Конструкции и режимы работы экранов.

Экранирование является наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и симметричных кабельных цепей от помех. По конструкции и принципу действия различают экраны, защищающие от внешних помех и от внутренних (взаимных) помех.

Для защиты от внешних помех кабель поверх сердечника покрывается металлическими оболочками. Они имеют сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняются из свинца, алюминия или стали (рис.)

 

Рис.4.4. Металлические оболочки - экраны кабелей связи: a) - сплошные (1 - гладкий; 2 - гофрированный); б)- ленточные (1 -спиральный; 2 - продольный); в)- оплеточные (1 - изплоских проволок; 2 - из круглых проволок).

 

Экраны,защищающие от взаимных помех, являются составным элементом самого кабельного сердечника. В них размещаются цепи с высоким уровнем передачи.

При рассмотрении режимов работы экранов, используемых в проводных линиях связи, выделяют две характерные частотные области:

низкочастотная область, соответствующая электромагнитостатическому режиму работы;высокочастотная область, соответствующая электромагнитному режиму.

Электростатическое и магнитостатическое экранирования имеют принципиальное различие.Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на землю или корпус прибора. Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, происходящее в следствие его повышенной

магнитопроводимости.

Электромагнитостатический режим характеризует стационарные и статические поля и распространяется на диапазон частот до 4кГц. В этой частотной области экраны действуют по принципу замыкания соответствующих полей вследствие повышенной электро- и магнитопроводности их материалов.

Электростатическое экранирование состоит в замыкании электрического поля на поверхности металлической массы экрана и передаче электрических зарядов на землю или корпус прибора. Если, например, между проводом а, несущим помеху, и проводом б, подверженным влиянию, поместить экран, соединенный с землей и корпусом прибора, то экран будет перехватывать электрические силовые линии, защищая провод б от помех (рис.). Обязательным условием высокой эффективности электростатического экранирования является металлизация экрана, т.е. соединение его с корпусом прибора или землей.

Рис. Электростатическое экранирование: a) - экран не заземлен; б) - экран заземлен.

 

Исходя из природы электростатического экранирования, любой металлический экран (медь, сталь, алюминий, свинец) одинаково полно локализует поле помех ииграет роль электрического экрана. При этом не предъявляется особых требований к типу металла, его толщине и проводимости.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, происходящем вследствиеего повышенной магнитопроводности (рис. Магнитный поток, создаваемый проводом а, несущим помехи, замыкается в толще магнитного экрана и лишь частично проникает в экранированное пространство. Эффективность магнитостатического экранирования тем больше, чем больше его магнитная проницаемость μ и больше толщина экрана Δ.С увеличением радиуса магнитостатического экрана r _э его эффективность снижается.

Рис. Магнитостатическое экранирование.

 

Для получения надежного магнитостатического экранирования стенки экрана приходится делать сравнительно толстыми или применять составной экран из нескольких слоев металлов с большой магнитной проницаемостью Немагнитные металлы (медь, алюминий, свинец) не способны концентрировать магнитные силовые линии и поэтому не могут выполнять роль магнитостатического экрана.

Магнитостатические экраны эффективны лишь при постоянном токе и в диапазоне низких частот. С увеличением частоты возрастает роль вихревых токов в экране, происходит вытеснение магнитного поля из толщи экрана и его повышенная магнитопроводность теряет свое значение.

Электромагнитное экранирование. Действие электромагнитных экранов основано на многократномотражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в металлической толще экрана. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металл, а отражение энергии связано с несоответствием волновых характеристик диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран. Чем больше отличаются между собой волновые сопротивления диэлектрика и металла, тем сильнее эффект экранного затухания за счет отражения.

Рис.. Прохождение электромагнитной энергии через экран: W - поле помех; W ₀₁ и W ₀₂- отраженные поля; W_э - поле за экраном.

 

На рис. представлено прохождение электромагнитной энергии через экран. Электромагнитная энергия W, достигнув экрана, частично проходит через него, затухая при этом в толще экрана, и частично отражается от него (W 01, первая граница диэлектрик - экран»). На второй границе «экран - диэлектрик» энергия вторично отражается (W ₀₂) и лишь оставшаяся часть проникает в экранированное пространство. Следовательно, энергия при прохождении через экран уменьшается от W доW_э.

В технике связи принято оценивать экраны через экранное затухание А _э, дБ, характеризующее величину затухания, вносимого экраном. Формула расчета экранного затухания состоит из двух частей:

где А _п - экранное затухание поглощения; А _о - экранное затухание отражения;

Экранное затухание поглощения рассчитывается по формуле

,

экранное затухание отражения по формуле

 

где - коэффициент распространения в металле (коэффициент вихревых токов); - коэффициент распространения в диэлектрике; Δ - толщина экрана; r _э- радиус экрана; - волновое сопротивление диэлектрика плоской волны; - волновое сопротивление метала.

Формула расчета А _э справедлива в широком диапазоне частот от нуля до СВЧ и при любом режиме использования экранов (электромагнитостатическом, электромагнитном, волновом).

Затухание поглощения обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в металле экрана. Чем выше частота и толще экран, тем больше А _п. Затухание отражения связано с несоответствием волновых характеристик металла, из которого изготовлен экран (z_м), и диэлектрика, окружающего экран z _д. Чем больше различие между z _м и z _д, тем сильнее эффект затухания μ отражения.

Электромагнитное экранирование может осуществляться с помощью немагнитных и магнитных оболочек, но из-за потерь, вносимых экраном в цепь передачи, немагнитным металлам (медь, алюминий) отдается предпочтение. В определенной области частот наилучший эффект дают многослойные комбинированные экраны, состоящие изпоследовательно чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов.Электромагнитное экранирование охватывает частотный диапазон от 10³...10⁴ до 10⁸...10⁹Гц.