本文地址经典屏蔽理论背后的基本概念基于Schelkunoff方程[1]。为了评估这些方程的适用性,了解它们的起源,假设在派生,及其局限性,是必要的。本教程文章地址每一个点。目标不是显示派生而来解释过程导致最后Schelkunoff方程基本公认的屏蔽理论。这些方程的有效性进行评估的磁场和电场测量的近场源。结果表明,在近场与磁场测量结果Schelkunoff的方程。在近场电测量,但是,没有。相反,电场的测量结果的近场源坚持远场波理论的发展。合理的解释这个事实是屏蔽理论开发了点源的假设下,这不是实际的来源和近场测量。
介绍
屏蔽理论是基于三个基本概念:
- 电磁波的反射和透射两个媒体的界限,
- 电和磁偶极子天线的辐射场,
- 电磁波的波阻抗。
第一个概念导致远场的分析公式金属屏蔽的屏蔽效能的反射损失,R,和吸收损失,作为频率的函数,f [2], [3]:
(1.1)
(1.1 b)
在哪里t代表盾英寸的厚度,μr,σr,是相对渗透率(对自由空间)和相对电导率(对铜),分别。这些公式对电场屏蔽、磁场屏蔽,通常被称为电磁场(波)屏蔽。
当结合基本偶极子天线和波阻抗的概念,导致远场公式的表达式近场屏蔽效能。
近场的吸收损失是由相同的公式在远场,即。Eq。(1.1)。反射损失的公式的电场和磁场的来源是不同的来源。在近场,电场的反射损失来源,Re磁场源,R米是指定的
(1.2)
(1.2 b)
本教程介绍Schelkunoff推导的方程和测试他们对近场测量的有效性。本文组织如下。第一节回顾了电磁波的反射和透射两个媒体之间的界限。金属屏蔽的效果在第二部分讨论了波传播。电和磁偶极子的辐射场在第3节描述。远场和近场屏蔽公式给出了在第五节和第六节,分别。在第七节测量的设置。8节中分析和仿真结果与近场测量。
第一节——电磁波的反射和透射边界
考虑均匀平面波的垂直入射在两个媒体之间的边界,见图1.1。每个媒介所描述的三本构参数:μ-渗透率,ε-介电常数,σ-电导率(注:这是真实的量)。假设每个简单即媒介。、线性、均匀和各向同性)。
图1.1:均匀波的反射和透射边界
当入射波遇到两个媒体之间的边界(xy平面),创建一个反射波和透射波。施加电场和磁场的边界条件在接口导致这些波的振幅有关的公式。这些振幅有关的复杂内在各介质的阻抗。固有阻抗相关介质的本构参数,并由(注:上面的“帽子”一个变量代表一个复杂的数量),[3]:
(1.3)
(1.3 b)
反射波的振幅与入射波振幅[4]:
(1.4)
在哪里边界的反射系数,并给出Ѓ
(1.4 b)
透射波的振幅与入射波振幅
(1.5)
在哪里在边界透射系数,并给出Ѓ
(1.5 b)
现在,考虑金属盾的远场源;盾牌两侧厚度t和包围了空气(自由空间),见图1.2。
所描述的空间区域相位常数,b0和内在的阻抗,h0,由
(1.6)
(1.6 b)
图1.2:电磁波侵犯一个盾牌
盾是所描述的传播常数,g,固有阻抗,h,给出的
(1.7)
(1.7 b)
抵达盾牌,均匀平面波(E我,H我)部分反映,(ErHr)和部分传输,(E1H1),通过盾牌。事件的部分领域,反映在盾接口将被描述由反射损失(3节),R。
波的部分穿过盾牌表面是减毒穿过盾牌将描述(3节)吸收损失,透射波,(E1H1),右边的边界时,将部分反映,(E2H2)和部分传输,(EtHt通过屏蔽)。
反射波(E2H2通过盾),传播向第一界面,从正确的事件。再一次,这波传播通过左边的部分界面和部分反映和传播。这一过程持续进行,但额外的反射和传输波逐渐减弱。内波的一部分,经历了多次反射盾将描述(5节)多次反射损失,M。
部分2 -电场和磁场传输通过保护边界
非常有益的分析了电场和磁场的屏蔽效应在左和右边界。这一节所示的结果通常在以下假设:厚盾,制成的良导体,位于源的远场。远场假设转化为E场撞击到盾是垂直于盾牌。因此,它是合理的,认为应该适用于近场远场结果,只要撞击E场垂直于盾牌。可想而知,因此,假定一些来自实际电场线源(非点源)确实是垂直于表面的来源,因此垂直于近场的盾牌。因此,在某种程度上,远场结果应该适用于近场。确实是这样,我们将显示在测量部分。
自由的空间区域两侧的盾有指定的固有阻抗Eq。(1.6 b)和盾牌的固有阻抗Eq。(1.7 b)。良导体的假设结果在接下来的不平等
(2.1)
这个不等式有着非常重要和揭示影响大小传播领域的保护边界。首先让我们看看电场。在左边界透射系数[3]
(2.2)
因此,电场在第一个边界透射系数非常小。这意味着很少的电场传播通过第一个边界;也就是说,几乎所有入射电场的反映。
这是一个非常重要的观察!这一事实的结果是,(只要盾是良导体)金属盾将几乎完全反映了撞击电场,不管屏蔽厚度。我们将确认这个观察测量部分。
现在,让我们看看磁场传播。在左边边界透射系数
(2.3)
因此,在第一个边界传播磁场双打。这,是一个非常重要的观察。它的后果是,我们需要厚盾磁场减弱,从而屏蔽厚度很重要。我们将确认这个观察测量部分。
第三节-电、磁偶极子天线的辐射场
电动或赫兹偶极子,图3.1所示,被建模为长度很短的当前元素l,带着一个恒流我0。当前元素定位面向对称坐标系统的起源和沿z轴。
图3.1:电气(赫兹)偶极子天线
电偶极子辐射总字段由[3],[4]:
(3.1)(3.1 b) (3.1 c)
图3.2所示,磁偶极子是建模为一个很小的半径一个循环,带着一个恒流我0。循环定位在xy平面的对称中心坐标系统的起源。
图3.2:磁偶极子天线
磁偶极子辐射场是由[3]:
(3.2)(3.2 b) (3.2 c)
有趣的是场表达式之间的二元性的偶极子天线。我们将使用上述表达式的总辐射领域在下一节中,当引入波阻抗的概念。
在许多实际应用中,常常是有用的专注于近场和远场辐射场(而不是总辐射的领域)。在近场
(3.3)
在远场,相反的不平等
(3.3 b)
之间的边界是当远近字段
(3.4)
或
(3.5)
我们将在下一节中引用这一重要结果(图4.1)。利用不等式方程(3.3)的总电和磁偶极子的辐射场导致以下的观察。
近场的电偶极子字段的大小主要影响
(3.5)
在近场磁偶极子的大小是由镜子表达式
(3.5 b)
在远场,电子和磁偶极子
(3.6)
第四部分——波阻抗
波阻抗的概念,结合辐射场的表达式在前面的小节中,导致了屏蔽效能公式。
电偶极子波阻抗定义为
(4.1)
在那里,E问和Hf由方程式给出。(3.1)和(3.1),分别。定义的磁偶极子波阻抗是双重表达
(4.1 b)
通过方程式,Ef和总部。(3.2)和(3.2 c),分别。
利用方程式。在方程式(3.1)和(3.2)。(4.1)会导致以下为波阻抗表达式。我们的电偶极子
(4.2)
而对于我们获得的磁偶极子
(4.2 b)
当情商的表达式。在距离(4.2)进行评估
(4.3)
结果为波阻抗的大小的电场和磁场是[3],[4]
(4.4)
这就是为什么这些类型的天线的远场开始在远处r =l0。
代入方程式。(3.1 c)和(3.1)为情商。(4.1)和评估它的近场电偶极子给出了波阻抗大小
(4.5)
我们将使用这一重要结果在下一节讨论近场时屏蔽。请注意,在不久的字段,b0r≪1,电偶极子波阻抗的大小远远大于固有阻抗的自由空间,也就是说,
(4.6)
这就是为什么,电偶极子通常被称为一个高阻抗源。代入方程式。(3.2)和(3.2 c)为情商。(4.1 b)和评估它的近场磁偶极子给出了波阻抗大小
(4.7)
这项重要的结果将在下一节中使用。请注意,在不久的字段,b0r≪1,磁偶极子波阻抗的大小远小于固有阻抗的自由空间,也就是说,
(4.8)
这就是为什么,磁偶极子通常被称为一个低阻抗的来源。本节的结果往往是著名的摘要所示,图4.1所示。
图4.1:波阻抗作为源的距离的函数
第五节——远场屏蔽
盾的有效性,SE,可以被视为transmitted-field振幅与入射场振幅的比值。这个比例是通过施加电场和磁场的边界条件在左和右边界的盾牌。如果一个盾牌的厚度远远大于皮肤深度,δ,在入射波的频率,这个比例是,[3]
(5.1)
用分贝表示,屏蔽效能的大小,SEdB,成为
(5.2)
或者,简洁,反射,吸收,和多次反射损失:
(5.3)
是非常重要的指出,这个解决方案获得了均匀平面波的假设下,即当盾牌的远场源。在远场,电场和磁场的大小有关的常数,磁场的屏蔽效能是一模一样的一个电场(与近场屏蔽的情况下)。情商所示的结果。(5.2)的前提下极大地简化了厚盾由良导体。多次反射损失可以忽略和反射和吸收损失,[3]
(5.4)
(5.4 b)
因此,一个合理的,远场近似的屏蔽效能厚,良导体
(5.5)
反射和吸收损失由方程式。(5.4)。情商的反射损失。可以等价表示为(5.4),[2]
(5.6)
评价情商的对数。(5.4 b)和表达在英寸,厚度可以等价表示为吸收损失
(5.7)
第六节——近场屏蔽
电场和磁场源的区别让我们使用前一节的结果和远场屏蔽得到近场屏蔽的近似公式。
召回Eq。(5.4),重复,在远场的反射损失
(6.1)
近场电源的反射损失得到波阻抗从情商。(4.5)为自由空间的固有阻抗Eq (6.1)。结果是[2],[3]
(6.2)
近场磁场源的反射损失得到波阻抗从情商。(4.7)为自由空间的固有阻抗Eq (6.1)。结果是
(6.3)
近场的吸收损失是由相同的表达式,在远场,也就是说,
(6.4)
或
(6.4 b)
与屏蔽厚度t中指定英寸。在远场一样,总的屏蔽效能在近场反射和吸收损失的总和
(6.5)
第七节-近场屏蔽测量设置
来验证理论结果在近场我们使用两种不同的电路作为电场和磁场源和使用四个不同的坚实的盾牌,表7.1所示。
(表7.1)
磁场源是一个9 v - 5 v降压smp操作125 kHz的频率测量取自100千赫至20 MHz近场磁探测器。设置和测量电路的框图见图7.1。
图7.1:磁源电路- a)测量设置中,b)框图
电场是由一个简单的1 MHz晶体振荡器。水晶是一个5 v逻辑电平信号输出到一个300欧姆的电阻。从1兆赫到900兆赫测量近场电探针。设置和测量电路的框图见图7.2。
图7.2:电源电路- a)测量设置中,b)框图
数为每个来源:测量基线没有盾,和清洁工的每个四个不同的保护配置。
在这两种测量设置,盾是5毫米的距离从源。确定这个距离可以被认为是对应于近场,情商的表现。(3.3)检查如下。
(7.1)
在近场,훽훽훽1,或
(7.2)
如果我们假设两个数量级在上面的不平等的关系,然后我们有
(7.3)
从情商。(7.4)我们可以确定最高频率的物理距离5毫米的对应点非常近场。
(7.4)
这个结果意味着到100 MHz的频率是合理的假设盾牌的近场源。
部分8 -近场屏蔽模拟和测量结果
磷青铜- 8毫升与厚15毫升
磁场屏蔽的仿真结果(基于方程式。(6.3 - 6.5)的反射损失,吸收和总损失图8.1所示。
图8.1:磷青铜- 8 vs.15千:吸收、反射、磁场和总损失
的反射损失是相同的盾牌,但厚盾吸收损失更大。因此,15-mil厚盾的总屏蔽效能大于8-mil厚的盾牌。两个盾牌的磁场测量结果显示在图8.2
图8.2:8毫升与15 mil磷青铜-测量磁场
增加屏蔽材料的厚度从8到15毫升的屏蔽效能提供了一个额外的7 dB的基本操作频率以及5 - 7 dB 2之间的屏蔽效能nd和10th谐波。测量结果符合理论公式和模拟的预测结果。由Adamczyk也获得了类似的调查结果,提出了在[4]。
接下来,让我们看一下对电场屏蔽效能。情商所指定的反射损失。(6.2);的吸收损失是一样的磁场和指定,由(6.4)式。模拟结果对电场屏蔽反射损失,吸收和总损失图8.3所示。
图8.3:磷青铜- 8 vs.15千:吸收、反射、电场和总损失
的反射损失是相同的两个盾牌,但厚盾吸收损失更大。因此,总的屏蔽效能的电场,15-mil厚盾大于8-mil厚的盾牌。
两个盾牌的电场测量结果显示在图8.4。
图8.4:磷青铜- 8 vs.15千:测量电场
从原始测量很难区分,让我们看看他们的信封,图8.5所示
图8.5:磷青铜- 8 vs.15千:测量电场的信封
很明显,两个盾牌一个戏剧性的对电场屏蔽和类似的效果。虽然理论公式预测性能的显著差异,特别是在高频率,测量结果没有显示出这一点。(注:这两个宽带峰值,大约18 MHz, 53 MHz是由于环境噪声出现在实验室在进行测量)。
这种差异可以解释通过应用理论讨论了在第二节为遥远的领域,开发理想的场景。记得,当盾牌在远场,或者说,侵犯平面波,电场大大反映,不管盾的厚度和材料(只要是良导体)。
我们的盾牌在近场,所以为什么远场的结果可能应用吗?答案是,近场的结果是无限小的假设下(点)源,和实际的物理源排放绝对不是小。因此,不难想象,一些的电场线是垂直于盾牌,因此远场理论(碰撞领域是正常的盾牌)是适用的。
我们将观察电场测量的非常相似的结果对于所有其他盾牌本文中讨论。
磷铜-镍银-碳钢-所有8密耳厚
模拟结果的总磁损耗,每图8.6所示。
图8.6:不同8 mil盾牌-模拟总磁屏蔽效能
碳钢盾明显优于其他两个盾牌,而磷青铜略优于镍银。测量结果显示在图8.7。
请注意,测量结果与预测模拟的结果相一致。碳钢优于其他两个盾牌,磷青铜优于镍银。碳钢盾提供25 dB的屏蔽效能(与基线)的基本操作的频率以及32-36 dB 2nd到10th谐波测量。这是由于材料的高吸收损失成为可能的相对磁导率为100。
图8.7:不同8 mil盾牌-测量磁场
磷青铜的相对渗透率是一样镍银。相对电导率的磷青铜,然而较高的镍银。因此,反射损失和磷的吸收损失古铜色化妆品较高。测量结果证实了这些结论。
镍银盾只提供了5 dB屏蔽效能的基本和14-22 dB 2nd和10th谐波。
接下来,让我们看一下对电场屏蔽效能。仿真结果为每个盾牌的全损图8.8所示。
图8.8:不同8 mil盾牌-模拟总电屏蔽效能
三个8-mil盾牌的电场测量结果显示在图8.9。
图8.9:不同8 mil盾牌-测量电场
再次,额外的洞察结果得到的信封测量时,图8.10所示。
图8.10:不同8 mil盾牌-测量总电屏蔽效能
所有盾牌一个戏剧性的和类似的影响对电场屏蔽。虽然理论公式预测性能显著差异,特别是在高频率,测量结果没有显示这个。这种行为可以解释以同样的方式正如前面提出的8 - 15密耳厚的磷青铜盾牌。
结论
本文提出了基于Schelkunoff屏蔽的基础理论的方程。这些方程的有效性评估通过执行磁场和电场测量的近场源。结果表明,磁场测量的结果与Schelkunoff方程;然而,电测量没有。
电场的测量结果的近场源坚持远场波理论的发展。这个事实是假设一个合理的解释:屏蔽理论开发了点源的假设下,这对实际并非如此的近场测量。
引用
[1]s . a . Schelkunoff电磁波,Van Nostrand, 1943。
[2]亨利·w·奥特电磁兼容工程,威利,2009年。
[3]克莱顿·r·保罗,介绍电磁兼容性,威利,2006年。
[4]Bogdan Adamczyk,基金会与实际应用的电磁兼容性,威利,2017年。