Введение к работе
Актуальность темы. Опыт разработки и эксплуатации радиоэлектронных средств показывает, что одной из наиболее сложных задач является обеспечение устойчивой работы аппаратуры в условиях воздействия электромагнитных помех. Как правило, радиоэлектронное средство находится в поле действия нежелательных источников электромагнитных помех и само излучает помехи на расположенное рядом электронное оборудование. Путь проникновения помех в электронное оборудование разнообразен и зависит от вида источника излучения, места ее возникновения и средств распространения, поэтому анализ способа экранирования должен проводиться в каждом конкретном случае.
Экранирование одно из основных средств обеспечения ЭМС при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от коне-, трукции и материала, из-которого выполнен экран, он по-разному ослабевает магнитную и электрическую составляющие помех .поля в заданном диапазоне частот.
При выборе материалов экрана следует исходить из учета ряда факторов. Должны принимать во внимание вопросы экономики, технологии обработки, требования по стабильности и факторы, относящиеся к особенностям функциональных материалов. Многие из этих факторов являются универсальными и относятся ко всем рассматриваемым материалам. Так, например, всегда желательно, чтобы стоимость была как можно ниже, а свойства материалов оставались после обработки и в процессе эксплуатации стабильными и не возникало физических и химических изменений.
Противоречивость требований к материалам компонентов экрана приводит к тому» что приходится идти на компромисс, чтобы обеспечить согласование состава и технологии изготовления. Так, например, стремление достигнуть максимального повышения проводимости путем внесения по-возможности минимальных изменений в состав композиции экрана может привести к ухудшению физических параметров, к повышению стоимости,что значительно усложнит процесс изготовления. Разработчик экранов из полимерных материалов должен быть готов к тому, что всегда может возникнуть необходимость компромиссных решений для конкретного случая их применения.
Для материалов, используемых в качестве подложек, наибольший интерес представляют следующие свойства:удельное сопротивление, диэлектрическая постоянная, термостойкость, прочность, характеристики
поверхности, химическая активность, теплопроводность.
В ряде случаев, важным фактором является устойчивость материала экрана против воздействия припоя. Ряд трудностей вызывает растворимость металлов в жидком припое.
Образование поверхностных загрязнений частиц так-же сказывается на адгезионных свойствах композиции. Сам механизм адгезии исследован недостаточно. В большинстве случаев о влиянии многих материалов и технологических процессов на адгезию можно только догадываться.
Закон распределения размеров и форма частиц оказывают сильное влияние на многие физические и электрические свойства. Многие металлы или сплавы не могут применяться только из-за того, что изготовление из них порошков обходится очень дорого.
Из рассмотрения химических взаимодействий, которые могут иметь место при изготовлении экранов, становится понятным требования совместимое^ функциональных материалов с технологическими процессами.
Вал».ой характеристикой любых экранирующих материалов является стабильность их параметров при хранении и эксплуатации. Разработано много рагличных методов испытания параметров материалов и среди них испытания под 'воздействием повышенных температур в- различных климатических условиях, включая высокую влажность. Все эти явления обусловлены теми же физико-химическими реакциями, которые имеют место в технологическом процессе.
Электромагнитное экранирование характеризуется величиной коэффициента экранирования, т.е. ослабления поля между взаимодействующими объектами при внесении между ними экранирующего экрана.
При измерении коэффициента экранирования основные трудности заключаются в отделении действительных свойств материалов от влияния внешних второстепенных факторов измерений таких, как тип измерительных антенн, ориентация внешних полей помех, распределение полей в измерителях, резонансные .эффекты и другие явления, которые не всегда поддаются расчету и учитываются при измерениях. Для конкретного экранирующего материала незначительные изменения этих факторов приводит к большому разбросу измеренных значений.
Таким образом, задача определения экранирующих свойств полимерных материалов на образцах относительно малых размеров, и использование при этом малогабаритной аппаратуры, позволяющей в короткий срок провести комплекс измерений по эффективности экранирования определила выбор направлений исследований и тему диссертации.
Цель работы. Целью работы явилось разработка комплексной мето-
дики определения экранирующих свойств плоских полимерных материалов, кабельных оболочек и соединителей в широком частотном диапазоне как части систем управления и вычислительной техники, а также разработка методик анализа, расчета и аттестации характеристик измерителей эффективности экранирования, коаксиального резонатора и триаксиальной линии, обеспечивающих заданную точность измерений.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Определить основные зависимости экранирующих свойств полимерных и диэлектрических материалов в электромагнитном поле. Определить коэффициенты отражения и прохождения плоской волны при ее падении на полимерную пластину, на металлизированную полимерную поверхность и трехслойный экран из полимерного материала.
-
Получить математическую модель экранированной структуры измерителя, рассчитать внутреннее электромагнитное поле и на основе его анализа выработать требования к вариантам конструктивного построения.
-
Произвести анализ ошибок.измерений для выбранных устройств, определить требования к их погрешностям аттестации, методики расчета и настройки. Показать преимущества использования разработанных устройств.
-
Провести экспериментальную проверку основных научных и практических результатов, полученных в работе.
Методы исследования, примененные при выполнении данной работы основаны на использовании классической теории дифференциальных уравнений' электромагнитного поля, теории линейных интегральных уравнений Фредгольма первого рода, методов приведения сингулярных интегральных уравнений с ядром Коши, теории погрешностей и численных методов.
Научная новизна заключена в следующих результатах, полученных в работе:
1. Предложена методика комплексного подхода к определению экранирующих свойств новых полимерных материалов, как плоских образцов, так и кабельных .оболочек, которая позволяет на этапах разработки новых материалов экспериментально определять коэффициент экранирования раздельно по электрическому и магнитным полям.
2..Получены аналитические выражения напряженности электромагнитного поля измерителя эффективности экранирования по электрическому полю при косинусоидальном возбуждающем стороннем токе, которые подтверждают возможность использования данной структуры в качестве
измерительного средства. Так же для данной структуры выведено дисперсионное уравнение.
-
Получена численным методом зависимость волнового сопротивления экранированной структуры от толщины центрального проводника.
-
Оценена погрешность метрологической аттестации измерителей плоских образцов по электрическому и магнитному полям.
-
Определены условия применения и оценена погрешность измерения полувоЛнового коаксиального резонатора в качестве измерительного средства эффективности экранирования-кабельных оболочек.
На защиту выносятся следующие основные научные и технические результаты:
1. Методика определений экранирующих свойств новых полимерных ^материалов, как плоских образцов, так и кабельных оболочек, которая позволяющая на этапах разработки новых материалов экспериментально определять коэффициент экранирования раздельно по электрическому и магнитным полям.
2. Рабочие соотношения для напряженности электромагнитного поля измерителя эффективности экранирования по электрическому полю, полученные с учетом косинусоидального возбуждающего стороннего тока, и рекомендации по построению измерителя.
-
Аналитическое выражение дисперсионного уравнения для измерителя эффективности экранирования по электрическому полю.
-
Определение погрешности метрологической аттестации измерителей плоских образцов по электрическому и магнитному полям.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработаны, изготовлены и аттестованы измерители эффективности экранирования плоских материалов по электрическому и магнитному полям. Опытные разработки измерителей были использованы при проведении ряда научно-исследовательских работ, посвященным проблемам экранирования.
-
Полученные в работе результаты по расчету напряженности электромагнитного поля в измерителе плоских материалов по электрическому полю можно применить для анализа поля в прямоугольной экранированной полосковой структуры в СВЧ-диапазоне и при проектировании возможных вариантов ТЕМ-камер.
-
Разработанные методики определения экранирующих свойств полимерных материалов позволяют на всех этапах технологического производства контролировать заданные свойства материалов по образцам материала относительно малых размеров и за относительно короткое время
цикла измерений.
Реализация в промышленности. Полученные в работе результаты исследований и конкретные рекомендации по разработке нашли применение в устройстве измерения коэффициента экранирования по электрическому и магнитному полям. Данные измерители и разработанная методика были использованы при проведении ряда работ в течение 1993-1994 гг. по исследованию экранирующих свойств материалов и кабельных оболочек в широком диапазоне частот в филиале НПО "Автоматики и приборостроения" и НПО им. С.А.Лавочкина, что подтверждено актами внедрений результатов диссертационной работы.
Экономический эффект от внедрения данных работ представляется перспективным и основывается на минимизации массогабаритных характеристик экранирующих конструкций в изделиях предприятий.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на семинарах в-НПО АЛ, НПО им. С.А.Лавочкина, ЦНИИМАШ, НПО "Электроавтоматика".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы 192 стр., в том числе 171 стр. печатного текста,26 рисунков на 8 стр.,27 табл. на 13 стр.'
