморфного сплава марки «АМАГ 172» - на Фиг. 6. Результаты испытаний электромагнитного экрана размерами 170×170×6 мм приведены в таблице 2.
В результате был получен электромагнитный экран размерами 170×170×6 мм.
Как видно из таблицы 2, полученный электромагнитный экран с малым отражением электромагнитного излучения может обеспечивать его экранирование на уровне не менее 12 дБ (в 16 раз по мощности) в диапазоне частот 2,0-18,0 ГГц при толщине 6 мм. Несмотря на увеличение толщины экрана, низкая концентрация частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением позволяет снизить затраты на изготовление экрана и при этом обеспечить существенное повышение электромагнитной безопасности технических и биологических объектов.
Заявляемый электромагнитный экран повышает электромагнитную безопасность технических и биологических объектов и позволяет сократить затраты на его изготовление.