В предыдущем параграфе мы рассматривали экран, далеко отодвинутый от источника поля и не влияющий на него. Это случай экранирования нашей аппаратуры от внешних радиопомех, излученных сильно удаленными источниками. Иными словами, экран у нас находился в дальней (волновой) зоне антенны источника помех и никак на нее не влиял. Только защищал собой то, что за ним или внутри него.
Но когда мы экранируем свои, небольшие в λ источники помех (аппаратуру или отдельные узлы), то картина кардинально меняется. Экран расположен близко к источнику помех. То есть в ближней, реактивной зоне излучателя, ориентировочный радиус которой λ/2π = 0,16λ. Поле, попадающее на экран, оказывается неравномерным и сильно зависящим от типа и конструкции экранируемого источника. Экран оказывает сильное влияние на излучатель, и на его общее поле.
Поэтому рассмотрение экранов, расстояние от которых до излучателя меньше радиуса ближней зоны (т.е. < 0,16λ) производится по-иному, чем описано в п. 4.3. Точный расчет в этом случае требует трудоемкого полного моделирования источника (чтобы узнать его форму и параметры ближней зоны) вместе с экраном.
Но существуют решения для источников в виде очень короткого электрического диполя и маленькой петли с током (магнитного диполя) окруженных шаровым экраном.
У этих решения много общего со случаем бесконечного плоского экрана в дальней зоне. Эффективность экрана считается по той же общей формуле 4.2:
Точно также вычисляется затухание волны при проходе сквозь стенку экрана A по формуле 4.5, а ухудшение экрана из-за дополнительных отражений M определяется графиком рис. 4.3.
Но есть и различие. Оно состоит в том, что отраженная от поверхности экрана волна R считается по-другому. Для случая электрического диполя:
(4.8)А для маленькой петли с током:
(4.9)где:
RE – эффективность отражения электрического поля от внутренней поверхности экрана в дБ;
RH – эффективность отражения магнитного поля от внутренней поверхности экрана в дБ;
σr – удельная проводимость относительно меди, см. табл 4.1 в п. 4.2;
μ – магнитная проницаемость;
F – частота, Гц;
d – толщина стенки экрана, м;
r – радиус экрана, м.
Формулы 4.8. и 4.9 содержат следующие ограничения:
С учетом всего вышесказанного получаем формулу расчета эффективности в дБ шарового экрана (без учета M) по электрическому полю:
(4.10)И то же самое, но по магнитному полю:
(4.11)где:
SEE – эффективность экрана по электрическому полю в дБ;
SEH – эффективность экрана по магнитному полю в дБ.
Эти сложные на вид формулы по сути просты. Их первая половина это эффективность отражения, зависящая от параметров материала экрана и его радиуса, т.е. просто переписанные формулы 4.8 и 4.9 (при расчетах не забывайте об ограничениях формулы 4.9). Вторая половина формул 4.10 и 4.11 – это уже хорошо известное нам затухание волны при проходе сквозь стенку экрана по формуле 4.5.
Если для экранирования магнитного поля используется материал с μ > 1, то к результату формулы 4.11 надо добавить величину, рассчитанную по формуле 4.1 (не забывая учитывать частотную зависимость μ). Смысл этого состоит в том, что формула 4.11 и 4.1 описывают разные физические явления. Формула 4.11 – эффективность экранирования за счет наведенных токов в проводнике экрана, а 4.1 – за счет сгущения магнитных силовых линий внешнего поля в ферромагнитном материале экрана.
На рис. 4.5 показана эффективность экранирования ближней зоны отдельно по электрической и магнитной составляющей. Материал экрана – медная фольга толщиной 0,3 мм. Рассчитаны два экрана: радиусом 10 см и 1 м. Также для сравнения на рис. 4.5 тонкой линией показана эффективность бесконечного плоского экрана из того же материала.
Из рис. 4.5. видно, что экранировать электрические помехи ближнего поля (например, искрящие контакты) совсем легко. SEE очень велико и растёт при уменьшении радиуса (т.е. внешних размеров) экрана.
А с ближним магнитным полем сложнее. Эффективность экранирования SEH снижается с уменьшением размеров проводящего экрана и быстро падает с уменьшением частоты. На низких частотах (примерно < 100 кГц) экранирование за счет индуцированных токов (т.е. медью или алюминием) становится малоэффективным.
SEE и SEH с увеличением радиуса экрана двигаются друг к другу. И при бесконечном радиусе точно ложатся на кривую для плоского экрана дальней зоны. Это понятно: бок шара бесконечного радиуса для наблюдателя выглядит как плоскость.
Выше примерно ~100 МГц суммарная эффективность любого реального экрана в основном определяется поглощением А в материале экрана. На этих частотах скин-слой металлов с μ = 1 становится таким тонким (единицы микрон), что в даже в стенках нескольких десятых мм затухание А превалирует над всем (и другими эффектами экранирования и над тем ближняя это зона или дальняя). Это видно в правой части рис 4.5: все кривые постепенно сходятся вместе.
А для материалов с μ >> 1 это происходит на более низких частотах. Так, для стали с её вдесятеро более тонким скин-слоем чем у меди, все кривые сходятся выше 10 МГц. Начало этого процесса видно в правой части рис 4.6, на котором изображена эффективность стального шарового экрана радиусом 10 см с толщиной стенки 0,3 мм.
Подведем итоги.
Таким образом, с точки зрения эффективности экранирования для частот выше нескольких десятков килогерц при равной толщине всегда лучше использовать сплошные стальные экраны.
Но ведь SE это не единственный параметр наших приборов. И об этом в следующем параграфе.