Ecrane electromagnetice

In cazul cuplajului prin radiatie, energia electromagnetica se transfera de la sursa perturbatoare spre receptor (“victima”) atat prin camp electric, cat si prin camp magnetic, ansamblul celor doua campuri propaganda-se in spatiu sub forma de unde electromagnetice.

Pentru protectia impotriva cuplajului electromagnetic se utilizeaza ecranarea electrica, ecranarea magnetica, respectiv ecranarea electromagnetica, in functie de natura campului perturbator. In acest scop se utilizeaza ecrane electrice, ecrane magnetice si ecrane electromagnetice.

Ecranul electromagnetic este o anvelopa conductoare care separa spatiul in doua regiuni, una care contine sursele de camp electromagnetic si alta, care nu contine astfel de surse. Deci, functia ecranului este sa izoleze cele doua regiuni una fata de cealalta, d.p.d.v. al campului electromagnetic perturbator.

Rolul ecranului este de a oferi o aceeasi referinta de potential atat pentru circuitele externe, cat si pentru circuitele interne, din interiorul anvelopei.

Problema ecranarii presupune 2 aspecte:

(1). Proiectarea, constructia si determinarea efectelor ecranelor;

(2). Modul de conectare al ecranului la masa.

Practica demonstreaza ca un ecran bine construit, dar legat gresit la masa conduce la aparitia unor perturbatii mai mari decat in lipsa ecranului.

Efectul de ecranare este reciproc: este indiferent daca campul care trebuie cranat se afla in interiorul sau in exteriorul anvelopei de ecranare.

Fig. 1 Reciprocitatea efectului de ecranare: a)     atenuarea radiatiei perturbatoare a unei surse de pereturbatii; b)     protectia unui receptor ๎mpotriva unei radiatii perturbatoare;

O masura a ecranarii este factorul de ecranare Q, care stabileste legatura dintre intensitatea campului in interiorul unui ecran si intensitatea campului existenta in exterior, in absenta ecranului.

Factorul de ecranare este de regula un numar complex. In practica se lucreaza deseori cu factorul de atenuare a ecranului, sau eficacitatea ecranului, care este logaritmul inversului raportului dintre intensitatea campului in interior si in exterior.

;

Deci:

Eficacitatea ecranului este o marime adimensionala si reprezinta efectul de reducere a perturbatiilor.

Atenuarea ecranelor se defineste atat pentru campul electric cat si pentru campul magnetic si pentru campul cuplat (electromagnetic):

In cazul in care are loc o atenuare a undei perturbatoare; situatia in care semnifica efectul de directivitate (un ecran se poate comporta la inalta frecventa ca si o antena directive, care concentreaza radiatia intr-o directie privilegiata).

O unda electromagnetica care soseste pe suprafata unei tole conductoare se reflecta pe aceasta:

Fig. 2 Reflexia ideala la suprafata unei tole de grosime “a” (unghiul de incidenta este egal cu unghiul de reflexie, ).

Se constata ca tola conductoare se comporta ca si un “aspirator” pentru campul electric si ca o suprafata “alunecoasa” pentru campul magnetic (); componentele normale ale undelor incidenta si reflectata () se anuleaza reciproc.

In cazul ecranelor reale, peretii nu sunt conductori perfecti si suprafetele lor nu sunt perfect netede. In aceste conditii, reflexia nu este totala, ci o parte din unda incidenta este absorbita in peretii ecranului, unde sufera o degradare prin transformare in caldura.

Eficacitatea de absorbtie a ecranului se defineste astfel:

,

unde: a- este grosimea peretelui ecranului;

δ – este adancimea de patrundere a campului electromagnetic;

f[MHz] – frecventa;

μ_r – permeabilitatea magnetica relative a materialului ecranului;

σ_r – conductivitatea relativa a materialului ecranului, raportata la cupru.

Materialele care produc cele mai mari pierderi prin absorbtie sunt cele bune conductoare electric si cu o mare permeabilitatte magnetica (ex. otelul).

La frecvente inalte, absorbtia intr-un ecran omogen devine foarte mare. Absorbtia amortizeaza rezonantele si este independenta fata de impedanta de camp. Este eficace si in camp magnetic. Dar, in campuri puternice, in apropierea unor surse de campuri magnetice intretinute, absorbtia determina incalzirea tolelor. In aceste conditii, un ecran din cupru este preferabil unui ecran din otel.

RECEPTOR

Curenti slabi pe fata interioara a ecranului

Curenti care se deplaseaza pe fata exterioara a ecranului

Fig. 3 La inalta frecventa, fetele exterioara si interioara ale peretilor unui ecran sunt independente.

La inalta frecventa, fetele exterioara si interioara ale peretilor unui ecran care protejeaza in interiorul sau un receprtor sunt independente. Datorita efectului pelicular, campurile magnetice ale curentilor care circula pe fata exterioara a peretilor ecranului induc in interior tensiuni electromotoare foarte slabe, care determina curenti foarte mici pe fata interioara a ecranului. Fenomenul este reciproc.

1 Ecranarea campurilor statice

1.1. Campurile electrostatice

La introducerea unei sfere goale conductoare in camp electrostatic, asupra sarcinilor electrice din materialul ecranului actioneaza forta electrostatica F= qE, care provoaca o redistribuire a acestora ce se incheie cand componenta tangentiala a intensitatii campului electric la suprafata exterioara a ecranului devine nula si astfel nu mai exista nici un motiv de deplasare a sarcinilor electrice pe suprafata ecranului.

In mod logic liniile de camp electric vor fi atunci normale la suprafata ecranului. Campul sarcinilor redistribuite si campul exterior perturbator se anuleaza reciproc in orice punct din interiorul ecranului. Se poate arata ca acest efect nu apare numai in cazul unei sfere goale, ci la orice corp conductor gol, indiferent de forma sa geometrica (Efectul custii Faraday).

Factorul de atenuare al unui ecran conductor lipsit de imbinari, fata de campuri electrostatice este infinit, ceea ce face inutila calcularea lui in fiecare caz in parte.

Cu ajutorul legii fluxului electric, se obtin componentele normale ale intensitatii campului electric in interiorul si in exteriorul ecranului:

,

unde ρ_s este densitatea superficiala a sarcinilor electrice. Pentru componentele  tangentiale ale campului electric conform celor aratate mau sus, este valabila relatia:

In final, trebuie mentionat ca invelisurile dielectrice poseda un anumit efect de ecranare fata de campurile electrostatice. La fel cum un flux magnetic este condus printr-un circuit magnetic realizat dintr-un material cu permeabilitate ridicata, si fluxul electric ψ este condus printr-un dielectric cu permitivitate ridicata. Datorita refractiei liniilor de camp electric, la suprafata de frontiera dintre cele doua medii, fluxul electric va trece mai ales prin peretele sferei, in cazul unui raport mare intre grosimea peretelui d si diametrul sferei D (fig. 3).

Conditiile de frontiera se exprima astfel:

unde 1  reprezinta mediul din exteriorul ecranului, iar 2 reprezinta materialul ecranului.

Factorul de atenuare al ecranului in  Neperi va fi:

1.2 Campuri magnetostatice

Un efect de ecranare prin redistribuirea 'sarcinilor' comparabil cu cel pentru campuri electrostatice nu exista in cazul campurilor magnetostatice.

De exemplu, ecranul de cupru al cablurilor coaxiale nu are efect de ecranare asupra campurilor magnetostatice.

Totusi, in acelasi mod in care campurile electrostatice pot fi atenuate prin ecrane dielectrice de mare permitivitate, si campurile magnetostatice pot fi ecranate prin invelisuri feromagnetice cu permeabilitate magnetica ridicata.

In cazul ecranelor cu pereti grosi si permeabilitate inalta, datorita refractiei liniilor de camp la suprafata de separatie dintre cele doua medii, fluxul magnetic circula cu precadere prin pereti.

Conditiile de frontiera se exprima astfel:

unde 1 reprezinta mediul din exteriorul ecranului, iar 2 reprezinta materialul ecranului.

Atenuarea in Neperi oferita de ecran va fi:

Pentru ecrane se folosesc toate materialele care prezinta, pentru fluxul unui anumit tip de camp, o conductivitate suficient de mare sau care sunt in stare sa creeze campuri de reactie prin influenta sau inductie. Cel mai des se utilizeaza ecrane din materiale neferoase si din materiale feromagnetice.

Pentru ca un ecran electric sa fie activ, este necesar sa fie conectat la masa (la referinta, in general) printr-o impedanta cat mai mica posibil (nula, teoretic).

Regula 1

Ecranul electric se conecteaza la masa (punctual cu potential de referinta zero) circuitului protejat, plasat in interiorul ecranului.

Regula 2

Ecranul electric trebuie sa fie legat la masa intr-un singur punct, pentru ca toti curentii perturbatori sa circule spre punctul de potential minim.

Daca ecranul s-ar conecta la masa in mai multe puncte, datorita impedantei proprii a ecranului, curentii perturbatori care s-ar inchide prin ecran ar determina caderi de tensiune pe acea impedanta si curentii perturbatori s-ar inchide prin conductoarele de semnal.

Eficacitatea unei bune incinte ecranate va fi imediat redusa la zero daca un singur conductor patrunde nefiltrat din spatiul perturbat in spatiul ecranat, iar acolo actioneaza ca si o antena.

Un ecran poate sa-si indeplineasca rolul numai atunci cand toate conductoarele de alimentare cu energie, ca si cele de comanda care intra si ies din incinta ecranata, sunt prevazute cu filtre.

Pentru conductoarele de alimentare cu energie exista filtre de retea care, in majoritatea cazurilor, sunt formate din mai multe componente elementare, asamblate astfel incat sa aiba efect de filtrare in anumite domenii de frecventa.

Conductoarele pentru semnalul de masura trebuie ecranate (trebuie utilizate cabluri coaxiale).

Rigletele elastice de contact ale usilor, ferestrele fagure si filtrele de retea trebuie sa fie foarte bine corelate unele cu altele. Toate aceste filtre, legaturi de pamantare si conexiuni ale ecranelor cablurilor trebuie sa fie amplasate intr-o singura zona, foarte apropiate unele de altele, pentru eliminarea curentilor de egalizare in peretele ecranului, fig. 5.

Pentru asigurarea unei legaturi de rezistenta mica a tuturor ecranelor cablurilor si a pamantarii incintei, se recomanda intarirea peretelui ecranului in zona comuna de patrundere, printr-o placa masiva de cupru. In cazul din fig. 5.b, eventualii curenti perturbatori din ecranele cablurilor si din sistemul de pamantare circula prin peretii metalici ai incintei ecranate si produc in interiorul acesteia un camp magnetic perturbator.

2 Incaperi ecranate (cabina de masurare)

Incaperile ecranate se utilizeaza fie pentru evitarea interferentelor electromagnetice exterioare in cazul masuratorilor sensibile, fie pentru limitarea in spatiu a emisiilor perturbatoare (in zona in care se produc); adesea ambele functiuni sunt combinate.

Din punct de vedere constructiv, incaperile ecranate sunt realizate prin placarea spatiilor respective cu fasii din folie de cupru lipite intre ele, prin constructii sudate autoportante din tabla de otel sau prin constructii modularizate obtinute din elemente prefabricate.

Cabina de masurare este o incinta cu dimensiuni relativ reduse (2ื2ื2 m³); este realizata din tola de otel zincat sau C_uE, cu grosimea g=0,3 … 2mm (fig. 6).

	1

Fig. 6 Cabina ecranata. Echipamentul cabinei ecranate.

1 – transformator de separare; 2 – filtru de retea; 3 – constructie metalica; 4, 5, 6 – ferestre fagure;

7 – cablu coaxial; 8 – usa de acces; 9 – borna de pamantare.

Peretii incintei sunt autoportanti sau sustinuti de un schelet metalic de otel zincat sau inox. Este destinata unor masuratori de mare acuratete a marimilor de tip “u”(prin divizor de tensiune exterior) sau “i”(prin sunt coaxial exterior);

In interiorul cabinei se instaleaza osciloscopul (digital, cu stocare) calculatorul care conduce procesul secvential de incercari si alte periferice ale osciloscopului sau calculatorului.

Cablul coaxial, dublu ecranat este folosit pentru introducerea semnalului util in spatiu ecranat din interiorul cabinei.

Pentru a evita pericolul de electrocutare in cazul unei defectiuni de izolatie, carcasa metalica a cabinei este conectata da priza de pamant.

Cabina ecranata nu este prevazuta cu pereti absorbanti pentru radiatii electromagnetice. O radiatie electromagnetica generala in interiorul cabinei produce reflexii multiple pe peretii interiori si, ca urmare, cuantificarea radiatiei emise devine imposibila.

3 Incaperi ecranate fara reflexii Camere anechoice

Undele electromagnetice produse in interiorul incaperilor ecranate sufera reflexii datorita peretilor acestora. Undele reflectate se suprapun peste undele incidente formand unde stationare cu noduri si ventre pronuntate.

Repartitia spatiala a campului devine astfel puternic neomogena si rezultatele masuratorilor de emisii perturbatoare sau de imunitate la perturbatii vor depinde, intr-o maniera neprevazuta, de frecventa, de dispunerea in spatiu a obiectelor de incercat si a antenelor.

Pentru evitarea influentei perturbatoare a reflexiilor astfel produse, incaperile ecranate pentru masurarea COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA sunt placate in interior cu elemente absorbante.

Elementele absorbante realizeaza o adaptare de impedanta continua si lipsita de reflexii intre impedanta de unda a interiorului incintei (Z_o 377Ω) si impedanta de unda a peretilor ecranului (Z_l 0). De aceea masuratorile in camere anechoice permit realizarea in interior a masuratorilor de camp efectuate pana acum numai in aer liber.

Elementele absorbante sunt realizate din dielectrici sau feromagnetici cu pierderi, in care o parte importanta din energia electromagnetica incidenta se transforma in caldura.

	Fig. 7 Camera anechoica

In majoritatea cazurilor se foloseste spuma poliuretanica impregnata cu vopsea conductoare pe baza de carbon. Uneori, placarea peretilor se realizeaza din placi de ferita.

Elementul absorbant din spuma poliuretanica are, in majoritatea cazurilor, forma de piramida astfel incat undele electromagnetice au ocazia sa intalneasca multiple suprafete absorbante si sa fie absorbite cvasitotal intre piramide.

4 Laboratorul de COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA

Un laborator standard pentru incercari de COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA (Fig. 9) cuprinde cel putin 3 incinte:

(A)     Incinta fara ecou electromagnetic (anechoica):

Incinta anechoica este ecranata fata de sursele exterioare de interferenta.

Peretii incintei si tavanul sunt realizati din tola de otel galvanizata (cu grosimea g=2 …3mm). In interiorul incintei peretii si tavanul sunt captusiti cu material absorbant de radiatie electromagnetica (placi de ferita sau piramide absorbante din spuma poliuretanica impregnate cu carbon). Elementele absorbante elimina reflexiile electromagnetice datorate peretilor, tavanului si podelei (daca podeaua este conductoare, incinta se numeste semianechoica).

Deoarece piramidele au proprietati absorbante si datorita reflexiilor si dispersarilor multiple, ultima unda reflectata va avea un nivel mult mai mic comparativ cu unda directa.

Eficienta maxima se obtine daca undele sunt paralele cu axa piramidelor si este nula pentru undele perpendiculare pe axa.

Fig. 8 Detaliu privind atenuarea undei incidente (prin reflexii multiple si refractii) datorita piramidelor absorbante.

In incinta  fara ecou electromagnetic se plaseaza obiectul supus incercarii EUT (aparat electric/electronic), pe o masa turnanta (trebuie mentinut in stare de functionare in timpul incercarii).

La o distanta de 1 … 10m de obiectul incercat se plaseaza o antena de emisie (capabila sa radieze pe o gama de frecventa cat mai larga).

Masa turnanta ofera posibilitatea expunerii pe toate fetele a aparatului incercat, spre directia de radiatie a antenei.

In apropierea aparatului incercat exista un senzor de camp electric, pentru masurarea campului electric in zona in care este asezat aparatul incercat.

Semnalele provenite de la aparatul incercat si de la senzorul de camp electric sunt transformate in semnale optice cu ajutorul unui convertor electrooptic si sunt transmise, prin linii optice, la un convertor optoelectric, plasat in incinta de control “C.

Fig. 9  Schita unui laborator COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA.

1 – strat de piramide absorbante; 2 – senzor de camp electric; 3 – convertor electrooptic; 4 – sistem de cabluri optice; 5 – placa turnanta; 6 – obiectul supus incercarii (EUT); 7 – panou cu piramide absorbante;

8 – antena; 9 – cablu pentru alimentarea antenei; 10 – filtru; 11 – sursa de putere cu filtru;

12 – convertor optoelectric; 13 – pupitru de monitorizare; 14 – generator de semnal de inalta frecventa;

15, 16 - surse de putere cu filtru; 17 – amplificatoare de putere de inalta frecventa.

(B)     Cabina ecranata a amplificatoarelor de I.F. contine amplificatoarele de inalta frecventa necesare alimentarii cu energie electrica a antenei de emisie.

(C)     Cabina ecranata pentru controlul incercarilor contine:

convertorul optoelectric cu mai multe canale (converteste semnalele optice in semnale electrice, care ajung la pupitrul de monitorizare);

- sursa de putere cu filtru de retea, care alimenteaza cu energie electrica echipamentele din cabina “C”.

- pupitrul de control, echipat cu :

- 2 voltmetre de perturbatii (receptoare) pentru benzile

de frecventa 20 Hz … 30 MHz si 20 MHz … 1,3 GHz.

- 1 analizor de spectru;

- controller;

- tastatura;

- monitor;

- imprimanta;

- floppy disk.

Interferentele cauzate de functionarea aparatului testat se capteaza printr-o antena de receptie .

Analiza semnalului captat de antena se face cu un voltmetru de perturbatii, sau cu un analizor de spectru, conectat la un calculator.

Masurarea imunitatii, respectiv masurarea rezistentei la perturbatii, se prezinta in capitolul urmator.