Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот

Электромагнитный режим работы кабельных экранов охватывает достаточно широкий диапазон частот: от 10'...10 до 10^R..10⁹ Гц. Расчет экранирующих характеристик электромагнитных экранов осуществляется по следующим формулам:

коэффициент экранирования

затухание экранирования

где S_П, S_О − коэффициенты экранирования соответственно поглощения и отражения; А_П, А_О -−затухание экранирования соответственно поглощения и отражения; k − коэффициент вихревых токов; t − толщина экрана; Z_Д − волновое сопротивление диэлектрика, равное для электрического поля , для магнитного поля ; r_Э −  радиус экрана; - волновое сопротивление металла.

Проанализируем формулы расчета характеристик экранирования.

Экранирование поглощения  − физически характеризует тепловые потери энергии мешающего поля на вихревые токи в экране. Чем выше частота и толщина экрана, тем лучше экранирование. При этом магнитные экраны (µ>> 1) имеют лучшее экранирование поглощения, чем немагнитные экраны (µ=1), так как в них более интенсивно действуют вихревые токи. Получается так, что с ростом частоты S_п уменьшается, а А_п возрастает, поэтому экранирование поглощения на высоких частотах более эффективно, чем на низких.

Экранирование отражения

связано с различием волновых сопротивлений диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран. Чем больше различие между Z_д и Z_м, тем лучше экранирование отражения. При экранировании электрического и магнитного полей имеется принципиальное различие, которое обусловлено различием частотных характеристик волнового сопротивления диэлектрика (рис. 6.10).

Анализируя частотные характеристики волновых сопротивлений, можно сделать заключение о том, что Z_м немагнитных экранов больше отличается от Z_д, чем магнитных. Следовательно, экраны из немагнитных металлов работают на отражение лучше, чем из магнитных. При этом с ростом частоты S₀ уменьшается, т. е. экранирование отражения улучшается.

Рисунок 6 10 − Частотные зависимости волновых сопротивлений металла и диэлектрика

На рисунке 6.11 представлена частотная зависимость затухания экранирования для электрического и магнитного полей.

Рисунок 6 11 − Частотные зависимости затухания экранирования для электрического и магнитного попей

Из этих графиков видно, что экранное затухание магнитного поля А_эН с ростом частоты увеличивается, а экранное затухание электрического поля А_эЕ вначале падает, а на частотах выше 10⁶... 10⁷ Гц начинает возрастать. При этом электрическое поле экранируется значительно лучше, чем магнитное, так как А_эЕ > А_эН Особенно это различие заметно в диапазоне низких частот. Следовательно, как и отмечается выше, в практике применения кабельных экранов как мер защиты от взаимных и внешних помех необходимо в первую очередь учитывать магнитное поле. Поэтому рассмотрим несколько подробнее характеристики экранирования магнитных и немагнитных экранов при экранировании магнитного поля. На графиках, представленных на рисунке 6.12, видны три характерные частотные области.

Рисунок 6.12 − Эффективность экранирования магнитных и немагнитных экранов при экранировании магнитного поля

В частотной области 1 (до 3... 10 кГц) магнитный экран имеет лучшие экранирующие свойства, чем немагнитный. Работает он в этой области в магнитостатическом режиме. В частотных областях 2 и 3 оба экрана работают в электромагнитном режиме. При этом в частотной области 2 (от 3... 10 кГц до 1 МГц) лучше экранирует магнитное поле немагнитный экран по причине лучшего отражения энергии (А₀>А_п), а в частотной области 3(выше 1 МГц) − магнитный экран по причине лучшего поглощения энергии (А_п>А₀).

Из проведенного анализа вытекает вывод о том, что лучший экранирующий эффект имеют конструкции экранов с немагнитными и магнитными слоями. Такие экраны находят применение в реальных конструкциях кабелей связи. Например, в кабеле МКСАБп на сердечник накладывают алюминиевую оболочку (немагнитный экран) и две стальные бронеленты (магнитный экран). Алюминиевая оболочка обеспечивает хорошее отражение, а стальные бронеленты, имеющие большую магнитную проницаемость, обеспечивают хорошее поглощение энергии мешающего электромагнитного поля. Оценив эффективность работы электромагнитных экранов в целом, отметим, что магнитное поле весьма хорошо экранируется на высоких частотах и существенно хуже в области низких частот.