Как магнитното поле прониква в екраниращи материали? Анализ и сравнение

Защо екранирането на магнитното поле е предизвикателство?

Екранирането на магнитни полета е един от най-сложните проблеми в електромагнитното инженерство. За разлика от електрическото поле, което може да бъде сравнително лесно блокирано от проводящи или изолиращи слоеве, магнитното поле има способността да прониква през много материали, което значително затруднява ефективното му отслабване.

Основните трудности произтичат от факта, че магнитното поле не взаимодейства директно с електрическите заряди, а със сеченията на токовете и магнитните моменти. Следователно, материалите, използвани за екраниране, трябва не само да провеждат ток, но и да реагират адекватно на промените в полето, което на практика означава необходимост от отчитане на много физически и конструктивни параметри.

Типичните метални екрани, изработени от фолио или ламарина, отлично отслабват магнитното поле благодарение на високата проводимост и повърхностния ефект (skin effect), който ограничава проникването на полето в много тънък повърхностен слой на материала. За съжаление, такива решения са твърди и негъвкави, което е съществен недостатък в много съвременни приложения, например в носимата електроника или гъвкавите схеми.

Натиснете и вижте нашите двукомпонентни екрани от серия MS

Фиг. 1. Метален PCB екран

Поради това все по-голямо значение придобиват екраниращите материали с проводящи влакна, които предлагат гъвкавост и лесно адаптиране към различни форми. Техните свойства обаче са много по-сложни и изискват детайлно разбиране на механизмите на проникване на магнитното поле през тяхната структура.

Натиснете и вижте нашите EMI/EMC проводящи и екраниращи тъкани

Фиг. 2. Гъвкав проводим материал

Екраниращи материали с проводящи влакна – алтернатива на металите

Магнитните екрани, изработени от метали като мед или алуминий, макар и много ефективни, имат съществени ограничения. Тяхната твърдост и негъвкавост означават, че не винаги могат лесно да бъдат приложени в съвременни, често сложни електронни конструкции или в устройства, които изискват гъвкави защитни материали.

В отговор на тези предизвикателства се появиха екраниращи материали на базата на проводящи влакна. Обикновено това са метализирани влакна или влакна, покрити със слой метал, формирани в мрежи или тъкани, които създават леки, гъвкави и лесно адаптивни екрани. Такива решения се използват все по-често в носимата електроника, в автомобилната индустрия и в телекомуникациите, където се изискват както екраниращи свойства, така и комфорт при употреба.

Проводящите влакна образуват решетка, състояща се от къси, затворени клетки (mesh), които отговарят за отслабването на магнитното поле. Техните свойства обаче са много по-сложни, отколкото в случая на еднородни метални екрани. Ефективността се влияе не само от проводимостта на самия метал, но и от неговото пространствено разположение, размера на отворите между влакната, както и от електрическите параметри на самата структура.

Натиснете и проверете нашите EMC палатки

Фиг. 3. EMC палатка

Освен това, вътрешните параметри, като съпротивлението (R'), индуктивността (L') и капацитета (C') на тази влакнеста структура, са от решаващо значение за начина, по който магнитното поле се отслабва. Сложността на тези механизми води до това, че ефективността на екраниране не е постоянна, а силно зависи от честотата на полето, както и от геометрията и свойствата на самия материал. Фиг. 4

Фиг. 4. Приближаване на екраниращия материал

Параметри, влияещи на ефективността на магнитното екраниране

Ефективността на материалите, екраниращи магнитното поле, зависи от много фактори, които могат да бъдат разделени на две основни групи: вътрешни свойства на материала и физическа структура на проводящите влакна. Разбирането на тези параметри е ключово за съзнателния избор или проектиране на ефективен магнитен екран.

Вътрешни свойства на материала: R', L', C'

В техническата литература и инженерната практика екранирането се описва, между другото, чрез три основни параметъра:

• R' (линейно съпротивление) – определя електрическото съпротивление на проводниците в материала, което влияе на отслабването на вихровите токове, генерирани от променливото магнитно поле.
• L' (линейна индуктивност) – отговаря за способността на материала да съхранява енергия в магнитното поле и регулира разпространението на електромагнитните вълни.
• C' (линейна капацитивност) – свързана е с диелектричните свойства и разположението на проводящите влакна едно спрямо друго, влияе на поведението на електрическото поле.

Тези три параметъра взаимодействат, определяйки как магнитното поле се отслабва и как прониква през структурата на екраниращия материал. Те се променят заедно с честотата на сигнала, което допълнително усложнява анализа и изисква специализирани измервания.

Значение на структурата на влакната и проводящата мрежа

Освен електрическите параметри, физическата структура на материала оказва огромно влияние върху ефективността на екранирането. В случая на влакнести екраниращи материали, ключово значение имат:

• Размерът и формата на клетките на мрежата – колкото по-малки са отворите, толкова по-ефективно е блокирането на магнитното поле, особено в по-високите честотни диапазони.
• Разположението и плътността на влакната – влияят на равномерността на покритието и непрекъснатостта на проводящите пътища за вихровите токове.
• Проводимостта на влакната – материалите с по-висока проводимост (напр. мед, сребро) отслабват по-добре магнитното поле, но могат да бъдат по-скъпи или по-малко гъвкави.

Структурата на материала решава дали магнитното поле ще прониква предимно през металните влакна или през въздушните отвори между тях. Тази динамична връзка между магнитното поле и физическата структура обяснява сложността на ефективността на екраниране в зависимост от работните условия.

Ефективното екраниране не е само въпрос на материал, но и на неговата структура и електрически свойства. За да се предвиди ефективността на екрана, е необходим комплексен подход, който отчита всички тези параметри и техните взаимни зависимости.

Как магнитното поле прониква през екрана? Механизми на действие

Разбирането на начина, по който магнитното поле прониква през екраниращия материал, е важно за оптимизиране на електромагнитната защита. Този процес не е прост, тъй като поведението на полето зависи от много фактори, включително честотата на сигнала и структурата на самия материал.

Принцип на свързване на магнитното поле (представен без повърхностен ефект)

Описание на проникването на магнитното поле през екрана

Магнитното поле взаимодейства с екрана главно чрез индукция – променливото магнитно поле генерира във проводящия материал вихрови токове, които от своя страна създават магнитно поле, противодействащо на външното поле. Това индуктивно взаимодействие се измерва чрез т.нар. свързана индуктивност L12, която описва колко ефективно материалът „пропуска“ магнитното поле.

Линейно разпространяващ се ток i1 се подава към долната страна на екраниращия материал (вижте Фигурата по-горе). Магнитният поток Φ1, генериран от тока (Φ1 = L12 * i1), прониква в екраниращия материал в зависимост от честотата. На горната повърхност на екраниращия материал се индуцира напрежение u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Индуктивността L12 свързва тока i1 с напрежението u2. Индуктивността L12 зависи от честотата поради повърхностния ефект. Нейната характеристика описва влиянието на повърхностния ефект, а оттам и магнитните свойства на екраниращия материал. Напрежението u2 зад екрана може да причини други смущения, като токове, магнитни и електрически полета.

За измерване на индуктивността L12 се използва специална измервателна камера. (Фигурата по-долу) представя конфигурацията на тази камера. Екраниращият материал е поставен в метална затворена кутия на измервателната камера. На долната страна на екраниращия материал има стрип-линия с импеданс 50 Ω (стрип-линия 1). Токът i1, протичащ през стрип-линията, използва екраниращия материал като обратен път. Магнитното поле, генерирано от тока i1, прониква в екраниращия материал според неговата ефективност на екраниране. На горната страна на екраниращия материал има втора стрип-линия 50 Ω (стрип-линия 2). Напрежението u2 се индуцира в стрип-линия 2 от магнитния поток Φ1.

Измервателна конфигурация със стрип-линии и измервателна камера

Индуктивността L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) описва колко магнитен поток Φ1 може да проникне през екраниращия материал и да индуцира напрежение u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Ако в измервателната камера няма екраниращ материал (вижте Фигурата по-горе), се измерва еталонната индуктивност L12 за измервателната конфигурация (вижте по-долу). Индуктивността L12 остава постоянна в широк честотен диапазон. Краят на линейната честотна характеристика на измервателната камера настъпва при 1 GHz.

Честотна характеристика и индуктивно свързване на измервателната камера без екраниращ материал (i1 = const.)

По време на измерванията (напр. в настройка със стрип-линии, както е показано на Фигурата по-горе), напрежението, индуцирано във втората линия (u2), е показател за степента на проникване на полето. Стойността на индуктивността L12 се изчислява по формулата:

L12= - U2/Wi1

където U2 е индуцираното напрежение, W е пулсацията, а i1 е токът в първата линия.

Механизми на екраниране на магнитното поле

Напрежението u2, индуцирано от магнитното поле (вижте Фигурата по-долу), се отчита от стрип-линия 2 като u2'. Това напрежение е малко по-малко от напрежението u2 на повърхността на екраниращия материал, тъй като част от магнитното поле все още прониква в пространството между стрип-линията и екраниращия материал. Този ефект се пренебрегва по-нататък, а u2' се счита за идентично с u2.

Сваляне на напрежението u2 с помощта на стрип-линия

Напрежението u2, индуцирано в стрип-линията, зависи от ефективността на магнитното екраниране на екраниращия материал. Съответната му индуктивност L12 описва магнитното проникване на екраниращия материал.

Фигура 5 представя индуцираното напрежение u2 и индуктивността L12 за екраниращия материал S10.

Индуктивно проникване на екраниращия материал S10

Проводящите влакна в метализирания нетъкан текстил образуват затворени клетки. Магнитното поле се изтласква от металните клетки с нарастването на честотата (от 500 kHz до 200 MHz).

В по-ниския честотен диапазон (под 1 MHz) екраниращият материал не проявява ефект на отслабване (вижте Фигура 5). Индуцираното напрежение u2 и индуктивността L12 са равни на еталонните стойности, измерени в празната камера.

Индуктивно проникване на екраниращия материал в по-ниския честотен диапазон без повърхностен ефект.

Индуктивно проникване на екраниращия материал с повърхностен ефект; магнитното поле прониква през запълнените с въздух отвори в материала

От около 0,5 MHz нагоре, индуктивността на празната камера остава постоянна на ниво от -169,8 dBH (3,23 nH). Под 400 kHz, индуктивността изглежда се увеличава, което вероятно е резултат от нарастването на напрежението u2, причинено от влиянието на електрическото поле на стрип-линия 2.

Първи принцип на индуктивно действие

От 0,5 MHz, повърхностният ефект започва да бъде забележим в металните части на екраниращия материал (вижте Фигура 7). Напрежението u2 и индуктивността L12 прогресивно намаляват (вижте Фигура 5). Индуцираното напрежение достига своята най-ниска стойност при 200 MHz. В този момент се появява нов принцип на действие, който се налага върху изместването на полето в метала на влакната (вижте Фигура 8).

Втори принцип на индуктивно действие

От 200 MHz нагоре, напрежението u2 нараства линейно с наклон от 20 dB/dec, а индуктивността преминава в постоянна крива: -235,9 dBH (0,16 pH) (вижте Фигура 5).

Компонентът на магнитното поле F2 прониква през запълнените с въздух отвори в екраниращия материал. За по-ниските честоти този компонент на магнитното поле е бил по-слаб от този, който прониква през метала на екраниращия материал. С по-нататъшното нарастване на честотата, цялото поле се изтласква от метала на екраниращия материал и преминава само през запълнените с въздух отвори (вижте Фигура 8). Пътят на разпространение на линиите на магнитното поле спира да се променя с нарастването на честотата, което прави индуктивността постоянна. Стойността на индуктивността L12 може да бъде екстраполирана за още по-високи честоти.

Свързаната индуктивност L12 на екраниращия материал е параметър на материала, който може да бъде дефиниран като специфична линейна индуктивност L12' [pH/cm].

Сравнение на екраниращите материали

Индуктивното проникване на екрана е измерено за шест екраниращи материала и е представено на Фигура 9.

Свойства на магнитното екраниране на шест екраниращи материала със свързана индуктивност

Над около 2 MHz могат да се наблюдават добри екраниращи свойства за трите материала (S10, S2 и 02). В случая на другите три материала (01, 03 и 04), екраниращият ефект е бил отсъстващ или слаб до 1,5 GHz!

Ефективността на екраниране на материалите се различава значително – от неефективна до ефективна. Честотните диапазони, в които се появяват различните принципи на действие на екранирането, се изместват леко в зависимост от материала.

• Екраниращ материал 04: Не проявява ефект на магнитно екраниране, държи се като въздух (празна измервателна камера).
• Екраниращ материал 03: Достига отслабване на магнитното поле само на ниво от 3 dB при 1 GHz.
• Екраниращ материал 01: Достига отслабване от 12 dB при 1 GHz.
• Екраниращи материали 02, S2 и S10: Са ефективни и проявяват честотните диапазони на двата принципа на действие. В първия диапазон (до 200 MHz), материалът действа чрез изтласкване на полето през отворите в клетките. Във втория диапазон (>200 MHz), ефектът се определя от размера на металните отвори в клетките и тяхното омическо съпротивление (отслабване 40...65 dB). Структурата на екраниращия материал определя ефекта в двата диапазона.

Свързана индуктивност L12

Свързаната индуктивност L12 на екраниращия материал е параметър, който описва проникването на магнитното поле през материала. Тя може да бъде нормализирана спрямо тока в линия с дължина 10 mm. Отслабването на магнитното поле се изразява като разликата в dB между измерването с екраниращия материал и еталонното измерване (без материал): Отслабване = L12-материал [dBH] - L12-празно [dBH]

Изводи за проектиране

Качеството на магнитното екраниране зависи от размера на отворите в клетките, тяхното напречно сечение и проводимостта. Резултатите от измерванията от Фигура 9 ясно показват влиянието на екраниращите материали върху магнитното поле, което е предимство за тяхното приложение и развитие. При проектирането на екраниращи материали е важно конструктивно да се влияе на двата индуктивни принципа на действие.

Два основни механизма на магнитно екраниране

Разбирането на ефективността на магнитното екраниране изисква познаване на основните механизми, които определят как магнитното поле се отслабва или прониква през даден материал. В изследваните екраниращи материали се разграничават два ключови ефекта:

I. Повърхностен ефект (skin effect) и изместване на полето в метала

Първият механизъм е т.нар. повърхностен ефект. Той се състои в това, че променливият ток (AC) протича главно в тънък повърхностен слой на проводника, наречен „повърхностен слой“. С увеличаването на честотата на тока, този слой става все по-тънък, което води до увеличаване на ефективното съпротивление и отслабване на магнитното поле вътре в материала. На практика това означава, че металните елементи на мрежата или на проводящите влакна в екраниращия материал „изместват“ магнитното поле навън, което ограничава проникването му вътре. Този ефект е особено силен в честотния диапазон от няколкостотин мегахерца нагоре, когато дебелината на повърхностния слой става много малка.

II. Проникване през въздушните отвори в материала

Вторият механизъм е свързан с наличието на отвори, празни пространства или „дупки“ в структурата на материала. В случая на материали, състоящи се от проводящи мрежи или влакна, разположени по определен начин, магнитното поле може да проникне през тези незащитени фрагменти.

Действието на този механизъм е доминиращо особено при по-ниски честоти, до около 200 MHz, където полето прониква главно през въздушните пространства между проводящите елементи.

Ефективността на екранирането тук силно зависи от размера и формата на тези отвори, както и от тяхното разположение.

Ролята на структурата на материала в двата механизма

Комбинацията от тези две явления определя крайната ефективност на екраниращия материал. Мрежите с малки клетки и влакната с висока проводимост предизвикват по-силно отслабване на магнитното поле, особено в по-високите честотни диапазони, където повърхностният ефект е най-ефективен.

От друга страна, големите, нередовни отвори могат значително да намалят ефективността на екранирането, позволявайки на полето да прониква дори при високи честоти.

Как да изберем подходящ екраниращ материал?

Изборът на материал за ефективно екраниране на магнитното поле е процес, който изисква отчитане на няколко ключови фактора, които влияят на ефективността на защитата от електромагнитни смущения. Познаването на това как структурата на материала и неговите електрически свойства се отразяват на поведението на екрана при различни условия е необходимо за осигуряване на оптимална работа на електронните устройства.

Зависимост на ефективността от структурата и честотата

Основният въпрос е изборът на материал в съответствие с честотния диапазон, в който екранът трябва да работи. При ниски честоти (от десетки до няколкостотин MHz) най-голямо значение има минимизирането на въздушните отвори в материала. Дори незначителни прекъсвания или пролуки в проводящата мрежа позволяват на магнитното поле да проникне, което значително намалява ефективността на екранирането. В този диапазон най-подходящи са материалите с плътна влакнеста структура, които образуват почти непрекъсната проводяща повърхност.

В по-високите честотни диапазони (стотици MHz до GHz) ключова роля играе повърхностният ефект. Тук, от своя страна, е важна високата проводимост на влакната и тяхното разположение – тънките, добре разположени проводящи влакна създават слой, в който променливият ток може да тече без големи загуби. Материалите с голяма дебелина и добра проводимост осигуряват по-голямо отслабване на магнитните вълни.

Значение на отворите, съпротивлението и проводимостта

Отворите в структурата на материала, дори и да са малки, действат като канали, позволяващи на магнитното поле да проникне. Техният размер и разположение решават колко поле „изтича“ през екрана. Ето защо е важно да се избират материали с минимална порьозност или да се използват допълнителни слоеве, запълващи тези пространства.

Повърхностното съпротивление на материала е друг важен параметър. Ниското съпротивление благоприятства протичането на екраниращия ток и повишава ефективността на отслабването на полето. На практика това означава, че дори незначителни промени в състава или структурата на влакната могат да имат осезаемо въздействие върху работата на екрана.

Проводимостта, от своя страна, трябва да бъде възможно най-висока, което често се постига чрез използването на метални влакна или проводящи покрития. Въглеродните или никеловите влакна са популярни решения, съчетаващи добри механични свойства с ефективно екраниране.

Изборът на подходящ екраниращ материал изисква комплексен подход, който отчита диапазона на работните честоти, структурата на материала, неговата проводимост и наличието на отвори. Правилно подбраният материал позволява оптимално ограничаване на влиянието на магнитното поле, което е ключово за защита на съвременните електронни устройства от смущения.

Обобщение: Какво влияе на ефективното екраниране на магнитното поле?

Екранирането на магнитното поле е едно от най-трудните предизвикателства в електромагнитното инженерство. Както показахме в цялата статия, ефективността на защитата от смущения зависи от сложна комбинация от материални, структурни и честотни свойства.

Фактори, влияещи на ефективността на екранирането:

• Електрически свойства на материала: Параметри като повърхностно съпротивление (R'), вътрешна индуктивност (L') и капацитивност (C') определят как материалът реагира на променливото магнитно поле. Материалите с ниско съпротивление и правилно подбрана индуктивност отслабват полето по-ефективно.
• Структура на влакната и проводящата мрежа: Плътността и разположението на проводящите влакна са от огромно значение. Мрежите с малки клетки осигуряват по-малко проникване на магнитното поле, а разположението на влакната влияе на насочеността на екранирането.
• Механизми на проникване на полето: Магнитното поле може да проникне в екрана чрез индуктивно проникване и през въздушните отвори. Разбирането на повърхностния ефект и ролята на въздушните процепи позволява по-добро проектиране на ефективен екран.
• Честота на полето: Ефективността на екранирането се променя заедно с честотата на сигнала. При ниски честоти, непрекъснатостта на проводящата повърхност е ключова, докато при високи – проводящите свойства и повърхностният ефект.
• Характеристика на тестваните материали: Сравнението на шест различни екраниращи материала показа, че най-добри резултати постигат тези с висока проводимост и минимална порьозност, особено в диапазона до 1,5 GHz.

Магнитното екраниране изисква не само избора на подходящ материал, но и разбирането на неговите физически и електромагнитни свойства. Усъвършенстваните материали с проводящи влакна са обещаваща алтернатива на традиционните метални екрани, предлагайки по-голяма гъвкавост и по-лесно приложение.

При проектирането на системи за защита от магнитно поле, си струва да се вземат предвид всички обсъдени аспекти, за да се осигури максимална защита на устройствата в една все по-сложна и взискателна електромагнитна среда.

Източници: How Do Magnetic Fields Penetrate Shielding Materials? Characterization of Shielding Materials October 26, 2023 Gunter Langer and Amirali Taghavi