От чего зависит эффективность экранирования

Эффективность экранирования

Ниже рассматривается эффективность экранирования тонких металлических листов в ближнем и дальнем полях. Эту эффективность определяют двумя способами. Один из этих способов базируется на соотношениях теории цепей, другой – на соотношениях теории поля. При первом подходе рассматриваются поля помех, наводящие в экранах токи, которые в свою очередь создают дополнительные поля, стремящиеся нейтрализовать первоначальные поля в определенных областях пространства. Пример такого взаимодействия показан на рис.5. Мы будем использовать более фундаментальным подходом теории поля.

Эффективность экранирования можно определить как создаваемое экраном уменьшение напряженностей магнитного и (или) электрического полей. Эффективность экранирования удобно выражать в децибелах (дБ), что позволяет суммировать коэффициенты экранирования для различного рода эффектов или экранов, ослабляющих поля, для получения общего коэффициента экранирования.

Э ффективность экранирования зависит от следующих факторов: частоты, конфигурации экрана, положения внутри экрана точки, в которой производится измерение, вида ослабляемого поля, направления его распространения и поляризации.

Далее рассматривается экранирование, обеспечиваемое плоским листом проводящего материала. На примере этой простой конфигурации будут получены общие концепции экранирования и выявлены характеристики материала экрана, от которых зависит эффективность экранирования. При этом не учитываются эффекты, определяемые геометрической формой экрана. Результаты вычислений для плоского листа полезны для оценки относительной экранирующей способности различных материалов.

Для электромагнитной волны, падающей на металлическую поверхность, существуют два вида потерь:

волна частично отражается от поверхности;

преломленная (неотраженная) волна по мере распространения в среде ослабляется.

Последнее явление, называемое потерями на поглощение, одинаково для ближнего и дальнего электрического и магнитного полей.

В отличие от потерь на поглощение, потери на отражение зависят от вида поля и полного волнового сопротивления среды.

Общая эффективность экранирования материала, выражаемая в децибеллах, равна сумме коэффициента потерь на поглощение K_погл, коэффициента потерь на отражение K_отр и коэффициента К_{м отр}, учитывающего многократное отражение в тонких экранах

Все члены уравнения (1) должны быть выражены в децибелах. При K_погл>10 дБ коэффициентом K_{м отр} можно пренебречь. С точки зрения практики коэффициент K_м.отр можно не учитывать также при определении экранирования электрических полей и плоских волн.

Полное характеристическое сопротивление и сопротивление экрана

Полное характеристическое сопротивление среды определяется следующим выражением: .(1). Для диэлектриков (<<j) выражение для полного характеристического сопротивления приобретает вид (2). В вакууме Z₀ равно 377 Ом.

В случае проводников (>>j) полное характеристическое сопротивление называется сопротивлением экрана Z_Э и определяется как

Для меди на частоте f=1кГц |Z_Э| =1,1610 -5 Ом. Подстановка в уравнение (3) численных значений постоянных дает следующие результаты: для меди

Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование – способ снижения интенсивности электромагнитных волн до заданного уровня с помощью специального материалов, оборудования и технологических решений. Снижение интенсивности поля необходимо для защиты людей или техники от влияния электромагнитного излучения либо для предотвращения нежелательной утечки информации, которая может переноситься электромагнитным излучением.

Экранирование обеспечивается созданием специальных экранов, от которых излучение может отражаться, в которых оно может поглощаться или рассеиваться, либо комбинацией этих способов. Экраны образуют замкнутые объемы, которые охватывают или объект защиты от излучения, либо объект, излучение от которого должно быть подавлено. Кроме того, необходимы специальные решения для ввода в электромагнитный экран или вывода наружу различных линий инженерных или информационных коммуникаций.

Экранирование от ЭМИ – защита людей, техники, информации

Во всех странах законодательно задается допустимый уровень излучения, которому может подвергаться человек без опасения за его здоровье. Применение экранов позволяет снизить потенциально опасные для здоровья уровни излучения до безопасных.

Под воздействием интенсивных полей наблюдаются сбои в работе электроники. Помехи, создаваемые мощными полями, могут вывести из строя интегральные микросхемы и полупроводниковые элементы.

Становится возможным несанкционированный доступ к конфиденциальной информации. Интенсивное излучение позволяет задействовать специальные дистанционные устройства, считывающие данные в процессе работы компьютера. Непроизвольным передатчиком секретной информации может стать любой электронный гаджет, например, смартфон.

Преграду электромагнитному полю создает экран с высокой магнитной или электрической проводимостью, оборудованный вокруг защищаемого пространства или полости. В требуемых случаях экранируют источник излучения, чтобы предотвратить его распространение.

Правильно оборудованный защитный экран позволяет:

• ограничить негативное воздействие на электронные и радиотехнические устройства;
• организовать безопасное рабочее место для обслуживающего персонала;
• исключить несанкционированное проникновение к конфиденциальной информации.

Прежде чем использовать тот или иной метод защиты экранированием, необходимо обследование объекта специалистами для создания проекта.

В ряде случаев необходимо исследовать объект с помощью специального оборудования.

В процессе исследования анализируются частотные параметры ЭМИ, измеряется его уровень в разных точках. Поручив эту процедуру специалистам «НТЦ Фарадей», заказчик получает инструментально точные результаты и квалифицированные рекомендации по организации эффективного экранирования.

От чего зависит эффективность экранирования

Уровень экранирования определяется показателем коэффициента экранирования. Коэффициент экранирования – отношение величин интенсивности электромагнитного поля до экрана и за экраном.

На эффективность действия экрана в совокупности влияют несколько факторов:

• частотный диапазон электромагнитных полей;
• степень электропроводимости используемых материалов;
• показатель магнитной проницаемости материалов;
• габариты и расположение экрана.

нирования для каждого конкретного объекта.

Зависимость экранирования от частотного диапазона

Экранирование полей высокочастотного диапазона основано на отражении и поглощении электромагнитной волны при переходе из одной среды в другую. Электромагнитная волна, взаимодействуя с экраном, частично отражается его поверхностью, частично поглощается материалом экрана. Эти процессы приводят к потере энергии, ослаблению и затуханию волны.

При экранировании низкочастотных полей (так называемые магнитные поля) используют свойства так называемых магнитомягких материалов.

Для экранирования высокочастотных полей основное требование – высокая электропроводность материала экрана и отсутствие отверстий, щелей, плохого контакта элементов экрана. Даже небольшое отверстие при короткой длине волны превращается в так называемую щелевую антенну, в итоге пропускающую излучение через экран.

Элементы и сырье для экранирования

В производстве защитных экранов используются разнообразные материалы. Средством экранирования могут служить листовая медь, алюминий, сталь или фольга, а также современные специализированные ткани и сетки. Чем выше удельная проводимость материала экрана, тем эффективнее экранирование. Конкретное значение защитных способностей экрана зависит от конфигурации и объема помещения, площади оконных и дверных проемов, материала стен.

Для электромагнитного экранирования входящих/выходящих коммуникационных линий от помех извне и паразитных токов в систему интегрируются специальные фильтры.

Сырьем для изготовления экранирующих конструкций и приспособлений служат:

• стальные и медные пластины — для сооружения корпусов, камер, внутренней облицовки помещений;
• тонкая фольга из мягкомагнитных сплавов – защита аппаратуры;
• металлические ленты и оплетки – экранирование кабелей;
• металлизированные шланги – защита кабельных жгутов;
• металлические соты – для организации экранов с воздухопроницаемыми свойствами;
• тонкая проволочная сетка – экранирование оконных проемов.

Надежное и качественное экранирование помещений и оборудования невозможно обеспечить без тщательного уплотнения оконных и дверных проемов, строительных стыков, всевозможных щелей и отверстий. В этих целях используются специальные материалы, которые в достаточной степени обладают такими качествами, как:

• проводимость;
• формуемость;
• устойчивость к ЭМП разной интенсивности;
• низкий уровень контактного сопротивления.

Данным требованиям соответствуют уплотнители, выполненные на основе силиконового каучука. Используются в экранах виде трубок, пластинок, кольцевидных шнуров.

Электромагнитная безопасность от «НТЦ Фарадей»

Создание условий для электромагнитной безопасности помещений, особенно в отношении защиты информации необходимо предусматривать на стадии проектных разработок. Технологии и материалы, используемые компанией «НТЦ Фарадей», позволяют выполнять качественное электромагнитное экранирование, как на стадии возведения объекта, так и уже существующих помещений, которые изначально не предназначались под специальное использование.

Специалисты компании разработают и реализуют уникальный проект экранов любой сложности по заказу и техзаданию заказчика:

• цельносварные камеры и сборно-разборные камеры с требуемыми заказчику размерами;
• экранирующие ворота и двери;
• экраны-фильтры для оптоволокна;
• специализированные стекла для отдельного наблюдения;
• защитные материалы по линии ЭМС;
• электрические фильтры (силовые и сигнальные);
• вентиляционные фильтры.

Выполняется тестирование и постоянная техническая поддержка в процессе эксплуатации защитных систем электромагнитного экранирования.

Экранирование электромагнитных полей

Для предотвращения утечки информации по радиоэлектрон­ным техническим каналам утечки информации, вызванных ПЭМИН и радиозакладными устройствами, на опасных направле­ниях применяют электромагнитные экраны. Физические процессы при экранировании отличаются в зависимости от вида поля и час­тоты его изменения.

Различают электрические экраны для экранирования элект­рического поля, магнитные для экранирования магнитного поля и электромагнитные — для экранирования электромагнитного поля. Способность экрана ослаблять энергию полей оценивает­ся эффективностью экранирования (коэффициентом ослабле­ния). Если напряженность поля до экрана равна Е₀ и Н₀, а за экра­ном — Е_э и Н_э, то S_e = E_Q / е_э и s_h = Н₀ / Н_э. На практике эффектив­ность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): s_c(h) = 201g[E₀(H₀) / Е_з(Н$ [дБ] или S_e(H) = ln[E₀(H₀) / Е_э(Н)] [Нп].

Аналитические зависимости эффективности экранирования определены для идеализированных (гипотетических) моделей эк­ранов в виде бесконечно плоской однородной токопроводящей по­верхности, однородной сферической токопроводящей поверхности и однородной бесконечно протяженной цилиндрической токопро­водящей поверхности. Для других вариантов эффективность экра­нирования определяется с погрешностью, зависящей от степени их подобия гипотетическим.

1. При экранировании электрического поля электроны экрана под действием внешнего электрического поля перераспределяют­ся таким образом, что на поверхности экрана, обращенной к источ­нику поля, сосредоточиваются заряды, противоположные по знаку зарядам источника, а на внешней (другой) поверхности экрана кон­центрируются одинаковые с зарядами источника поля (рис. 12.1).

Положительные заряды на рис. 12.1 создают вторичное элек­трическое поле, близкое по напряженности к первичному. С це­лью исключения вторичного поля, создаваемого зарядами на вне­шней поверхности экрана, экран заземляется и его заряды компенсируются зарядами земли. Экран приобретает потенциал, близкий потенциалу земли, а электрическое поле за экраном существенно уменьшается. Полностью устранить поле за экраном не удается из-за неполной компенсации зарядов на его внешней стороне вследс­твие ненулевых значений сопротивления в экране и цепях заземле­ния, а также из-за распространения силовых линий вне границ эк­рана.

Рис. 12.1. Экранирование электрического поля

Эффективность экранирования зависит от электропроводнос­ти экрана и сопротивления заземления. Чем выше проводимость экрана и цепей заземления, тем выше эффективность электричес­кого экранирования. Толщина экрана и его магнитные свойства на эффективность экранирования практически не влияют.

2. Экранирование магнитного поля достигается в результате действия двух физических явлений:

• «втягивания» (шунтирования) магнитных силовых линий поля в экран из ферромагнитных материалов (с jj,» 1), обусловлен­ного существенно меньшим магнитным сопротивлением мате­риала экрана, чем окружающего воздуха;

* возникновением под действием переменного экранируемо­го поля в токопроводящей среде экрана индукционных вихре­вых токов, создающих вторичное магнитное поле, силовые ли­нии которого противоположны магнитным силовым первичного поля.

Магнитное сопротивление пропорционально длине магнитных силовых линий и обратно пропорционально площади поперечного сечения рассматриваемого участка и величине магнитной проницаемости среды (материала), в которой распространяются магнит­ные силовые линии. При втягивании магнитных силовых линий в экран уменьшается их напряженность за экраном. В результате этого повышается коэффициент экранирования.

При воздействии на экран переменного магнитного поля в ма­териале экрана возникают также ЭДС, создающие в материале эк­рана вихревые токи в виде множества замкнутых колец. Кольцевые вихревые токи создают вторичные магнитные поля, которые вы­тесняют основное и препятствует его проникновению вглубь ме­талла экрана. Экранирующий эффект вихревых токов тем выше, чем выше частота поля и больше сила вихревых токов.

Коэффициент экранирования магнитной составляющей поля представляет собой сумму коэффициентов экранирования, обус­ловленного рассмотренными физическими явлениями. Но доля слагаемых зависит от частоты колебаний поля. При f = 0 экрани­рование обеспечивается только за счет шунтирования магнитно­го поля средой экрана. Но с повышением частоты поля все сильнее проявляется влияние на эффективность экранирования вторично­го поля, обусловленного вихревыми токами в поверхности экрана. Чем выше частота, тем больше влияние на эффективность экрани­рования вихревых токов.

В силу разного влияния рассмотренных физических явлений магнитного экранирования отличаются требования к экранам на низких и высоких частотах. На низких частотах (приблизительно до единиц кГц), когда преобладает влияние первого явления, эф­фективность экранирования зависит в основном от магнитной про­ницаемости материала экрана и его толщины. Чем больше значе­ния этих характеристик, тем выше эффективность магнитного эк­ранирования. Для экрана, например, в виде куба эффективность магнитного экрана можно оценить по формуле:

где d — толщина стенок экрана; D — размер стороны экрана куби­ческой формы.

Эффективность экранирования за счет вихревых токов зави­сит от их силы, на величину которой влияет электрическая проводимость экрана. В свою очередь это сопротивление прямо про­порционально электрическому сопротивлению материала экрана и обратно пропорционально его толщине. Однако по мере повыше­ния частоты поля толщина материала экрана, в которой протека­ют вихревые токи уменьшаются из-за так называемого поверхнос­тного или скин-эффекта. Сущность его обусловлена тем, что вне­шнее (первичное) магнитное поле ослабевает по мере углубления в материал экрана, так как ему противостоит возрастающее вторич­ное магнитное поле вихревых токов. Напряженность переменно­го магнитного поля уменьшается по мере проникновения его в ме­талл экрана на глубину х от его поверхности по экспоненциально­му закону:

где о — эквивалентная глубина проникновения, соответствующая ослаблению напряженности магнитного поля в 2,72 раза и вычис­ляемая по формуле:

где р — удельное электрическое сопротивление материала экрана в Ом • мм 2 /м; f— частота магнитного поля в Гц; ц — относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Уменьшение эквивалентной глубины проникновения при уве­личении ц обусловлено тем, что ферромагнитные материалы «втя­гивают» силовые магнитные линии первичного поля, в результа­те чего повышаются концентрация магнитных силовых линий и, следовательно, напряженность магнитного поля внутри материа­ла экрана. В результате этого повышаются уровни индуцируемых в нем зарядов, следствием чего является увеличение значений вих­ревых токов и напряженности вторичного магнитного поля. Таким образом, глубина проникновения тем меньше, чем выше частота поля, удельная магнитная проницаемость и электрическая прово­димость металла экрана.

На высоких частотах эффективность магнитного экранирова­ния в дБ экраном толщиной d в мм можно определить, подставив в S_n= 20 Ig (H_x / H₀)выражение для Н_х. В результате такой подстанов­ки и преобразования легко получить, что

Однако это выражение может использоваться для приближен­ной оценки эффективности экранирования при условии, что значе­ние d соизмеримо с а. Если d» а, то из_тза поверхностного эффекта увеличение d слабо влияет на эффективность экранирования, так как вторичное магнитное поле создают вихревые токи в поверх­ностном слое экрана.

Следовательно, для обеспечения эффективного магнитного экранирования на высоких частотах следует для экранов исполь­зовать материалы с наибольшим отношением ц / р, учитывая при этом, что с повышением f сопротивление из-за поверхностного эф­фекта возрастает в экспоненциальной зависимости. На высоких частотах глубина проникновения может быть столь малой, а со­противление столь велико, что применение материалов с высокой магнитной проницательностью, например пермаллоя, становит­ся нецелесообразным. Для f > 10 МГц значительный экранирую­щий эффект обеспечивает медный экран толщиной всего 0,1 мм. Для экранирования магнитных полей высокочастотных контуров усилителей промежуточной частоты бытовых радио- и телевизи­онных приемников широко применяют алюминиевые экраны, ко­торые незначительно уступают меди по удельному электрическому сопротивлению, но существенно их легче. Для высоких частот тол­щина экрана определяется в основном требованиями к прочности конструкции.

Кроме того, на эффективность магнитных экранов влияет кон­струкция самого экрана. Она не должна содержать участков с от­верстиями, прорезями, швов на пути магнитных силовых линий и вихревых токов, создающих им дополнительное сопротивление.

Так как магнитное экранирование обеспечивается за счет то­ков, а не зарядов, магнитные экраны не нуждаются в заземлении.

3. Физические процессы при электромагнитном экранирова­нии рассматриваются на модели, представленной на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование обеспечивается за счет от­ражения части от экрана и поглощения части, проникшей в экран электромагнитного поля. Следовательно, эффективность экрани­рования 8_э = 8_%отр + 8_эпогл, где 8_эотр= Ј S — эффективность

экранирования за счет отражения электромагнитной волны от по­верхности экрана; 8_{э погл} = ^ 8_{э погл}. —эффективность экраниро-

вания за счет поглощения электромагнитной волны в экране.

Эффективность экранирования в дБ за счет отражения элект­ромагнитного поля рассчитывается по формуле:

Величина эффеншнншли экранирования в дБ за счет поглоще­ния в экране толщиной d мм оценивается по формуле:

Последнее выражение совпадает с приблизительной форму­лой, определяющей эффективность магнитного экранирования за счет вторичного поля. Это подтверждает утверждение, что погло­щение электромагнитного поля обусловлено, прежде всего, поте­рями энергии вихревых токов в материале экрана. Как следует из приведенных формул, в зависимости от часто­ты, показателей магнитных и электрических свойств материала эк­рана влияние отражения и поглощения на разных частотах сущест­венно отличается. На низких частотах наибольший вклад в эффек­тивность экранирования вносит отражение от экрана электромаг­нитной волны, на высоких — ее поглощение в экране. Доля этих составляющих в суммарной величине эффективности электромаг­нитного экранирования одинаковая для немагнитных (ц,

1) экра­нов на частотах в сотни кГц (для меди — 500 кГц), для магнитных (ц» 1) — на частотах в доли и единицы кГц, например для пер­маллоя — 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование электромагнитной волны за счет поглощения, а не­магнитные, но с малым значением удельного сопротивления — за счет отражения.

Кроме того, учитывая, что электромагнитная волна содер­жит электрическую и магнитную составляющие, то при электро­магнитном экранировании проявляются явления, характерные для электрического и магнитного экранирования.

Следовательно, на низких частотах материал для экрана дол­жен быть толстым, иметь высокие значения магнитной проница­емости и электропроводности. На высоких частотах экран должен иметь малые значения электрического сопротивления, а требова­ния к его толщине и магнитной проницаемости материала сущест­венно снижаются. Для обеспечения экранирования электрической составляющей электромагнитный экран.надо заземлять.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Актуальные вопросы оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей

Радиочастотные коаксиальные и экранированные симметричные кабели находят основное применение в системах связи, где имеет место передача высокочастотных сигналов: системах кабельного и спутникового телевидения, измерительной технике, структурированных кабельных сетях, системах широкополосного доступа, видеонаблюдения и автоматизации производственных процессов. Данные кабели работают в диапазоне частот от нуля до нескольких гигагерц. Интеграция техники во все сферы человеческой деятельности существенно осложнила проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств в системах связи. Очевидно, что это актуализировало вопросы, связанные с защитой основного элемента данных систем — высокочастотного кабеля связи или кабеля передачи данных, если речь идет о цифровых системах — пассивного компонента системы связи — более всего подверженного влиянию окружающего электромагнитного поля. К тому же кабель способен сам оказывать влияние на близлежащие кабели и электронные устройства. Поэтому на сегодняшний день особо остро стоит вопрос об ужесточении к ним требований по ЭМС.

Как правило, защита высокочастотных кабелей от электромагнитного влияния обеспечивается конструкцией самого кабеля. В роли защитного элемента выступает экран, который в случае радиочастотного коаксиального кабеля одновременно является его вторым проводником. Действие экрана направлено как на ослабление внешнего проникающего электромагнитного поля, так и на препятствование излучению из кабеля передаваемой по нему полезной мощности, то есть на ослабление излучения самого кабеля.

Актуальность решения проблемы экранирования высокочастотных кабелей становится всё более очевидной в свете появления стандартов, которые не только устанавливают нормы, определяющие уровень экранирования кабельного изделия, но и их классы, совершенствования методов оценки эффективности экранирования кабеля в лабораторных условиях. К сожалению, в отечественной практике до определенного времени требование к уровню экранирования кабелей было установлено только в частных технических условиях серии ГОСТ 11326 на определенные марки радиочастотных кабелей, которое определяется одним параметром на одной частоте 30 МГц, что давало очень мало информации о степени экранирования кабеля в широком диапазоне частот.

В качестве примера рассмотрим сравнительно новые отечественные стандарты на высокочастотные кабели, появление которых было продиктовано растущими международными требованиями к кабелям цифровой связи. Так, несколько лет назад был выпущен ГОСТ Р 53880-2010 [1] на коаксиальные кабели для сетей кабельного телевидения, разработанный на основе соответствующей серии стандартов МЭК 61196, в котором были прописаны понятия параметров экранирования и их классы в полном диапазоне рабочих частот (5-3000 МГц): В, А, А+, А++.

При этом самый низкий класс В соответствует такому уровню экранирования, который присущ только тем кабелям, экраны которых содержат, как минимум, два слоя металлических элементов: например, металлизированную ленту и металлическую оплетку. Таким образом, коаксиальные кабели, внешний проводник (экран) которых представляет собой одну оплетку или одну металлическую ленту, широко используемые ранее в системах кабельного телевидения (КТВ), сейчас имеют совершенно недостаточный уровень экранирования. Стоит отметить, что наличие в кабеле двойного экрана также не гарантирует его соответствие классу В и выше, поскольку выбранные толщины фольги и диаметры проволок оплетки могут оказаться недостаточными для выполнения требований к параметрам, например, в нижнем диапазоне частот, где особенно важно суммарное сечение внешнего проводника кабеля. В этом же документе была стандартизована методика оценки эффективности (класса) экранирования кабеля на основе одного из признанных базовых методов — метода триаксиальной линии.

Опубликованный в 2012 году ГОСТ Р 54429-2011 [2], разработка которого велась на основе серии стандартов МЭК 61156, установил новые понятия и уровни параметров экранирования для симметричных кабелей парной и четверочной скрутки цифровых систем связи в рабочем диапазоне частот (5-1000 МГц). При этом новый показатель ЭМС кабеля для структурированных кабельных систем (СКС), имеющего свою особенность передачи сигналов, стал неразрывно связан как со степенью его экранирования, так и симметрией изолированных жил в этой паре.

И сказанного выше становится очевидным, что вопросы, связанные с определением норм и методик оценки эффективности экранирования высокочастотных кабелей связи, перешли на более высокий уровень, требующий переоценки их актуальности и повышенного внимания к ним как со стороны производителей кабельных изделий, так и исследователей ЭМС высокочастотных систем связи. Так какие же основные параметры определяют эффективность экранирования высокочастотных кабелей?

В основном, электромагнитное поведение экрана кабеля в широком диапазоне частот (от единиц до тысяч МГц) характеризуется двумя параметрами: сопротивлением связи ZT и затуханием экранирования aS. Физический смысл сопротивления связи (transfer impedance) был определен в 1957 году Щелкуновым [3] как некоего коэффициента с размерностью сопротивления, определяющего связь между током помехи, индуцированным внешним электромагнитным полем, и напряжением помехи, которое данный ток создаёт в экране через сопротивление связи. Термин «сопротивление связи» был стандартизован в ГОСТ Р 53880-2010 как «отношение напряжения, продольно наведенного во внутренней цепи кабеля к току, протекающему по внешнему проводнику внешней цепи электрически короткого кабеля, или наоборот». Сопротивление связи является собственным параметром экрана, то есть зависит только от его конструкции.

Наиболее общим параметром, определяющим эффективность экранирования кабеля, является коэффициент экранирования S, который определяется как отношение напряжённости электромагнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана (ЕЭ и НЭ) к напряжённости поля в той же точке без экрана (ЕО и НО) [4].

Однако в технике связи принято оценивать экраны не через коэффициент экранирования S, а через затухание экранирования аS (screening attenuation), характеризующее величину затухания, вносимого экраном:

(1)

Затухание экранирования зависит не только от конструкции кабеля в целом, но и от окружающей его среды. ГОСТ Р 53880-2010 дает такое определение этого параметра: «разность между уровнем по мощности сигнала, поступившего от генератора во внутреннюю (коаксиальную) цепь, и уровнем наведенного сигнала во внешней цепи кабеля, или наоборот».

Для немагнитных экранов кабелей передачи данных (использование магнитных экранов нежелательно из-за больших потерь в них передаваемой мощности) сопротивление связи и затухание экранирования являются взаимообратными величинами, причем эффективность экранирования кабеля тем выше, чем ниже его сопротивление связи и выше затухание экранирования.

Параметр сопротивления связи используется специалистами по ЭМС систем в тех случаях, когда говорят о подверженности самого кабеля внешним помехам. То есть когда при известном параметре влияния, например, поверхностной плотности заряда или тока помехи, можно оценить величину наводимого внутри кабеля — между его внутренними проводниками и экраном — напряжения помехи. Понятие затухания экранирования позволяет в то же время оценить степень влияния самого кабеля на окружающее его пространство, то есть, когда при известной мощности передаваемого полезного сигнала необходимо определить, какая часть мощности, излученная кабелем, будет оказывать влияние на соседние кабели и прочие электротехнические или электронные устройства.

С точки зрения экспериментальной оценки этих двух параметров существуют условия, при которых возможно непосредственное измерение каждого из них в собственном диапазоне частот. В случае сопротивления связи кабель должен быть электрически коротким, что выполнимо при следующем условии, которое определяет верхнюю частоту, до которой возможно измерение сопротивления связи с достаточной точностью:

, дБ (2)

где ,
f — частота, Гц;
с0 — скорость света в вакууме;
l — длина испытуемого участка кабеля;
er1 — относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.
Например, если длина испытуемого экрана равна 0,5 м, а диэлектрик — пористый полиэтилен, то сопротивление связи можно оценить примерно до 50 МГц.

Измерение затухания экранирования возможно от частоты, при которой испытуемый кабель рассматривается как электрически длинный:

, дБ (3)

где
er2 — относительная диэлектрическая проницаемость окружающей кабель среды.
Так, для кабеля длиной 3 м затухание экранирования можно измерять ориентировочно от 100 МГц.

Отметим, что в случае экрана в виде одинарной оплетки применимо понятие сопротивления емкостной связи, которая определяет сопротивление перехода внешней помехи через емкостную связь между внутренним проводником кабеля и окружающими металлическими объектами за счет отверстий в неплотном оплеточном экране. Однако оценка этого параметра теряет смысл ввиду его стремления к нулевому значению у кабелей, имеющих экраны со 100 % покрытием поверхности своего сердечника.

Кроме того, недавно был введен новый для симметричных кабелей параметр затухания излучения, определяющий отношение мощности сигнала, излученного кабелем, к мощности, передаваемой в так называемом дифференциальном (симметричном) режиме работы симметричной цепи, когда пара работает на дифференциальную (симметричную) нагрузку. Этот параметр отличен от параметра затухания экранирования для симметричного кабеля, что объясняется следующим обстоятельством. Если рассматривается затухание экранирования, то симметричная цепь принимается «квазикоаксиальной», когда токопроводящие жилы пары соединяются между собой, образуя внутренний проводник. При этом оценивается экранирующая способность всей конструкции в так называемом синфазном или несимметричном режиме, когда по каждой жиле протекает часть тока, а возвратным путем для него является экран, как в коаксиальном кабеле.

Затухание излучения aC есть сумма затухания экранирования aS и затухания асимметрии aU при симметричной нагрузке. Последнее обусловлено потерей мощности в рабочей паре на излучение за счет несимметричности изолированных жил относительно «земли» (экрана) при работе в дифференциальном (симметричном) режиме, когда по каждой жиле протекает полный, но противофазный ток. При асимметрии жил часть полезной мощности излучается в окружающую среду, вследствие её потери из-за емкостной асимметрии жил. Это обусловливается различием геометрических размеров изолированных токопроводящих жил, нестабильностью шага скрутки и, следовательно, расстоянием жил до экрана. По сути, затухание асимметрии есть отношение мощности преобразования сигнала из дифференциального режима в синфазный, к мощности полезного сигнала. Чем выше значение затухания

ГОСТ Р 54429-2011 определяет затухание излучения (coupling attenuation) как «разность между уровнем по мощности сигнала в симметричной цепи пары и уровнем по мощности сигнала, излученного кабелем». Таким образом, затухание излучения определяет общую эффективность защиты кабеля от излучения полезной мощности за счет симметрии и экранирования пары. Если экран в кабеле отсутствует, то затухание излучения определяется только затуханием асимметрии.

К числу наиболее распространенных исполнений экранов высокочастотных кабелей относятся:

а) сплошная медная или алюминиевая трубка или сварная гофрированная медная лента;

б) оплетка из медных проволок (с лужением или без него);

в) продольно уложенная с перекрытием медная или алюминиевая фольга с полимерным покрытием, в некоторых случаях с закорачивающим продольным загибом кромок.

г) комбинации б) и в).

В симметричных кабелях передачи данных экранирование осуществляется общим экраном (кабели F/UTP, SF/UTP, SF/UTQ), индивидуальными экранами пар (кабели U/FTP, U/SFTP), или их комбинацией (кабели F/FTP, S/FTP, SF/FTP).

На рис. 1 приведены некоторые примеры типичного поведения одного из параметров данных экранов — сопротивления связи.

Рис. 1. Типичные частотные зависимости сопротивления связи по данным компании Raychem [5]
Здесь «сверхэкран» — это комбинация из нескольких слоев ламинированной фольги и оплеток

В основном, представленные зависимости можно свести к типичным зависимостям, схематично изображённым на рис. 2.

Рис. 2. Сопротивление связи типичных конструкций экранов кабелей по МЭК 61196-1:1999 [6]:

fr — 1. 10 МГц;
оо — одинарная оплётка;
ооо — одинарная оптимизированная оплётка;
аоо — «аномальная» одинарная оплётка;
до — двойная оплётка;
сэ — сверхэкран

Представленные кривые показывают, что характеристики экранов, в конструкции которых имеется оплётка, в диапазоне частот от постоянного тока до гигагерцовой области имеют три характерные части. В области низких частот (от 0 до 0,1-1МГц) сопротивление связи таких экранов равно их сопротивлению постоянному току. Спадание сопротивления связи в области частот 0,1-10МГц вызвано затуханием электромагнитного поля помехи в толще экрана вследствие поверхностного эффекта, то есть усиления вихревых токов в металлических элементах экрана. Спадание достигает минимума в диапазоне 1-10 МГц, далее начинается линейный, прямо пропорциональный частоте подъём характеристик со скоростью примерно 20 дБ/декада, что обусловлено растущим, по сравнению с поверхностным, эффектом влияния индуктивности оплётки. Некоторые кабели с экранами, содержащими оплётку, могут вести себя «аномально», имея скорость роста сопротивления связи на высоких частотах меньше 20 дБ/декада.

В случае экранов в виде комбинации оплёток и металлической фольги, ламинированной полимерным слоем, характер смещения частотных областей немного иной. Как и в случае одинарных и двойных оплёток, на низких частотах (0,1-1МГц) сопротивление связи этих экранов равно их сопротивлению постоянному току. В данной частотной области начинается спад характеристики, обусловленный поверхностным эффектом в металлических элементах экрана, а также отражением на границах сплошных металлических слоёв. Однако минимума данный спад достигает только в области нескольких мегагерц. Это обусловлено тем, что только в этой области становится преобладающим влияние результирующей индуктивности входящих в состав таких экранов оплёток и места перекрытия (щели) ламинированной фольги по сравнению с составляющей, связанной с поглощением и отражением в толще экрана. После минимума также начинается рост характеристики индуктивного характера.

Вкратце рассмотрим нормы параметров экранирования, которые установлены в стандартах на высокочастотные кабели. В ГОСТ Р 53880-2010 определены четыре класса экранирования: В, А, А+ и А++ (табл. 1 и 2). Для того, чтобы кабель соответствовал определенному классу экранирования, он должен удовлетворять условию обеих таблиц для одного и того же класса.

Несмотря на то, что упомянутые выше конструкции экранов имеют типичный характер зависимостей сопротивления связи, не обязательно, что два кабеля со схожими исполнениями экранов попадут в один и тот же класс экранирования. Это обусловлено тем, что в области частот, определяющих сопротивление связи, данный параметр имеет превалирующую зависимость от суммарного сечения составляющих его элементов, что связано с поверхностным эффектом. В области частот, определяющих затухание экранирования, большое значение приобретает степень перекрытия лент, плотность и оптимизация оплетки, а также наличие разделительных слоев. Поэтому даже при идентичных по всем параметрам экранах, отличающихся лишь диаметром проволок оплетки, сопротивление связи, в отличие от затухания экранирования, может «не дотягивать» до требуемого класса. И, наоборот, при идентичных размерах элементов двух экранов с отличием лишь по коэффициенту перекрытия ламинированной фольги под оплеткой, класс затухания экранирования может оказаться ниже класса сопротивления связи.

Сопротивление связи, мОм/м, не более, для кабелей

Диапазон частот, МГц	Затухание экранирования, дБ, не менее, для кабелей
	абонентских			магистральных и распределительных
	для класса экранирования
	Класс В	Класс А	Класс А+	Класс А+	Класс А++
30-1000	75	85	95	95	105
1000-2000	65	75	85	не нормируется	не нормируется
2000-3000	55	65	75	не нормируется	не нормируется

В отличие от ГОСТ Р 53880-2010 в ГОСТ Р 54429-2011 установлены уровни параметров экранирования отдельно друг от друга, то есть разработчик вправе выбирать, какой уровень будет отдельно у сопротивления связи и отдельно у затухания излучения (табл. 3 и 4).

Частота, МГц	Сопротивление связи ZТ, мОм/м, не более
	Уровень экранирования
	1	2
1	10	50
10		100
30	30	200
100	100	1000

Уровень затухания излучения	Диапазон частот, МГц	Затухание излучения, Ас, дБ, не менее
1	30-100	85
	100-1000	85-20 lg (f /100)
2	30-100	55
	100-1000	55-20 lg (f/100)
3	30-100	40
	100-1000	40-20 lg (f /100)

Какие инструменты существуют для оценки эффективности экранирования кабелей? Конструктивные исполнения электромагнитных экранов весьма разнообразны и, к сожалению, расчётной оценке поддаётся лишь небольшая их часть — в основном, это экраны, имеющие конструкцию в виде сплошной металлической трубки и неламинированных лент, уложенных спирально или продольно с перекрытием, и имеющих замкнутый электрический контакт по всему периметру сечения. Все остальные типы экранов, как правило, содержащие в своей конструкции оплётку или ее комбинации с ламинированной фольгой, оценить расчётным способом крайне затруднительно. Для их исследования необходимы экспериментальные методы. Часть из них стандартизована Международной электротехнической комиссией (МЭК). Рассмотрим четыре наиболее доступных стандартных метода оценки эффективности экранирования кабелей [7].

Первый метод носит название метода «инжекционной линии» и позволяет определить сопротивление связи кабеля. Принцип данного метода показан на рис. 3.

Рис. 3. Схема измерения сопротивления связи по методу инжекционной линии:

1 — анализатор;
2 — аттенюатор;
3 — делитель мощности;
4 — согласующие вставки;
5 — исследуемый кабель;
6 — клейкая лента;
7 — согласующие нагрузки;
8 — инжекционный провод

Инжекционный провод, который подсоединяется к высокочастотному генератору и скрепляется с поверхностью экрана испытываемого кабеля, подает высокочастотный сигнал через экран испытуемого кабеля. Энергия, проникающая в испытуемый кабель, измеряется на дальнем конце измерительным приёмником. После этого через логарифм отношения питающего напряжения U1 (напряжения помехи) к напряжению, наведённому на внутренней стороне экрана, U2 (AT) можно рассчитать сопротивление связи ZT:

где Z1 — волновое сопротивление системы инжекционный провод-экран (внешней системы); Z2 — волновое сопротивление испытуемого кабеля; L — длина экрана.

Верхний частотный предел, до которого может быть измерено сопротивление связи ZT, зависит от длины испытуемого отрезка образца кабеля и от различия между кабелем и внешней системой по скоростям распространения в них электромагнитной волны. Теоретический верхний предел составляет 3 ГГц, что ориентировочно соответствует L = 1 см. На практике достижение этого предела требует идеально согласованной питающей и измерительной системы.

Для исследования экранов кабелей в диапазоне высоких частот определяют затухание экранирования методом поглощающих зажимов (рис. 4). Поглощающий зажим состоит из трансформатора тока и ряда ферритовых колец, заключённых в единый корпус.

Рис. 4. Схема измерения затухания экранирования по методу поглощающих зажимов:

1 — генератор;
2 — абсорбер (поглотитель);
3 — приёмник;
4 — трансформатор тока;
5 — согласующая нагрузка;
6 — исследуемый кабель

Принцип метода следующий. От генератора в кабель (между токопроводящими жилами и экраном кабеля) подается высокочастотный сигнал. Посредством трансформатора тока одного из зажимов измеряется максимальная мощность, в то время как другой зажим согласует наружную систему и поглощает помехи, подходящие к измеряемой длине. Максимальная мощность P2max в наружной системе определяется из измерений на ближнем и дальнем конце. Затухание экранирования aS определяется через логарифм отношения мощности питания P1 кабеля к максимальной излучаемой мощности P2max:

При доступных на настоящее время поглощающих зажимах затухание экранирования данным методом может быть измерено до 2,5 ГГц.

Еще одним классическим методом определения сопротивления связи является метод триаксиальной линии (рис. 5). Данный метод был положен в основу метода, установленного в ГОСТ Р 53880-2010 и принцип его состоит в следующем. Отрезок испытуемого кабеля помещается в металлическую трубу. При этом на ближнем к генератору конце экран образца соединяется через нагрузочное сопротивление с внутренним проводником образца, образуя внутреннюю коаксиальную систему (ВКС) экран-внутренний проводник, а на дальнем от генератора конце экран образца накоротко соединяется с внешней трубой, образуя наружную коаксиальную систему (НКС) экран-труба.

Рис. 5. Схема измерения сопротивления связи по методу триаксиальной линии

Напряжение U1, имитирующее помеху, подаётся от генератора в НКС. При этом ток, протекающий по внешней стороне экрана, создаёт через сопротивление связи экрана падение напряжение U2 на его внутренней стороне, которое измеряется приёмником на противоположном от генератора конце кабеля. После этого можно определить сопротивление связи экрана:

F¢ — коэффициент, вносящий поправку относительно распределения тока в НКС;
l — длина экрана.

Длина триаксиальной линии может варьироваться от 0,3 до 1 м, что соответствует частотным диапазонам применения метода до 100 и 30 МГц. Данный метод также установлен в ГОСТ 11326.0-78 на радиочастотные кабели. При этом измерение производится на частоте 30 МГц при длине линии 0,5 м.

Относительно недавно МЭК был внедрен метод измерения затухания экранирования защищённого экрана. Несмотря на то, что его принцип был описан уже в 1960-х годах, только в 1990 году МЭК начал его подготовку к стандартизации. Этот метод является, по сути, расширением широко известного старого метода триаксиальной линии. При этом новый метод даёт возможность измерять как сопротивление связи, так и затухание экранирования (в диапазоне высоких частот) на одной испытательной установке.

Данный метод также был стандартизован в ГОСТ Р 53880-2010 и принцип его следующий. В противоположность методу триаксиальной линии, генератор и приёмник меняются местами, и возбуждаемой системой становится испытуемой кабель, а измеряемой — система экран-труба; при этом измерительная труба удлиняется до длины 2-4 м (рис. 6).

Рис. 6. Метод измерения затухания экранирования защищённого экрана:

1 — генератор;
2 — исследуемый кабель;
3 — измерительная труба;
4 — согласующая нагрузка;
5 — измерительный приёмник;
L — длина участка связи

В наружной системе, на её ближнем конце, исследуемый экран замыкается накоротко с измерительной трубой. Электрические волны, переходящие на протяжении всей длины кабеля из внутренней системы в наружную, распространяются в обоих направлениях к ближнему и дальнему концу. На короткозамкнутом конце они все вместе отражаются, поэтому на измерительном приёмнике можно измерить совмещение связей с ближнего и дальнего конца как отношение напряжений U2/U1. Затухание экранирования, представляющее собой отношение мощностей, рассчитывается относительно нормированного волнового сопротивления наружной системы Zs = 150Ом.

,	(5)
где, Z1 — волновое сопротивление испытуемого кабеля.

Данный метод измерения можно применять до нескольких ГГц. Преимуществом питания согласованного испытуемого кабеля является то, что генератор, питающий испытуемый кабель (ВКС), постоянно работает на согласованную нагрузку. При этом в предыдущем методе нагрузка генератора зависит от соотношения диметров трубы и испытуемого экрана и может быть как больше, так и меньше согласованной нагрузки, что негативно сказывается на выходном напряжении генератора. Питание согласованной ВКС, помимо согласования генератора, обеспечивает то, что в испытуемом кабеле распространение высокочастотной энергии происходит без отражений. Другим преимуществом данной установки является то, что экран при распространении по его внешней поверхности энергии, излученной из кабеля, защищён как от дальнейшего её распространения во внешнее пространство, так и от влияния на распространяющиеся по поверхности экрана волны внешних электромагнитных полей.

Рассмотрим несколько примеров конструктивного исполнения экранированных кабелей производства НПП «Спецкабель» и их частотные зависимости параметров экранирования, полученные на базе метода триаксиальной линии, описанного в ГОСТ Р 53880-2010, с помощью установки CoMet 40/2 совместного производства Bedea&Rosenberger (см. рис.7).

Рис. 7. Участок оценки эффективности экранирования кабельных изделий кабельного завода «Спецкабель»

В качестве примера показаны образцы кабелей марок КИПЭВнг(А)-LS 2×2х0,60 и КСБГнг(А)-FRLS 2×2х0,78 (рис. 8 и 9) и зависимости сопротивления связи их экранов в диапазоне частот 0,3&pide;50 МГц (рис. 10).

Рис. 8. Кабель марки КИПЭВнг(А)-LS 2×2х0,60

Рис. 9. Кабель марки КСБГнг(А)-FRLS 2×2х0,78

Рис. 10. Частотная зависимость сопротивления связи для кабелей КИПЭВнг(А)-LS 2×2х0,60 и КСБГнг(А)-FRLS 2×2х0,78

Назначение данных кабелей очень близкое — передача данных в системах промышленной автоматизации и предполагает работу кабелей не только в жёстких условиях воздействия климатических и механических факторов, но кроме того повышенную защиту от электромагнитных помех в широком диапазоне частот.

Вследствие этого конструктивное исполнение экранов обоих кабелей очень похожее: ламинированная полиэтилентерефталатной пленкой алюминиевая фольга, наложенная слоем металла наружу с перекрытием кромок не менее 15 %, с толщиной алюминиевого слоя не менее 30 мкм и оплетка из медных луженных проволок номинальным диаметром 0,15 мм, между которыми проложен многопроволочный контактный проводник из медной луженой проволоки.

Различие в экранах, по сути, только одно — коэффициент поверхностной плотности оплетки, который для кабеля КИПЭВ составляет не менее 88 %, а для кабеля КСБГ — не менее 60 %. Данное различие отражается на характеристике сопротивления связи во всем диапазоне частот, причем экранирование кабеля КИПЭВ, имеющего более плотную оплетку, заметно лучше экранирования кабеля КСБГ.

Измерения затухания экранирования представим на примере коаксиальных кабелей марок РК 50-7-35 и 75-3,7-35ф, поскольку для кабелей этого типа наиболее важен данный показатель в частотном диапазоне 50-3000 МГц — (рис. 11-13).

Рис. 11. Кабель марки РК 75-3,7-35ф

Рис. 12. Кабель марки РК 50-7-35

Рис. 13. Частотная зависимость затухания экранирования для кабелей РК 75-3,7-35ф и РК 50-7-35

Очевидно, что во всем диапазоне частот кабель РК 50-7-35 существенно превосходит кабель РК 75-3,7-35ф по абсолютным значениям характеристики, несмотря на то, что коэффициент поверхностной плотности оплетки кабеля РК 75-3,7-35ф в полтора раза больше, чем у кабеля РК 50-7-35.

Несмотря на то, что с увеличением габаритов кабеля его эффективность экранирования растет вследствие увеличения суммарного поперечного сечения и снижения активной составляющей сопротивления экрана, причина превосходства в эффективности экранирования кабеля РК 50-7-35 заключается в наличии в его экране медной ламинированной ленты, проложенной под оплеткой из медных проволок. Медная фольга как бы «закорачивает» просветы в неплотной оплетке, исключая тем самым одну из индуктивных составляющих сопротивления связи, которая образуется за счет контуров индуктивности просветов и растет пропорционально частоте.

В заключении, подводя некоторую черту под изложенным выше, можно отметить, что изучение проблемы экранирования высокочастотных кабелей в первоочередной степени требует экспериментальной оценки соответствующих параметров, накопления статистических данных и их правильного толкования.

В настоящей статье была затронута лишь небольшая теоретическая часть многогранной проблемы экранирования высокочастотных кабелей, связанная с определением понятий и норм параметров экранирования кабелей, характером и интерпретацией поведения частотных зависимостей различных конструкций экранированных кабелей, методами расчетной и экспериментальной оценки параметров экранирования в рабочем диапазоне частот, способами оптимизации конструкций экранов, исследованием нового параметра экранирования кабелей для СКС — затухания излучения и .п. В связи с этим, автор планирует продолжение публикаций результатов исследований, проводимых им в данной области.