Устройство для защиты от электромагнитного излучения

Полезная модель относится к области защиты от электромагнитных излучений (ЭМИ) и может быть использовано при защите средств электронно-вычислительной техники (СЭВТ) как от внешних воздействий электромагнитного излучения, так и при защите от паразитных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН) СЭВТ. Задачей полезной модели является повышение коэффициента экранирования и расширение частотного диапазона за счет применения многослойной структуры экрана, радиопоглощающих полимерных композитных материалов, технологических неоднородностей, выполненных в виде запредельных волноводов прямоугольной формы, объединенных в сотовые решетки. 2 ил.

Полезная модель относится к области защиты от электромагнитных излучений (ЭМИ) и может быть использована при защите средств электронно-вычислительной техники (СЭВТ) как от внешних воздействий электромагнитного излучения, так и при защите от паразитных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН) СЭВТ.

Известна полезная модель («Многослойный электромагнитный экран», патент RU 85267 U1 Опубликовано: 27.07.2009), представляющая собой многослойный электромагнитный экран, содержащий два размещенных снаружи плоских экранирующих слоя, каждый из которых выполнен из листовой магнитомягкой изотропной стали, и размещенный между ними, по меньшей мере, один объемный экранирующий слой в виде стальной прямоугольной решетки, выполненной с возможностью функционирования ее ячеек в качестве запредельных волноводов по отношению к основной гармонике частоты экранируемого поля, что позволяет осуществлять защиту от низкочастотных ЭМИ.

Недостатком данной полезной модели является относительно низкий коэффициент экранирования электромагнитного экрана и функционирование этого экрана в низкочастотной области.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям является устройство-прототип («Устройство для электромагнитного экранирования», патент RU 10973 U1 Опубликовано: 16.08.1999), представляющее собой металлическую сетку, ячейки которой выполнены в виде запредельных волноводов (ЗПВ) конусообразной формы, что позволяет осуществлять защиту от ЭМИ в диапазоне частот от 10 МГц до 900 МГц, и может быть использовано в самых различных областях.

Недостатком этого устройства-прототипа является относительно низкий коэффициент экранирования электромагнитного экрана и функционирование этого экрана в диапазоне частот от 10 МГц до 900 МГц.

Задачей полезной модели является повышение коэффициента экранирования и расширение частотного диапазона за счет применения многослойной структуры экрана, радиопоглощающих полимерных композитных материалов, технологических неоднородностей, выполненных в виде запредельных волноводов прямоугольной формы, объединенных в сотовые решетки.

Эта задача решается тем, что устройство-прототип, представляющее собой экранирующую конструкцию, ячейки которой выполнены в виде запредельных волноводов (ЗПВ), согласно заявляемой полезной модели дополнено многослойной несущей конструкцией типа «полимер-металл-полимер», внутри которой выполнены технологические неоднородности в виде запредельных волноводов прямоугольной формы, объединенных в сотовые решетки.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения коэффициента экранирования электромагнитного экрана за счет применения многослойной структуры экрана, радиопоглощающих полимерных композитных материалов, технологических неоднородностей, выполненных в виде запредельных волноводов прямоугольной формы, объединенных в сотовые решетки.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна». «Промышленная применимость» полезной модели обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данную полезную модель.

Заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых показано:

фиг.1 - отражение и преломление ЭМВ, проходящей через экран;

фиг.2 - вариант реализации устройства защиты от электромагнитного излучения;

Работает устройство следующим образом:

На экран (фиг.1) с одной стороны падает плоская электромагнитная волна. Согласно (Богуш В.Ф, Лыньков Л.М., Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты. - Мн.: Бестпринт, 2003. - стр.119) экранирование происходит благодаря отражению электромагнитной волны от поверхности экрана и затуханию преломленной волны в теле экрана. Пусть у падающей плоской волны P₁ векторы электрического E₁ и магнитного H₁ полей параллельны плоскости экрана. В точке I ₁, находящейся на границе сред воздух-полимер, волна P ₁ частично отразится (волна P_отр1) и частично преломится (волна P₂). Распространяясь в первом слое экрана, преломленная волна P₂ затухает по экспоненциальному закону и к моменту достижения следующей границы раздела сред типа полимер-металл напряженности обоих полей будут в e^экр/ раз меньше, чем в точке на поверхности экрана (I _i), где _экр - толщина стенок экрана, а - эквивалентная глубина проникновения. На выходе волны P₂ из первого слоя экрана, точка I₂, снова произойдет преломление (волна P₃) и отражение (волна P_отр2) от границы сред полимер-металл. Преломленная волна P₃ войдет во второй слой экрана, а отраженная P_отр2 будет затухать и в точке на внешней поверхности этого слоя экрана напряженности полей будут в e^экр/ раз меньше, чем на входе в экран. Преломленная волна P₃, распространяясь во втором металлизированном слое экрана, также затухает по экспоненциальному закону и к моменту достижения следующей границы раздела сред типа металл-полимер, точка I₃, напряженности обоих полей будут в e^экр/ раз меньше, чем в точке I₂. На выходе волны P₃ из второго слоя экрана, точка I₃ , снова произойдет преломление (волна P₄) и отражение (волна P_отр3) от границы сред металл-полимер. Преломленная волна P₄ войдет в третий слой экрана, а отраженная P_отр3 будет затухать и в точке на внешней поверхности этого металлизированного слоя экрана напряженности полей будут в e^экр/раз меньше, чем на входе в этот слой экрана. Преломленная волна P₄ также затухает по экспоненциальному закону и к моменту достижения следующей, последней границы раздела сред типа полимер-воздух, точка I₄, напряженности обоих полей будут в e^экр/ раз меньше, чем в точке I₃. На выходе волны P₄ из третьего слоя экрана, точка I₄ , снова произойдет преломление (волна P₅) и отражение (волна Р_отр4) от границы сред полимер-воздух. Отраженная волна P_отр4 будет затухать и в точке на внешней поверхности этого последнего слоя экрана напряженности полей будут в e^экр/ раз меньше, чем на входе в этот слой полимера. Все это время в экране будут происходить отражения волн от границ раздела сред до их полного затухания в теле экрана. В экранируемое пространство будут проникать преломленные волны P₅ . Их суммарное воздействие определяет напряженности полей E ₅ и H₅ в этом пространстве. При этом все перечисленные процессы сопровождаются потерями энергии волны. Общий коэффициент экранирования определяется выражением (Князев А.Д., Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989. - cтp.45):

где _отр - затухание за счет отражения;

_погл - затухание за счет поглощения;

_мотр^- затухание за счет многократных переотражений;

Для получения максимального коэффициента экранирования многослойной экранирующей конструкции ее технологические неоднородности предлагается выполнить в виде запредельных волноводов (ЗПВ) прямоугольной формы. Этот выбор обосновывается тем, что при определенных соотношениях между размерами волновода и длиной волны . электромагнитного поля возможность его проникновения внутрь экрана практически исключена. Запредельный волновод по отношению к электромагнитной волне на входе ведет себя как фильтр, который эффективно ослабляет колебания на частотах, лежащих ниже известного предела, и в значительно меньшей степени ослабляет колебания на частотах, лежащих выше данного предела. Частота, лежащая ниже известного предела, называется критической частотой запредельного волновода и для волновода прямоугольной формы определяется следующим выражением (Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970. - стр.31):

где m и n - индексы, указывающие на количество полуволн вдоль оси x и y сечения волновода;

_кр - критическая длина волны;

µ₀ - магнитная постоянная;

₀ - электрическая постоянная;

с - скорость света;

Запредельный волновод направлен во внутреннюю, экранируемую область, для того чтобы не создавать у своего среза локального увеличения напряженности электромагнитных полей и тем самым не снижать своей эффективности. Для снижения неблагоприятного влияния большого отверстия на защитные свойства экранов его заменяют системой малых отверстий, то есть по сути дела сотовой решеткой.

При моделировании конструкции, экранирующей воздействие ЭМИ, выше было принято ограничение на рассматриваемые формы технологических неоднородностей. Таким образом, выражение для определения качества экранирования такой конструкции с технологическими неоднородностями в виде прямоугольных волноводов, объединенных в сотовую решетку, представляется в следующем виде (Чернушенко, А. М., Конструкции СВЧ устройств и экранов. - М.: Радио и связь, 1983. - стр.145):

где A_M - аппроксимирующий множитель, определенный на основе экспериментальных данных, полученных в ходе испытаний, зависящий от длины волны и характеристик ЭМИ, представляется следующим выражением (Чернушенко, А. М., Конструкции СВЧ устройств и экранов. - М.: Радио и связь, 1983. - стр.156):

где - нормирующий множитель, зависящий от характеристик ЭМИ, определяется с помощью следующего выражения (Чернушенко, А. М., Конструкции СВЧ устройств и экранов. - М.: Радио и связь, 1983. - стр.170):

где - постоянная спада ЭМИ, а - коэффициент передачи по току. B_max[дБ] - затухание, вносимое волноводом, представляется следующим выражением (Полонский Н. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. радио., 1979. - стр.105);

где _min - минимальная длина волны в спектре воздействующего ЭМИ;

а - площадь поперечного сечения волновода.

S - ослабление, вносимое волноводом при отражении, определяется с помощью следующего выражения (Григорьев, А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: численные методы расчета и проектирования. - М.: Радио и связь, 1984. - стр.88):

где к - радиус ближней зоны;

(Ом) - характеристическое сопротивление волновода для волн типа Hmn, определяется с помощью следующего выражения (Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн.- М.: Высшая школа, 1992. - стр.172):

где z_c(Oм) - характеристическое сопротивление среды, которое определяется с помощью следующего выражения (Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн.- М.: Высшая школа, 1992.

- характеристическое сопротивление волновода для волн типа Е_mn определяется с помощью следующего выражения (Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн.- М.: Высшая школа, 1992. - стр.172):

Г - поправочный коэффициент отражения волновода, зависящий от изменения характеристического сопротивления среды, заполняющей волновод Z_c, и характеристического сопротивления волновода для волн различного типа , и определяется с помощью следующего выражения

(Фрадин, А. 3. Антенны сверхвысоких частот. - М.: Советское радио, 1957. - стр.480):

Между волноводами в сотовой структуре существует взаимное влияние. Взаимная связь между волноводами приводит к увеличению полного сопротивления всего экрана, что влечет увеличение коэффициента экранирования всей конструкции в целом. Учет взаимного влияния волноводов друг на друга осуществляется с помощью поправочного коэффициента, определяемого с помощью следующего выражения (Шабунин, С.Н., Соловьянова И.П. Волноводы и объемные резонаторы. - Екатеринбург: Уральский ГТУ, 1998. - стр.220):

Далее произведем расчет числа технологических неоднородностей в виде запредельных волноводов прямоугольной формы исходя из критериального коэффициента экранирования (например, мы хотим добиться коэффициента экранирования не менее 80 дБ). Предельное (критериальное) значение коэффициента экранирования сплошного многослойного экрана определяется исходя из выражения (Шапиро, Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Издательство «Энергия», 1975. - стр.68):

где V_экв - эквивалентный объем экранирующей конструкции, зависящей от количества и геометрических размеров слоев, образующих экран;

v_экв - эквивалентный объем одного волновода сотовой решетки;

N_B - необходимое количество запредельных волноводов в сотовой решетке экранирующей конструкции.

Из последнего выражения получаем поправочный коэффициент числа волноводов в сотовой решетке, для обеспечения требуемого качества экранирования, которое представляется следующим выражением:

Таким образом, поправочный коэффициент числа волноводов позволяет учесть многослойность экранирующей конструкции посредством наличия в знаменателе предельного значения коэффициента экранирования _E(H)lim[дБ] сплошной многослойной экранирующей конструкции, а также посредством эквивалентного объема, зависящего от геометрических размеров экранирующей конструкции и толщины образующих его слоев.

Поправочный коэффициент числа волноводов N_B определяет необходимое количество запредельных волноводов в сотовой решетке экранирующей конструкции в зависимости от предъявляемых предельных (критериальных) требований к качеству экранирования, геометрических размеров и электрофизических свойств, применяемых для экранирования материалов.

Произведя учет всех составляющих для расчета коэффициента экранирования многослойной конструкции с технологическими неоднородностями в виде запредельных волноводов, получаем следующие выражение:

С помощью этого выражения в среде Mathcad были получены следующие результаты:

Таблица 1
f[ГГц]	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	92	91,2	91	90,5	90	89,5	89	88	87	85

Из таблицы 1 видно, что диапазон работы электромагнитного экрана достигает 10 ГГц и при этом коэффициент экранирования этого экрана не ниже 85 дБ.

Эффективность функционирования предлагаемой полезной модели по сравнению с устройством-прототипом можно охарактеризовать отношением коэффициента экранирования устройства-прототипа и предлагаемой модели. Обозначим это отношение буквой Э. Устройство-прототип («Устройство для электромагнитного экранирования», патент RU 10973 U1 Опубликовано: 16.08.1999) обеспечивает коэффициент экранирования до 70 дБ. Обозначим его _{прототипа.} Коэффициент экранирования заявленной полезной модели, рассчитанный с помощью выражения 15 в среде Mathcad при следующих исходных данных:

- длина волны , где f=10 Ггц;

- постоянная спада ЭМИ =3,83·10⁸, а коэффициент передачи по току =2,33·10⁹, откуда следует, что аппроксимирующий множитель А_M=1,707;

- минимальная длина волны _мин=3 м;

- размеры экрана: длина A=0,2 м, ширина B=0,4 м, высота H=0,4 м;

- площадь поперечного сечения волновода а=0,006 м, а длинна волновода равна длине экрана h=H=0,2 м;

- магнитная проницаемость µ₀=4·10^-7 Гн/м, а электрическая постоянная ₀=8, 85418782·10^-12 Ф/м;

составляет 85 дБ. Обозначим его _{полезной модели.} Отсюда получаем:

Устройство для защиты от электромагнитного излучения, представляющее собой экранирующую конструкцию, ячейки которой выполнены в виде запредельных волноводов (ЗПВ), отличающееся тем, что дополнено многослойной несущей конструкцией типа «полимер-металл-полимер», внутри которой выполнены технологические неоднородности в виде запредельных волноводов прямоугольной формы, объединенных в сотовые решетки.