Безэховые экранированные камеры: физические принципы и классификация
В настоящее время важной задачей является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронного оборудования различного назначения. Здесь можно выделить такие области как: аппаратура управления, радиолокация, радиомаскировка, радиопротиводействия, радиоразведка, связь, медицина, транспорт и др. К примеру медицинский томограф является источником электромагнитных помех большой мощности. Его работа не должна сказываться на работоспособности оборудования расположенного поблизости. Ведь нарушение штатной работы медицинского оборудования может привести к выходу его из строя или к потере человеческой жизни. Кроме того, необходимо уменьшать электромагнитной фон в помещении где расположен томограф, с целью увеличения его разрешающей способности и динамического диапазона. Мощные источники радиоизлучения часто являются частью технологического оборудования. Поэтому задача обеспечения электромагнитной совместимости является важной и актуальной.
Увеличение числа излучающих приборов, приёмопередающих систем на Земле и в околоземном пространстве привело к значительному росту уровня электромагнитного фона особенно в городской местности. В условиях сильной электромагнитной “загрязнённости”, сложно решить задачу настройки чувствительных устройств и систем. Для этого применяют экранированные камеры (ЭК) – «помещения способные разделить электромагнитную обстановку внутри и во вне», в том числе и (полу) безэховые экранированные камеры (ПБЭК, БЭК) [1-3]. Незаменимые при испытаниях на ЭМС БЭК является инструментом способным: в ограниченной области пространства снизить электромагнитный фон; обеспечить экранирование источников электромагнитного излучения от измерительной (испытательной) аппаратуры и персонала и уменьшить на них электромагнитное воздействие, обеспечить пространственную однородность электромагнитного поля. Экранированные камеры часто используют для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования, сохранности информации (или самого факта её существования) и средств её хранения (например, файловый сервер, вычислительный сервер и др.), противодействия средствам радиоэлектронной разведки, устройствам радиоборьбы и радиоподавления.
В годы рассвета радиоэлектронной промышленности в двадцатом веке на промышленных предприятиях создавались экранированные и безэховые камеры, которые со временем перестали использоваться по назначению. Наличие современных разнообразных экранирующих и радиопоглощающих материалов и комплектующих позволяет восстановить свойства этих БЭК. Уровень электромагнитного фона является важной характеристикой, которая определяет разрешающую способность измерительной аппаратуры для регистрации электромагнитных помех от их источника при испытаниях на электромагнитную совместимость. Чем ниже фоновые шумы, тем выше разрешающая способность измерительной аппаратуры. БЭК обеспечивает уменьшение уровня внешнего электромагнитного фона на величину до 100 дБ [1].
Основы экранирования электрического и магнитных полей
Работа экранированных камер основана на ряде фундаментальных механизмов взаимодействия электромагнитного поля и вещества. Рассмотрим некоторые из их.
Экранирование электрического поля. Принцип работы (ячейки Фарадея) экранирования электрического поля внутри камеры основан на компенсации внешнего поля внеш внутренним полем внутр (рис.2) возникающим в камере. При помещении электрически замкнутой камеры во внешнее электрическое поле свободные электроны движутся вдоль силовых линий напряжённости электрического поля к положительному потенциалу. Положительно заряженные ионы в материале камеры неподвижны. Разделение зарядов создаёт полевнутр направленное в противоположную сторону внешнему внеш и равной по величине. Суммарная напряжённость электрического поля при этом стремиться к нулю: .
Рис. 1 Экранирование электрического поля
Экранирование магнитного поля. Магнитное поле взаимодействует с движущимися зарядами (электрическим током) и магнитными материалами. Можно выделить два основные способа экранирования магнитного поля: механизм шунтирования магнитного поля экраном; 2) механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами.
Механизм шунтирования магнитного поля экраном применяется для защиты от постоянного и медленно изменяющего переменного магнитного поля. Экран изготавливаются из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницательностью µ >> 1 (сталь, пермаллой).
При наличии экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана.
Рис. 2 Экранирование магнитного поля методом шунтирования.
Отметим что, для обеспечения высокой эффективности шунтирования магнитного поля необходимо обеспечить низкое «сопротивление» магнитному полю (высокую магнитную проницаемость m) по всему объёму экранирующего материала. Это легко добиться, например, если стенки экранированных камер состоят их цельных листов. Если экранированная камера построена по сборно-разборной технологии, то необходимо чтобы в местах соединения сборных панелей обеспечить низкое магнитное сопротивление магнитному полю, т.е. не оставалось зазоров, а материал уплотнителя обладал, в том числе, высокой магнитной проницаемостью. Чем толще экран и чем меньше швов, стыков, тем экранирование эффективнее.
Механизм экранирования магнитного поля вихревыми токами работает на высоких частотах. Если на поверхность металлического экрана падает изменяющееся по времени магнитное поле с плотностью магнитного потока внеш в материале, согласно закону индукции Фарадея наводится вихревое электрическое поле, пропорционально скорости изменения плотности магнитного потока Если материал обладает проводимостью (σ > 0), то электрическое поле вызывает вихревой ток I определенной плотности в толщине материала. Этот ток, в свою очередь, является источником магнитного поля (с плотностью магнитного потока , которое направлено противоположно относительно возбуждающего поля = ̶̶внеш). Суперпозиция возбуждающего и индуцированного полей формирует суммарный магнитный поток в материале экрана и в экранированной области на противоположной от источника стороне.
Метод экранирования магнитного поля вихревыми токами работает только тогда, когда внешнее поле изменяется во времени. При этом он проявляется в любом материале, способном проводить электрический ток, но не обязательно должен обладать относительной магнитной проницаемостью больше единицы, т.е. быть ферромагнетиком.