Щиты электрические металлические

Концепции проектирования корпуса с радиочастотным экраном для инженеров-электриков

Концепции проектирования корпуса с радиочастотным экраном для инженеров-электриков

 Нажмите здесь, чтобы загрузить копию презентации.

Обзор:
Много раз в наши дни перед инженерами-электриками в силу крайней необходимости ставится задача проектирования механических деталей из листового металла, когда им нужно указать экранирующую оболочку. Некоторые готовые экранирующие решения доступны на рынке, но они часто бесполезны, когда плата уже спроектирована и изготовлена, или размер или другие ограничения производительности не позволяют использовать универсальный экран. В большинстве случаев индивидуальный щит можно изготовить быстрее и за меньшие деньги, чем готовый продукт. На этом вебинаре будут рассмотрены соображения по проектированию РЧ-защиты, правила проектирования из листового металла для корпусов РЧ-экрана, а также обсуждение того, как металл изгибается в конфигурациях с полной толщиной и наполовину протравленной линией изгиба.

Кто должен участвовать?
Инженеры, которые участвуют в спецификации или проектировании корпусов радиочастотного экрана из листового металла или хотят лучше понять, как изгибается листовой металл.

Докладчик: Джейми Хаутон
Джейми Хаутон вырос в Англии и учился на рисовальщика, когда еще пользовались карандашами и писали так; он был морским кадетом и эмигрировал в США в возрасте 16 лет с общей суммой в 66 долларов. Джейми работает в индустрии фототравления (и в Fotofab в том или ином качестве) с 19 лет.87. Его наняли для разработки фотоинструментов, и через две недели он стал руководителем отдела инструментов. Джейми неоднократно продвигался по службе, несмотря на все его попытки найти работу в другом месте, и как только эта реальность воплотилась в жизнь, он бросил колледж (Колумбийский колледж, Чикаго – Программа написания художественной литературы), чтобы возглавить рост Fotofab из управляемой основателем мастерской по трудоустройству в профессиональную компанию. управляемый, мировой лидер в области быстрой доставки прецизионных металлических деталей. Джейми работал и руководил всеми операционными позициями в Fotofab; он хорошо разбирается в производстве деталей из листового металла и процессе фототравления. В 2000 году Джейми Хоутон и Дэн Брумлик возглавили выкуп компании Fotofabrication Corporation у ее основателей. Джейми руководил компанией в качестве президента до 2011 года, когда он перешел на должность технического директора. С 2000 года партнерская группа выросла до четырех партнеров и четырех производственных компаний под нашим управлением – все производство исключительно в США. Мы стремимся помочь развитию производства в США, чтобы нашим внукам было где работать. Джейми (и Fotofab) были показаны в 32-м эпизоде ​​14-го сезона сериала «Modern Marvels — Acid», который впервые был показан на канале History в 1919 году.93.

Ниже приведены вопросы, заданные спикеру участниками во время вебинара, а также ответы на каждый из них.

Выберите каждый вопрос, чтобы просмотреть соответствующий ответ.

Каково допустимое отношение диаметра круглого отверстия к длине волны РЧ?
Ответ: Я не знаю ответа на этот вопрос. Я предполагаю, что ответ имеет другие переменные, которые повлияют на результат, но я не участвовал в тестировании EMC.

Предоставляет ли Fotofab направляющие пружины, и есть ли идея сжать их вместе, чтобы открыть крышку?
Ответ: Да, Fotofab поставляет пружинные выводы, концепция заключается в том, что они обеспечивают метод фрикционной посадки для крепления экрана к доске путем вставки пружинных пальцев в сквозные отверстия на доске.

Вы не обсуждали частоту. Как это влияет на покрытие?
Ответ: Нет, не делал, это не было в центре внимания вебинара, и я никоим образом не являюсь экспертом в этом. Я не верю, что гальваническое покрытие вообще сильно влияет на экранирование, за исключением, как я уже сказал, коррозионной стойкости и способности к пайке.

Можете ли вы обсудить дополнительную плату за добавление отверстий, выступов или номеров деталей — какие-либо функции, добавленные в ваш процесс?
Ответ: Fotofab производит детали с помощью нескольких различных производственных процессов. Для фототравление нет доплаты за дополнительные возможности. Для штамповки металла добавление функций увеличивает стоимость.

Джейми, какой самый дешевый материал используется для защиты? И самый распространенный материал, используемый для экранирования?
Ответ: Мы, вероятно, чаще видим луженую латунь и нейзильбер, чем другие материалы. Они недороги и легко доступны в широком диапазоне толщин.

Введение в практическое электромагнитное экранирование

Экранированные корпуса обычно окружают электрические схемы изделия со всех сторон. Особое внимание уделяется тому, чтобы все отверстия были маленькими и каждый шов был герметизирован. С другой стороны, нередко можно найти экраны, которые не окружают весь продукт. Часто экран частично закрывает только несколько цепей. Эти экраны могут быть пронизаны нефильтрованными проводами и иногда состоят из одной металлической пластины, которая может быть соединена или не соединена с землей.

Почему отверстия и швы так важны в одних приложениях и совершенно не важны в других? Ответ связан с тем, что существуют разные виды экранирования для разных приложений. Экраны корпусов или компонентов удобно разделить на 3 категории: экраны от электрического поля, экраны от магнитного поля и экранированные корпуса. Наилучшая стратегия экранирования в любом конкретном приложении зависит от ряда факторов, включая электрические характеристики экранируемой цепи или системы, физические ограничения (например, размер, вес и доступность) и стоимость.

Экраны электрического поля

Идеально проводящая оболочка, которая полностью окружает заданный объем, предотвращает электрическое соединение чего-либо внутри этого объема с чем-либо вне этого объема. Этот тип корпуса называется клеткой Фарадея. Электрические поля, генерируемые внутри объема, заканчиваются либо объектами внутри ограждения, либо внутренней поверхностью стенки ограждения, как показано на рис. 1(а). Свободный заряд на корпусе перемещается по мере необходимости, чтобы точно отменить поля внутри или снаружи корпуса.

Корпуса с неидеальной проводимостью по-прежнему являются хорошими клетками Фарадея, если заряды могут перераспределяться достаточно быстро, чтобы нейтрализовать внутренние поля. Большинство металлических корпусов без значительных швов или отверстий обеспечивают превосходное экранирование электрического поля в широком диапазоне частот.

Рис. 1. Связь/экранирование электрического поля.

Без экрана, показанного на рис. 1(a), силовые линии могут заканчиваться на других проводниках, что приводит к возникновению разности потенциалов между этими проводниками, как показано на рис. 1(b). Однако частичный экран [рис. 2(а)] или даже простой металлической пластины [рис. 2(b)] может существенно уменьшить эти потенциалы, изменив путь силовых линий электрического поля и предотвратив попадание более сильных силовых линий в цепь-жертву.

Рис. 2. Частичные экраны электрического поля.

Ключевыми понятиями практического экранирования электрического поля являются выбор места, которое будет перехватывать более сильные силовые линии, и выбор подходящего проводящего материала экрана. Насколько проводящим должен быть материал? Это зависит от частоты или временной скорости изменения полей. Пока заряды могут двигаться достаточно свободно, чтобы переориентироваться так же быстро, как изменяется поле, будет достигнута компенсация внешних полей.

Для статических электрических полей почти любой материал будет выглядеть как проводник, поскольку свободный заряд может медленно перемещаться. Однако для высокочастотных электрических полей проводимость материала экрана должна быть достаточно высокой, чтобы позволить заряду быстро перемещаться вперед и назад.

Пересечение линий электрического поля проводящим экраном в первую очередь заключается в визуализации силовых линий, которые потенциально ответственны за нежелательную связь, и в размещении экрана таким образом, чтобы он блокировал эти поля. Несколько примеров представлены на рис. 3.

Рис. 3. Примеры экранирования электрического поля.

На рис. 3(a) показана защитная дорожка, используемая для уменьшения связи между двумя параллельными дорожками на печатной плате. На рис. 3(b) показано, как заземление радиатора ослабляет электрическое поле между радиатором и плоскостью заземления печатной платы. На рис. 3(с) показано, как ориентация дочерней карты влияет на связь шума шины питания с компонентами на материнской плате. Обратите внимание, что силовые линии, оканчивающиеся на проводнике, означают, что в этой точке индуцируется отрицательный заряд. В местах выхода силовых линий из проводника имеется положительный заряд. Если поле изменяется во времени, на поверхности проводника будет ток, поскольку эти заряды движутся вперед и назад.

Экраны магнитного поля

Поскольку свободные магнитные заряды отсутствуют, линии магнитного потока на экране невозможно завершить. Однако можно перенаправить линии магнитного потока, чтобы предотвратить нежелательную связь. Этого можно достичь с помощью электрических токов, индуцированных в электропроводящем экране, или путем изменения пути линий магнитного потока с использованием проницаемых (μ _r >>1) материалов.

Рис. 4. Экранирование магнитного поля с хорошими проводниками.

Рассмотрим конфигурацию, показанную на рис. 4(а). Вертикальное магнитное поле от электродвигателя соединяется с небольшой печатной платой, что приводит к помехам. На рис. 4(b) показана та же конфигурация с алюминиевой пластиной под схемой. Если мы определим любую замкнутую цепь на поверхности пластины, через которую проходит падающее магнитное поле, закон Фарадея говорит нам, что на поверхности должно существовать электрическое поле, такое что

∮E⋅dl=∂Φ∂t (1)

, где правая часть этого уравнения представляет собой скорость изменения во времени полного магнитного потока, связывающего контур. Однако любое электрическое поле на поверхности хорошего проводника вызовет протекание тока в этом проводнике. Эти токи будут генерировать собственный магнитный поток, противодействующий падающему потоку. В идеальном проводнике поток, создаваемый этими токами, полностью компенсировал бы падающий поток, в результате чего обе части (1) были бы равны нулю (т. Е. Отсутствие потока, проникающего в проводник, и отсутствие тангенциального электрического поля на поверхности).

Токи, индуцируемые в проводящем материале изменяющимся во времени магнитным полем, называются вихревыми токами . И падающее поле, и магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, показаны на рис. 4(б). Сумма обоих полей показана на рис. 4(c). Обратите внимание, что вихревые токи вызывают отклонение магнитного потока вокруг пластины и значительно уменьшают связь с цепью.

Чтобы отклонить магнитное поле с помощью проводящей пластины, важно иметь возможность создавать устойчивые вихревые токи. Поскольку вихревые токи вызываются изменяющимися во времени полями, токопроводящая пластина не может отклонять статическое магнитное поле. Даже если поле медленно меняется, потери в проводящей пластине приведут к рассеиванию вихревых токов, что позволит магнитному потоку проникнуть через пластину. По этой причине проводящие материалы обычно плохо защищают от магнитных полей на низких частотах (например, ниже нескольких сотен кГц). Проводящие магнитные экраны также неэффективны, если в них есть щели или зазоры, которые прерывают поток вихревых токов.

На частотах кГц или ниже обычно необходимо использовать проницаемые (магнитные) материалы (μ _r >>1) для отклонения магнитных полей. Поскольку эти материалы обладают гораздо меньшим сопротивлением, чем воздух, линии магнитного поля можно эффективно изменить, обеспечив альтернативный путь через проницаемый материал, такой как сталь или мю-металл. На рис. 5 показано, как можно использовать экран из проницаемого материала для защиты цепи в предыдущем примере.

Рис. 5. Экранирование магнитного поля магнитными материалами.

Обратите внимание, что для экрана из магнитного материала важно отводить магнитный поток вокруг экранируемого объекта. Пластина из магнитного материала над или под печатной платой вообще не обеспечивает экранирования.

Экранированные корпуса

На высоких частотах токи, наведенные на экран, могут излучаться так же, как (или, возможно, намного лучше) первоначальный источник полей. Это возможно, когда максимальный размер экрана составляет значительную долю длины волны или больше. На этих частотах, как правило, необходимо полностью закрыть источник, уделяя особое внимание любым отверстиям, швам или кабельным вводам, которые могут привести к утечке электромагнитной энергии.

Идеальный экранированный корпус с бесконечной проводимостью и без разрывов идеально изолирует (электромагнитно) все, что находится внутри корпуса, от того, что снаружи. Даже корпус с конечной, но высокой проводимостью (например, из меди, алюминия или стали) обеспечил бы по существу идеальную изоляцию в большинстве практических приложений, если бы не было швов, отверстий или кабельных вводов.

К сожалению, такой корпус не очень удобен для электронных устройств, так как невозможно электрическое взаимодействие с тем, что находится внутри. Поэтому лучшее, что мы можем сделать, — это начать с идеального корпуса и тщательно оценить каждый шов, каждое отверстие и каждый ввод кабеля, чтобы гарантировать, что никакие значительные мешающие сигналы не пройдут с одной стороны на другую.

Отверстия

Отверстия — это отверстия в экранированном корпусе, необходимые для вентиляции, оптических дисплеев, пластиковых компонентов или механических опор. Чтобы корпус обеспечивал экранирование, токи должны иметь возможность беспрепятственно протекать по поверхности. К счастью, апертуры с максимальными размерами, которые намного меньше длины волны, обеспечивают очень небольшое сопротивление протеканию тока по проводящей поверхности. По этой причине, если необходимо обеспечить определенную открытую площадь (например, для потока воздуха), гораздо лучше сделать это с большим количеством маленьких отверстий, чем с несколькими большими отверстиями.

На рис. 6 показан путь токов, обтекающих две вентиляционные решетки. Обратите внимание, как сетка на рис. 6(а) прерывает поток тока гораздо сильнее, чем сетка на рис. 6(б). С точки зрения электромагнитного экранирования сетка на рис. 6(b) намного лучше, даже несмотря на то, что общая открытая площадь обоих рисунков одинакова. Обратите внимание, что экранирующий корпус может быть очень эффективным, даже если он имеет значительную открытую площадь, если каждая отдельная апертура намного меньше длины волны.

Как правило, количество энергии, выходящей из корпуса через небольшие отверстия, незначительно по сравнению с энергией, выходящей через швы, большие отверстия и проходы проводов. Однако, если корпус хорошо герметизирован и необходимо дополнительно уменьшить энергию, уходящую через отверстия, то можно предусмотреть отверстия достаточной глубины для дальнейшего ослабления излучаемых излучений. Расширение отверстия дальше внутрь корпуса создает небольшой волновод. Для апертур с малым поперечным сечением частоты источников внутри ограждения, вероятно, будут значительно ниже частоты среза волновода. Информация о проектировании апертур, которые должны быть волноводами ниже отсечки, представлена ​​в следующем разделе.

Рис. 6. Две схемы отверстий в экранированном корпусе.

Швы

Швы существуют везде, где соединяются две части корпуса. Швы часто являются более значительным источником утечек, чем отверстия, из-за их большей длины. Шов длиной порядка половины длины волны может быть очень эффективным источником излучения, подобно резонансному полуволновому диполю. Можно заставить неэффективные антенны (например, электрически маленькую проволочную или рамочную антенну) излучать гораздо эффективнее, заключив их в металлический корпус с резонансной щелью или швом.

Шов, который визуально кажется хорошо герметизированным, может часто нарушать поток поверхностных токов, вызывая серьезное нарушение в защитной оболочке. Например, две металлические поверхности, просто прижатые друг к другу, как показано на рис. 7(а) или рис. 7(б), редко обеспечивают достаточно надежный контакт на высоких частотах. Поверхностное окисление, коррозия и коробление металлических пластин снижают качество электрического контакта. Винты или заклепки [Рис. 7(c)] могут обеспечить хороший электрический контакт в точках, но они не обязательно улучшают соединение в местах между крепежными элементами. Один из методов снижения импеданса швов заключается в перекрытии обеих сторон пластин, как показано на рис. 7(d). Другим распространенным решением является использование пальцевого штока или прокладок, как показано на рис. 7(е) и 7(е).

Рис. 7. Швы в экранированных корпусах.

Кабельные вводы

Для подачи питания и/или связи с электроникой в ​​экранированном корпусе часто необходимо использовать провода, проходящие через стенку корпуса. Один неэкранированный, нефильтрованный провод, проходящий через экранированный корпус, может полностью свести на нет все преимущества экранирования, которые в противном случае обеспечивал корпус. Как показано на рис. 8, любая разница между напряжением на проводе и напряжением на корпусе приводит в движение пару провод/корпус подобно дипольной антенне. Поскольку и провода, и корпус обычно являются одними из самых крупных металлических объектов в системе, пара провод/корпус часто является очень эффективной антенной на относительно низких частотах.

По этой причине очень важно убедиться, что любые провода, проходящие через корпус, либо:

    a.) хорошо экранированы, либо

    b.)  имеют тот же потенциал, что и корпус, на всех частотах, которые могут быть проблема радиации.

>

Рис. 8. Тросовый привод относительно экранированного корпуса.

Чтобы экран на экранированном проводе был эффективным, он должен иметь низкоиндуктивное соединение с экранированным корпусом. Как правило, это достигается за счет использования экранированного разъема, который обеспечивает 360-градусный контакт «металл-металл» как с экраном кабеля, так и с корпусом, как показано на рис. 9.(а).

Рис. 9. Соединение экрана кабеля с корпусом.

Соединение косички , как показано на рис. 9(b), будет иметь значительную индуктивность. В результате любой ток, протекающий по экрану, вызовет падение напряжения на пигтейле, который перемещает экран кабеля относительно корпуса, вызывая излучаемые помехи.

Если провода, проходящие через экранированный корпус, не экранированы, их необходимо фильтровать. Фильтрация минимизирует напряжение между проводом и корпусом на частотах излучения, позволяя низкочастотным сигналам или мощности проходить без ослабления. Обычно необходимо располагать фильтр как можно ближе к разъему, чтобы свести к минимуму индуктивность соединений и предотвратить возможность помех от фильтруемого провода до того, как он выйдет из корпуса. Примеры расположения фильтров показаны на рис. 10.

Рис. 10. Возможные конфигурации кабель-фильтр.

Затухание за счет волноводов ниже отсечки

Иногда необходимо иметь большое количество отверстий в экране для вентиляции. В больших корпусах с очень строгими требованиями к экранированию и теплу может возникнуть необходимость в дальнейшем уменьшении количества энергии, которая может выйти через любое заданное отверстие. Этого можно добиться, увеличив глубину апертуры так, чтобы она напоминала небольшой волновод. На частотах, где размеры поперечного сечения апертуры малы по сравнению с половиной длины волны, энергия, распространяющаяся через апертуру, будет ослабляться так же, как ослабляется энергия, распространяющаяся по волноводу ниже частоты среза.

Энергия не будет распространяться в волноводе на частотах ниже частоты среза. Вместо этого поля затухают экспоненциально. Простая приблизительная формула для величины ослабления, обеспечиваемого отверстием с глубиной d и максимальной высотой или шириной a : где f — частота поля и f _c — частота среза открытия. Частота среза приблизительно равна частоте, при которой максимальная высота или ширина, a , равна половине длины волны.

Вывод с использованием прямоугольного волновода

Для прямоугольного волновода высотой b , шириной a и длиной d мода распространения с наименьшей частотой среза является модой TE ₁₀ .

Рис. 11. Геометрия прямоугольного волновода.

Постоянная распространения для моды TE ₁₀ определяется выражением,

β=(2πλ)2−(πa)2 (3)

На частотах, где член под радикалом отрицателен, постоянная распространения является мнимой и поля не распространяются. Это происходит, когда λ> 2a . Таким образом, длина волны отсечки для моды TE ₁₀ составляет λ _c  = 2a. Частота среза составляет

fc=vλc=v2a (4)

, где v — скорость распространения в диэлектрике волновода (3x10 ⁸ м/с в воздухе).

Ниже частоты отсечки величина поля в волноводе затухает экспоненциально,

E(z)=Eo e−|β|z (5)

Полное затухание поля, распространяющегося на расстояние, d , выраженное в дБ, равно

затухание в дБ = 20 log10 e−| β|d = 8,7 |β|d (6)

или, объединяя уравнения (3), (4) и (6),

затухание в дБ ≈ 27  da  1−(ffc)2 (7)

Вывод с использованием круглого волновода

Для круглого волновода с диаметром a и длиной d , как показано на рис. 12, режим распространения с самой низкой частотой среза — TE ₁₁ режим.

Рис. 12. Геометрия круглого волновода.

Постоянная распространения определяется выражением 11 мода есть,

kc=3.682a. (9)

Приравняв член под радикалом в уравнении (8) к нулю, частота среза будет равна диэлектрик (3x10 ⁸ м/с в воздухе).

Ниже частоты отсечки величина поля в волноводе затухает экспоненциально,

E(z)=Eo e−|β|z. (11)

Полное затухание поля, распространяющегося на расстояние, d , выраженное в дБ, тогда равно

или, комбинируя уравнения (8), (10) и (12),

затухание в дБ ≈ 32  da  1−(ffc)2. (13)

Допущения и примечания

Обратите внимание, что производные, основанные как на прямоугольных, так и на круглых волноводах, имеют константу впереди, которая находится в пределах 3 дБ от 30. Другие виды распространения дают другие константы, но преобладают моды более низкого порядка, поэтому разумно использовать значение 30.

Обратите внимание, что выражение приближается к 0 дБ, когда толщина d отверстия приближается к 0. Однако даже тонкие апертуры будут давать некоторое затухание, если их поперечное сечение мало по сравнению с длиной волны. Приближенное выражение в уравнении (2) не очень точное, если только д >> а .

Эта модель не учитывает, как поле было создано на одном конце отверстия или насколько эффективно оно излучается с другого конца. Следовательно, сам по себе он не может использоваться для определения эффективности экранирования какого-либо конкретного щита. Ослабление, рассчитанное в (2), следует добавить к эффективности экранирования, которая была бы получена при той же конфигурации апертуры в тонком экране.

Обратите внимание, что если в отверстие проникает провод или второй проводник любого типа, модой распространения низшего порядка является мода ТЕМ. Поля любой частоты могут проникать в отверстие в режиме ПЭМ, поэтому нет смысла использовать толстую апертуру, если в апертуру проникает провод.

Learn more

• Демонтаж кондиционера своими руками
• Удаление известкового налета с нержавейки
• Кирпич для внутренних стен
• Хризантема серафима
• Фитоспорин применение
• Привить грушу
• Подколонник фундамента это
• Двусторонний шкаф перегородка
• Лист профнастила размеры
• Дымоход газового котла в частном доме
• Люминесцентная и флуоресцентная краска отличия