Экранирование приемника от магнитных полей

 

Лучший способ защиты приемника от магнитных полей – уменьшение площади его контура. Площадь, представляющая интерес в этом плане, – это общая площадь, охваченная током, проходящим в приемной цепи. Важен тот факт, что контур берется по току, возвращающемуся к источнику. Очень часто ток возвращается по цепи, которая охватывает меньшую площадь, и поэтому экран обеспечивает некоторую защиту от магнитных полей. Эта защита, однако, обусловлена уменьшением площади контура, а не магнитными свойствами экрана.

Рис. 13 иллюстрирует влияние экрана на площадь контура цепи. На рис. 13, а источник U_г соединен с нагрузкой R_н одним проводом, а возвратную цепь образует шасси заземления. Площадь, охватываемая током, – это прямоугольник между проводником и шасси заземления. На рис. 13, б проводник помещен в экран, заземленный с обоих концов. Если большая часть тока возвращается по экрану, а не по шасси, площадь контура уменьшается и тем самым до некоторой степени обеспечивается магнитная защита. Как указывалось выше, это происходит в том случае, если частота превышает частоту среза экрана более чем в пять раз. Заключение проводника в экран и заземление последнего только с конца (рис. 13в) не изменяет площади контура и тем самым не обеспечивает магнитной защиты.

Включение, показанное на рис. 13б, не защищает от магнитных полей на частотах ниже частоты среза экрана, поскольку в этом случае большая часть тока возвращается по шасси, а не по экрану. Эту схему не следует применять на низких частотах по следующим причинам. Во–первых, экран – один из проводников цепи, и любой ток помех, протекающий по нему, создает здесь падение напряжения IR, которое схема воспринимает как напряжение помех. Во-вторых, если между двумя точками заземления экрана окажется разность потенциалов, имеющихся на шине земли, она также проявит себя в цепи как напряжение помех.

При заземлении обоих концов цепи всегда возможна лишь ограниченная защита от магнитного поля, поскольку в контуре заземления наводится большой ток помех. Так как этот ток течет через сигнальный проводник, на экране возникает напряжение помех, равное току через экран, умноженному на сопротивление последнего (рис. 14). Если просуммировать напряжения по всему входному контуру, получим следующее выражение:

U_вх = -jωM I_э + jωL_э I_э +R_э I_э,

Поскольку, как показано выше, M = L_э, то U_вх = R_э I_э.

В любом случае, когда по экрану проходит ток, на нем возникает напряжение помех, равное R_э I_э

Рис. 13. Влияние экрана на площадь контура цепи–приемника: а – при отсутствии экрана площадь контура велика; б – заземление экрана с обеих сторон уменьшает S контура;

в – заземление экрана с одной стороны не уменьшает S контура

 

Даже если экран заземляется, на одном конце через него все же могут протекать токи помех из-за емкостной связи с экраном. Таким образом, для получения максимальной защиты на низких частотах экран не должен служить одним из сигнальных проводников, и один конец цепи необходимо изолировать от земли.

Степень экранирования между двумя цепями можно выразить через коэффициент, который определяется как отношение наведенного напряжения в схеме (приемнике) при отсутствии экрана к наведенному напряжению после введения последнего:

(17)

 

 

Рис. 14. Влияние тока помех, протекающего в экране коаксиального кабеля: а – физическое представление; б – эквивалентная схема

 

1.5 Сравнение коаксиального кабеля и экранированной витой пары

 

При таком сравнении важно уяснить полезность обоих типов кабеля, а не стать сторонником точки зрения, при которой их экранирующие характеристики не учитываются. Как можно видеть на рис. 15, экранированная витая пара очень полезна на частотах до 100 кГц и в некоторых случаях – до 10 МГц. На частотах выше 1 МГц потери в ней значительно возрастают.

В то же время коаксиальный кабель имеет более равномерное волновое сопротивление при малых потерях. Поэтому его применяют от нулевой (постоянный ток) до очень высоких частот (в некоторых случаях вплоть до СВЧ). На частотах выше нескольких сот мегагерц потери в коаксиальном кабеле становятся велики, и здесь более целесообразно применять волноводы. Экранированная витая пара обладает большей емкостью, чем коаксиальный кабель, и поэтому она не так хорошо подходит для высоких частот и схем с высоким импедансом.

 

 

Рис. 15. Диапазоны рабочих частот для различных линий передачи

 

Коаксиальный кабель с заземленным на одном конце экраном обеспечивает хорошую защиту от емкостных наводок. Но если по экрану течет ток помех, на нем наводится напряжение помех, равное произведению этого тока на сопротивление экрана. Поскольку экран является частью сигнальной цепи, это напряжение помех оказывается включенным последовательно с входным сигналом. Помехи, создаваемые на сопротивлении экрана, можно исключить, применяя кабель с двойным экранированием (триаксиальный), в котором между двумя экранами имеется изоляция. Ток помех течет здесь по внешнему, а сигнальный – по внутреннему экрану, т.е. эти токи не имеют общей цепи.

К сожалению, триаксиальные кабели дороги и неудобны в использовании. На высоких частотах коаксиальный кабель работает так же, как и триаксиальный, что обусловлено скин-эффектом. У типичного экранированного кабеля этот эффект становится заметным на частоте около 1 МГц. При этом ток помех течет по внешней поверхности экрана, тогда как сигнальный ток проходит по его внутренней поверхности. По этим причинам коаксиальный кабель лучше применять на высоких

частотах.

Экранированная витая пара имеет свойства, аналогичные триаксиальному кабелю. Она дешевле кабеля и удобнее в использовании. Сигнальный ток в ней проходит по двум внутренним проводникам, а любой ток помех течет по экрану. Связь через общее сопротивление исключается. Кроме того, любой ток, проходящий по экрану, наводит через взаимную индуктивность в обоих внутренних проводниках равные напряжения, взаимно уничтожающие друг друга.

Неэкранированная витая пара, если она не сбалансирована, очень слабо защищает от емкостных наводок, но очень хорошо – от магнитных. Экранированная витая пара обеспечивает наилучшее экранирование низкочастотных сигналов, при работе с которыми основной проблемой являются магнитные наводки. Эффективность витой пары возрастает при увеличении числа витков на единицу длины.

 

1.6 Экраны в виде оплетки

 

Большинство кабелей имеет экран в виде оплетки, а не сплошного проводника. Оплетка гибка, прочна на разрыв и допускает многократные перегибы. Однако она перекрывает лишь 60–90 % требуемой площади и как экран менее эффективна, чем сплошной проводник. Наличие отверстий в оплетке обычно слабо влияет на экранирование электрических полей (исключая СВЧ–диапазон), но сильно ухудшает экранирование магнитных полей. Это объясняется тем, что оплетка нарушает однородность распределения тока в экране. По защите от магнитных полей она обычно на 5–30 дБ менее эффективна, чем сплошной экран.

На высоких частотах эффективность оплетки еще более ухудшается. Это происходит потому, что с ростом частоты длина волны становится меньше размеров отверстий в оплетке. Многослойное экранирование дает большую защиту, однако при этом растет стоимость и уменьшается гибкость кабеля. В некоторых критических случаях применяют двойные и даже тройные экраны. С недавнего времени стали выпускаться кабели со сплошным экраном из алюминиевой фольги. Последние обеспечивают почти стопроцентное покрытие и более эффективное экранирование. Однако эти кабели не столь прочны, как оплетка, и имеют обычно более высокую частоту среза экрана из-за более высокого экранного сопротивления.

Проводимое выше рассмотрение магнитного экранирования основывалось на однородности распределения продольного тока в экране по его окружности. Например, сплошные экраны, выполненные из алюминиевой фольги, дают наиболее равномерное распределение экранного тока, обеспечивая тем самым на частотах выше частоты среза экрана наилучшее магнитное экранирование. Плетеные экраны значительно хуже в отношении магнитного экранирования, так как ток в них распределяется менее однородно, чем в сплошном экране. Оплетка может иметь покрытие (обычно из оловянно­свинцового припоя или из серебра), и ток в такой оплетке будет распределен более равномерно из-за лучшего контакта между проводниками. В плетеных экранах без покрытия проводники окисляются и электрический контакт между ними обычно плохой.

Эффективность магнитного экранирования вблизи концов кабеля зависит от способа подключения экрана. Подключение «косичкой» приводит к тому, что экранный ток концентрируется на определенной части поверхности экрана. Для максимальной защиты экран следует подключать равномерно по всей плоскости его поперечного сечения. Это можно сделать, используя специальные коаксиальные разъёмы. Такой разъём обеспечивает электрический контакт с экраном по всей окружности. Коаксиальное подключение создает, кроме того, полное перекрытие внутреннего проводника, сохраняя полноту экранирования от электрических полей.

 

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

2.1. Описание лабораторной установки

 

На рис. 16 показана схема установки для исследования индуктивной связи, а на рис. 17 и 18 – все возможные варианты передачи полезного сигнала от источника к приемнику с помощью кабеля. Установка содержит генератор (Г) сигнала помехи, катушку индуктивности L, линию связи в виде витой пары в экране и осциллограф (О). На схемах резистор 100 Ом имитирует выходное сопротивление источника сигнала, а резистор 1 МОм – входное сопротивление приемника. L представляет собой несколько витков провода, имитирующего источник помехи. С помощью перемычек, резисторов 100 Ом и 1 МОм и имеющихся в схеме восьми гнезд можно собрать все варианты соединений, изображенные на рис. 17 и 18.

Степень магнитной связи между проводниками оценивается по уровню наведенных помех U_n на резисторе 1 МОм, измеряемому с помощью осциллографа.

 

Рис. 16. Схема установки для исследования индуктивной связи

 

2.2. Лабораторное задание

 

1. Изучить методические указания.

2. Включить лабораторную установку для исследования индуктивной связи (рис. 16).

3. Измерить уровни наведенных помех для всех' вариантов цепей, показанных на рис. 17, 18. Рассчитать по формуле (19) коэффициенты экранирования для исследуемых вариантов цепей.

4. По результатам измерений и расчетов сделать выводы об эффективности различных вариантов экранирования.

 

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Цель работы.

2. Схема лабораторной установки для исследования индуктивной связи, схемы исследуемых цепей.

3. Таблица результатов измерений и расчетов.

4. Выводы.

 

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Поясните суть магнитной связи между проводниками.

2. Укажите различия в связи между проводниками через электрические и магнитные поля.

3. Поясните частотную характеристику напряжения помех, наводимых в коаксиальном кабеле током экрана на центральный проводник.

4. Как предотвратить излучения магнитных полей?

5. Как защитить приемник от магнитных полей?

6. Прокомментируйте результаты измерений.

 

Рис. 17. Варианты подключения кабеля при заземлении его с обеих сторон

 

Рис. 18. Варианты подключения кабеля при заземлении его с одной стороны

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Седельников, Ю. Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектрон­ных средств: учеб. пособие / Ю. Е. Седельников. – Казань: ЗАО «Новое знание», 2006. – 304 с.

2. Отт, Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах /

Г. Отт: пер. с англ.; под ред. М. В. Гальперина. – М.: Мир, 1979. – 317 с.

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: