Экранирование

Экранирование, в электротехнике и радиотехнике, способы устранения взаимных влияний между отдельными схемами или между отдельными цепями или их элементами путем заключения отдельных схем или цепей или их элементов в металлич. оболочку, называемую э к-ранирующей оболочкой, или экраном. Э. применяется для обеспечения действия отдельных цепей или их элементов при взаимной независимости происходящих в них процессов. Э. позволяет ограничить действие электрич. и магнитных полей, создаваемых отдельными цепями (и их элементами) и обусловливающих паразитные связи между этими цепями (или элементами их), пространством, находящимся по преимуществу внутри экрана; при этом Э. является наиболее радикальным и наиболее принципиально простым и технически реализуемым средством для этих целей. Способы Э. различны в зависимости от назначения экранов и требований, предъявляемых к ним; общие же принципы Э. при этом остаются одними и теми же. Прежде всего способы Э. меняются в зависимости от характера экранируемых полей; они различны: 1) при Э. постоянных полей—электростатич., магнитостатич.— и 2) при Э. переменных полей. В зависимости от характера поля должны изменяться следующие свойства экранов: 1) форма самого экрана и его расположение относительно экранируемых объектов, 2) толщина стенок экрана и 3) металл, из которого должен быть осуществлен экран для получения оптимального эффекта.

Э. постоянных полей. При Э. некоторого пространства от электростатич. поля экран м. б. выполнен в виде металлич. решетки (клетка Фарадея), при этом род металла играет незначительную роль. Если объект, создающий электростатич. поле, помещается внутри этой клетки, то для улучшения действия экранирования последняя заземляется. Э. постоянного магнитного поля осуществляется применением совершенно замкнутых экранов, выполненных из магнитных материалов, причем Э. тем лучше, чем больше магнитная проницаемость металла, из которого выполнен экран, и чем толще его стенки. Для избежания потерь в экранированных объектах от присутствия экрана материал последнего должен обладать высоким сопротивлением для токов Фуко. Этому требованию удовлетворяют в полной мере высокие сорта трансформаторного железа, например пермалой. Рационально применение нескольких экранов, расположенных один в другом.

Э. электромагнитного поля. В большинстве случаев практики Э. электромагнитных полей встречается необходимость в Э. катушек или контуров, несущих токи высокой частоты, которые создают в окружающем пространстве поле рассеивания. Э. в этом случае осуществляется или в виде металлич. пластинок, располагаемых между экранируемыми катушками, или в виде металлич. цилиндров, в которые помещаются экранируемые катушки. Э. в обоих случаях обусловливается вихревыми шоками (смотрите), развивающимися в экранирую-

щем металле и создающими противодействующие поля, причем Э. тем лучше, чем меньше уд. сопротивление металла экрана. Экран действует здесь как вторичная обмотка трансформатора, нагруженная очень малым сопротивлением (сопротивление экрана), и в этом смысле ме-таллич. пластинка м. б. заменена короткозамкнутым витком или короткозамкнутой катушкой. За степень экранирующего действия при Э. катушек принимают обычно выражение:

АМ _ М-М _1ΛΛΟ/

4 8 12 16 20 24 28 32 SI ~ТГ--М * ^1UU /о»

где М — коэф. вза-Фигура 1. имной индукции ме жду экранируемыми катушками при отсутствии экранов, а М— то же при экране. Для короткозамкнутой катушки эта величина

АМ _Ί о>2

TT=*-lf>

где к—коэф. связи (к=причем ин-

дексы 1 и 2 обозначают экранируемые катушки, а индекс э—экранирующую катушку), L₃ и /^j3 самоиндукция и полное сопротивление экранирующей катушки. Для выявления роли сопротивления экранов на фигуре 1 показана за-

висимость ~ от R_э при L_{1 =} 0,776, L₂=0,73

и L_B=0,75 m 11. Измерения сделаны при частоте 1 kHz.

При применении в качестве экрана металлич. пластин или цилиндров в общем имеет место та же самая картина. Но понятно, что в определении основных свойств экранов решающую роль играет уд. сопротивление металла, из которого сделан экран. На фигуре 2 показана зависимость величины от ρ (уд. сопротивления металла), снятая для 2 частот: кривая 1 для 2 000 Hz и кривая 2 для 8 000 Hz. Так же, как и при короткозамкнутых катушках, степень Э. зависит от частоты, увеличиваясь при увеличении частоты. Однако при увеличении частоты свыше 1 500 kHz наступает предел экранного действия благодаря резкому увеличению влияния скин-эффекта (смотрите) материала экрана при этих^частотах на сопротивление экрана. С другой стороны, при очень низких частотах металлы даже с очень малой величиной уд. сопротивления также не обеспечивают удовлетворительного Э. При низких частотах лучшее Э. обеспечивают металлы с большой магнитной проницаемостью. Кривые фигура 3 дают представление об экранном действии различных металлов в зависимости от частоты. За степень Э. на фигуре 3 принято отношение In ~^а,

где Н_а —магнитное поле во внешнем пространстве, Я_г —магнитное поле внутри экрана. Кривые даны для следующих металлов: 1—для меди (ρ=0,017 2, μ=ί), 2—для железа

(ρ=0,1 2, μ 20) и 3—для железа с высокой проницаемостью (ρ=0,067, μ=2 000).

Все экраны,рассматриваемые на фигуре 3,—шарообразной формы при радиусе шара 10 сантиметров и толщине его стенок 1 миллиметров. Для получения хорошего Э. на низких частотах чрезвычайно важным обстоятельством кроме того является герметич. замкнутость экранируемого пространства,— самое незначительное отверстие в экране может значительно понизить экранирующее действие всего экрана в целом.

Форма экранирующихчехлов. При применении замкнутых экранов самая форма экранирующих чехлов играет маловажную роль. В самом деле теория показывает, что экранирующее действие цилиндра бесконечной длины больше только на 33% экрана, выполненного в виде полого шара, если выразить экранирующее действие отношением 1п|^ при условии,

-Ή г что радиусы цилиндра и шара и толщина металла равны. При формах, применяемых на

практике, это отличие экранирующего действия экранов различных форм практически уже совершенно ничтожно.

Толщина стенок экранов. При правильно выбранных металле для экрана и форме экрана, удовлетворяющей условиям расположения экранируемых объектов (катушек), основным моментом, подлежащим определению, является толщина стенок экрана. Необходимая толщина стенок экрана для получения желаемой степени Э. может быть найдена по графику, приведенному на фигуре 4; для этого по величине желаемого Э., то есть In, для заданного радиуса экранирующего чехла R

(или расстояния от экранирующей пластины при пластинчатом Э.) и для заданной часто-

е и ]/ημί

ты находят по величине — у соответствующую кривую и, проектируя найденную на этой кривой точку на ось абсцисс, находят величину из которой уже легко определяется желаемая толщина d стенок экрана.

Реакция экранов на экранируемые объекты. При Э. электромагнитных полей кроме внешнего эффекта — уменьшения поля во внешнем относительно экранируемого объекта пространстве — экраны вызывают «внутренний» эффект, заключающийся в том,

что поле, создаваемое токами, индуктируемыми в металле экрана, уменьшает поле, создаваемое экранируемыми катушками, не только во внешнем пространстве, но и внутри, в полости катушки, что сказывается в конечном итоге на уменьшении самоиндукции катушек, а также благодаря поглощению энергии в экране—на увеличении действующего сопротивления катушек. В этом отношении экран м. б. представлен как вторичная обмотка трансформатора, работающая на очень низкое сопротивление нагрузки, эквивалентные сопротивление R₉ и самоиндукция Ь_э контура м. б. определены тогда из следующих выражений:

^: Li — Ь₂

ω%Μ²

‘ Rl + <o*L*

где R_lf L_±—соответственно активное сопротивление и коэф. самоиндукции контура без экрана, R ₂, Ь₂—активное сопротивление и коэф^ самоиндукции экрана и М—коэф. взаимной индукции между контуром и экраном. Оба эти эффекта конечно неразрывно между собой связаны и при практич. осуществлении экранов должен быть учтены и согласованы. В самом деле Э. получилось бы максимальным, если бы экран возможно теснее окружал катушку, так как в этом случае поля, создаваемые во внешнем пространстве экраном и катушкой, полностью соответствуют друг другу. Однако тесно окружающий катушку экран не удовлетворителен по причине значительного внутреннего эффекта, оказываемого в этом случае экраном на катушку. Наилучшим решением вопроса является получение желаемой степени Э. при минимальной реакции экрана на катушку. При цилин-дрич. экранах, широко используемых в практике строения радиоаппаратуры, для выполнения этого условия диам. сечения катушек должен составлять 0,3-уО ,5 диаметра поперечного сечения экранирующего цилиндра. Для цилиндрических экранов изменение самоиндукции, обусловливаемое реакцией экрана, определяется из следующей ф-лы:

5^=1 -²/,7с

L о ³ Уп где V_s—объём катушки, V_h—объём экрана, к=⁼ 4 ^°» ^где ^—длина катушки в см, п—число витков, Р—среднее поперечное сечение катушки, В-)—самоиндукция катушки в присутствии экрана. Сопротивление, вносимое экраном, определится из выражений

™*fr- Vs (при Р>0

Л, =9,5 · 10^т

Л,=4,8.10-».Щ (при р < 1);

здесь ρ—уд. сопротивление Ω и d—толщина стенки. Все размеры в см; р—величина, характеризующая вихревые токи в экране,

р=2· кпаУ 1-

Э. в измерительных приборах. В измерительных приборах для токов высокой частоты Э. выполняет также и другую роль—оно обеспечивает независимость действия электрич. элементов схемы от местоположения элементов и всего аппарата относительно земли и других тел. На фигуре 5, а, б, в даны способы Э. двух величин наиболее характерных измерительных схем, состоящих из комбинации полных сопротивлений (двух полных сопротивлений, включенных последовательно), и на фигуре 5, г—Э. а 6 6

»-фуч ААо-|=АЛЛЛЛ-< O-^WWo—jwvVo

Фигура 5.

резонансного мостика. Принципы Э. измерительных схем, показанные здесь, с одинаковым успехом применимы для всех частот. Опыт показывает, что до самых высоких частот, при которых делались точные измерения, методы

Э., применяемые для средних частот, не требуют никаких корректив при увеличении частоты.

Заземление экранов. Экраны, применяемые для Э. электромагнитных переменных полей в аппаратуре, для отчетливого действия их как электростатич. экранов (то есть экранов, защищающих отдельные элементы схемы от электрич. полей, создаваемых соседними элементами или проводниками) обычно заземляются. При высоких частотах в виду распределенного характера потенциала на экране заземление экранов и присоединение к ним отдельных заземляемых участков схемы совершаются в одной точке. Последнее особенно существенно в гетеродинах коротких волн для ликвидации излучения от них, в генераторах, применяемых в компараторах (смотрите) для измерения электрического поля коротких волн, и других приборах, предназначаемых для аналогичных целей.

Лит.: Никитин Н.,0 влиянии металлич. экранов на период и энергию колебательного контура, «ТиТбП», 1919, декабрь; Моркрофт Дж. и Тернер А., Экранирование электрич. и магнитных полей, пер. с англ., «Радиосборник секции радиоспециалистов ОДР», ч. 2—3, М 1930; Шаров В., Радиотехнич. измерения и расчеты, стр. 12, Л., 1932; Григорьева А., Об испытании экранирующих материалов, «Труды научно-иссле-доват. ин-та связи», М., 1933, сб. 11; Л и ст о в В., Курс многочастотной проводной связи, стр. 105—123, М.—Л., 1932; Smit h-R о s e R., On the Electromagnetic Screening of a TriodeOscillator, «Proc.of the Phys. Soc.»,L., 1922, у 34; Watt R., Herd J., Note on Electromagnetic Screening, «Wireless World», L., 1923, y. 11; Barfield R., Some Experiments on the Screening of Radio Receiving Apparatus, «Journ. of the Institute of the Electrical Engineers», L., 1924, y. 62; M о г e с г о f t J. a. Turner A., Shielding of Electric a. Magnetic Fields, «Proc. of the Institute of Radio Engineers», N. Y., 1925, v. 13; Smith-Rose, How to Obtain Effective Screening, «Wireless World», L., 1925, v. 17; Dreyer J., Manso n R., Shielded Neutrodyne Receiver, «Proc. of the Institute of Radio Engineers», N. Y., 1926, v. 14; Wilmotte R., A Oeneral Theorem on Screened Impedances», «Phil. Mag.», L., 1928, v. 6; Ardenne M., Verstarkermesstechnik, p. 203, B., 1929; К a d e η H., Die Schirmwirkung metal-lischer Hullen gegen magnetische Wechselfelder, «Jahr-buch d. drahtlosen Telegraphie», B., 1932, B. 32, H. 3; Hillers N., Die Abschirmung des magnetischen Feldes von Zylinderspulen, «Telefunken Zeitung», B., 1932, 62; Smit h-R о s e R., Effective Screening, «Wireless World», L., 1930, v. 27; Ollendorf F., Die Riickwirkung Flachenhafter Leiter auf das magnetische Feld von Spulen, «Elektrische Nachrichten-Technik», 1929, B. 6, H. 12; Clemons D., The Shielding Problem, «QST», P., 1926, t. 10,«?;Manson R., The Shielding Efficiency of Metals, ibid., 1928, t. 15, 2; Ferguson J., Shielding in High Frequency Measurements, «Bell System Technical Journal», N. Y., 1929; King L., Electromagnetic Shielding at Radio Frequencies, «Phil. Mag.», L., 1933, v. 15, 97; L у ο n s W., Experiments of Electromagnetic Shielding at Frequencies between One and Thirty Kilocycles, «Proc. of the Institute of Radio Engineers», N. Y., 19 33, v. 21, 4;

S с г о g g i 1 M., Screening—Effective and Ineffective, «Wireless World», L., 1933, v. 32, 15; К a d e η H., Die Riickwirkung metallischer Spulenkapseln auf verluste Induk-tivitat und Aussenfeld einer Spule, «Elektrische Nachrichten-Technik», B., 1933, B. 10, H. 7. Куксенко.