Как магнитное поле проникает в экранирующие материалы? Анализ и сравнение

Почему экранирование магнитного поля является проблемой?

Экранирование магнитных полей — одна из наиболее сложных проблем в электромагнитной инженерии. В отличие от электрического поля, которое можно относительно легко заблокировать проводящими или изолирующими слоями, магнитное поле способно проникать через многие материалы, что значительно затрудняет его эффективное подавление.

Основные трудности объясняются тем, что магнитное поле не взаимодействует напрямую с электрическими зарядами, а взаимодействует с протекающими токами и магнитными моментами. Поэтому материалы, используемые для экранирования, должны не только проводить ток, но и соответствующим образом реагировать на изменения поля, что на практике означает необходимость учитывать множество физических и конструктивных параметров.

Типичные металлические экраны, изготовленные из фольги или листового металла, отлично подавляют магнитное поле благодаря высокой проводимости и поверхностному эффекту (скин-эффекту), который ограничивает проникновение поля в очень тонкий поверхностный слой материала. К сожалению, такие решения являются жёсткими и негибкими, что во многих современных приложениях, например, в носимой электронике или гибких схемах, является существенным недостатком.

Нажмите и посмотрите наши двухкомпонентные экраны серии MS

Рис. 1. Металлический экран печатной платы

Поэтому всё большее значение приобретают экранирующие материалы с проводящими волокнами, которые обеспечивают гибкость и лёгкость адаптации к различным формам. Однако их действие более сложно и требует детального понимания механизмов проникновения магнитного поля через их структуру.

Нажмите и посмотрите наши проводящие и экранирующие ткани EMI/EMC

Рис. 2. Гибкий проводящий материал

Экранирующие материалы с проводящими волокнами — альтернатива металлам

Магнитные экраны, изготовленные из металлов, таких как медь или алюминий, хоть и очень эффективны, имеют существенные ограничения. Их жёсткость и негибкость означают, что они не всегда могут быть легко применены в современных, часто сложных электронных конструкциях или в устройствах, требующих гибких защитных материалов.

В ответ на эти вызовы появились экранирующие материалы на основе проводящих волокон. Обычно это металлизированные волокна или волокна, покрытые слоем металла, сформированные в сетки или ткани, которые создают лёгкие, гибкие и легко адаптируемые экраны. Такие решения всё чаще используются в носимой электронике, в автомобильной промышленности и в телекоммуникациях, где требуются как экранирующие свойства, так и комфорт использования.

Проводящие волокна образуют решётку, состоящую из коротких, замкнутых ячеек (mesh), которые отвечают за подавление магнитного поля. Однако их действие гораздо сложнее, чем в случае однородных металлических экранов. На эффективность влияет не только проводимость самого металла, но и его пространственное расположение, размер отверстий между волокнами, а также электрические параметры самой структуры.

Нажмите и проверьте наши EMC палатки

Рис. 3. EMC палатка

Кроме того, внутренние параметры, такие как сопротивление (R'), индуктивность (L') и ёмкость (C') этой волокнистой структуры, имеют решающее значение для того, как подавляется магнитное поле. Сложность этих механизмов приводит к тому, что эффективность экранирования не является постоянной, а сильно зависит от частоты поля, а также от геометрии и свойств самого материала. Рис. 4

Рис. 4. Приближение экранирующего материала

Параметры, влияющие на эффективность магнитного экранирования

Эффективность материалов, экранирующих магнитное поле, зависит от многих факторов, которые можно разделить на две основные группы: внутренние свойства материала и физическая структура проводящих волокон. Понимание этих параметров является ключевым для осознанного выбора или проектирования эффективного магнитного экрана.

Внутренние свойства материала: R', L', C'

В технической литературе и инженерной практике экранирование описывается, в частности, тремя основными параметрами:

• R' (линейное сопротивление) – определяет электрическое сопротивление проводников внутри материала, которое влияет на подавление вихревых токов, генерируемых переменным магнитным полем.
• L' (линейная индуктивность) – отвечает за способность материала накапливать энергию в магнитном поле и регулирует распространение электромагнитных волн.
• C' (линейная ёмкость) – связана с диэлектрическими свойствами и расположением проводящих волокон друг относительно друга, влияет на поведение электрического поля.

Эти три параметра взаимодействуют, определяя, как магнитное поле подавляется и как оно проникает через структуру экранирующего материала. Они изменяются вместе с частотой сигнала, что дополнительно усложняет анализ и требует специализированных измерений.

Значение структуры волокон и проводящей сетки

Помимо электрических параметров, на эффективность экранирования огромное влияние оказывает физическая структура материала. В случае волокнистых экранирующих материалов ключевое значение имеют:

• Размер и форма ячеек сетки – чем меньше отверстия, тем эффективнее блокирование магнитного поля, особенно в более высоких частотных диапазонах.
• Расположение и плотность волокон – влияет на равномерность покрытия и непрерывность проводящих путей для вихревых токов.
• Проводимость волокон – материалы с более высокой проводимостью (например, медь, серебро) лучше подавляют магнитное поле, но могут быть дороже или менее гибкими.

Структура материала определяет, будет ли магнитное поле проникать в основном через металлические волокна или через воздушные отверстия между ними. Эта динамическая связь между магнитным полем и физической структурой объясняет сложность эффективности экранирования в зависимости от условий работы.

Эффективное экранирование — это не только вопрос материала, но также его структуры и электрических свойств. Чтобы предсказать эффективность экрана, необходим комплексный подход, учитывающий все эти параметры и их взаимозависимости.

Как магнитное поле проникает через экран? Механизмы действия

Понимание того, как магнитное поле проникает через экранирующий материал, важно для оптимизации электромагнитной защиты. Этот процесс не является простым, поскольку поведение поля зависит от многих факторов, включая частоту сигнала и структуру самого материала.

Принцип связи магнитного поля (представлен без скин-эффекта)

Описание проникновения магнитного поля через экран

Магнитное поле взаимодействует с экраном в основном через индукцию – переменное магнитное поле генерирует в проводящем материале вихревые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле, противодействующее внешнему полю. Это индуктивное взаимодействие измеряется так называемой связанной индуктивностью L12, которая описывает, насколько эффективно материал «пропускает» магнитное поле.

Линейно распространяющийся ток i1 подаётся на нижнюю сторону экранирующего материала (см. Рисунок выше). Магнитный поток Φ1, генерируемый током (Φ1 = L12 * i1), проникает в экранирующий материал в зависимости от частоты. На верхней поверхности экранирующего материала индуцируется напряжение u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Индуктивность L12 связывает ток i1 с напряжением u2. Индуктивность L12 зависит от частоты из-за скин-эффекта. Её характеристика описывает влияние скин-эффекта, а, следовательно, магнитные свойства экранирующего материала. Напряжение u2 за экраном может вызывать другие помехи, такие как токи, магнитные и электрические поля.

Для измерения индуктивности L12 используется специальная измерительная камера. (Рисунок ниже) представляет конфигурацию этой камеры. Экранирующий материал помещается в металлический закрытый корпус измерительной камеры. На нижней стороне экранирующего материала находится полосковая линия с импедансом 50 Ом (полосковая линия 1). Ток i1, протекающий через полосковую линию, использует экранирующий материал в качестве обратного пути. Магнитное поле, генерируемое током i1, проникает в экранирующий материал в соответствии с его экранирующей эффективностью. На верхней стороне экранирующего материала находится вторая полосковая линия 50 Ом (полосковая линия 2). Напряжение u2 индуцируется в полосковой линии 2 магнитным потоком Φ1.

Измерительная конфигурация с полосковыми линиями и измерительной камерой

Индуктивность L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) описывает, сколько магнитного потока Φ1 может проникнуть через экранирующий материал и индуцировать напряжение u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Если в измерительной камере нет экранирующего материала (см. Рисунок выше), измеряется эталонная индуктивность L12 для измерительной конфигурации (см. ниже). Индуктивность L12 остаётся постоянной в широком диапазоне частот. Конец линейной частотной характеристики измерительной камеры наступает на 1 ГГц.

Частотная характеристика и индуктивная связь измерительной камеры без экранирующего материала (i1 = const.)

Во время измерений (например, в установке со стриплайнами, как показано на Рисунке выше), напряжение, индуцированное во второй линии (u2), является показателем степени проникновения поля. Значение индуктивности L12 рассчитывается по формуле:

L12= - U2/Wi1

где U2 – индуцированное напряжение, W – пульсация, а i1 – ток в первой линии.

Механизмы экранирования магнитного поля

Напряжение u2, индуцированное магнитным полем (см. Рисунок ниже), считывается полосковой линией 2 как u2'. Это напряжение немного меньше, чем напряжение u2 на поверхности экранирующего материала, поскольку часть магнитного поля всё ещё проникает в пространство между полосковой линией и экранирующим материалом. Этот эффект далее игнорируется, а u2' считается идентичным u2.

Снятие напряжения u2 с помощью полосковой линии

Напряжение u2, индуцированное в полосковой линии, зависит от эффективности магнитного экранирования экранирующего материала. Соответствующая ему индуктивность L12 описывает магнитное проникновение экранирующего материала.

Рисунок 5 представляет индуцированное напряжение u2 и индуктивность L12 для экранирующего материала S10.

Индуктивное проникновение экранирующего материала S10

Проводящие волокна в металлизированном нетканом материале образуют замкнутые ячейки. Магнитное поле вытесняется из металлических ячеек с ростом частоты (от 500 кГц до 200 МГц).

В более низком частотном диапазоне (ниже 1 МГц) экранирующий материал не проявляет эффекта подавления (см. Рисунок 5). Индуцированное напряжение u2 и индуктивность L12 равны эталонным значениям, измеренным в пустой камере.

Индуктивное проникновение экранирующего материала в более низком частотном диапазоне без скин-эффекта.

Индуктивное проникновение экранирующего материала со скин-эффектом; магнитное поле проникает через заполненные воздухом отверстия в материале

С примерно 0,5 МГц индуктивность пустой камеры остаётся постоянной на уровне -169,8 дБГн (3,23 нГн). Ниже 400 кГц индуктивность, по-видимому, увеличивается, что, вероятно, является результатом роста напряжения u2, вызванного влиянием электрического поля полосковой линии 2.

Первый принцип индуктивного действия

С 0,5 МГц скин-эффект начинает быть заметным в металлических частях экранирующего материала (см. Рисунок 7). Напряжение u2 и индуктивность L12 прогрессивно уменьшаются (см. Рисунок 5). Индуцированное напряжение достигает своего наименьшего значения при 200 МГц. В этой точке появляется новый принцип действия, который накладывается на смещение поля в металле волокон (см. Рисунок 8).

Второй принцип индуктивного действия

С 200 МГц напряжение u2 увеличивается линейно с наклоном 20 дБ/дек, а индуктивность переходит в постоянную кривую: -235,9 дБГн (0,16 пГн) (см. Рисунок 5).

Компонент магнитного поля F2 проникает через заполненные воздухом отверстия в экранирующем материале. Для более низких частот этот компонент магнитного поля был слабее того, который проникает через металл экранирующего материала. По мере дальнейшего роста частоты всё поле вытесняется из металла экранирующего материала и проходит только через заполненные воздухом отверстия (см. Рисунок 8). Путь распространения линий магнитного поля перестаёт изменяться с ростом частоты, что делает индуктивность постоянной. Значение индуктивности L12 можно экстраполировать для ещё более высоких частот.

Индуктивность связи L12 экранирующего материала является параметром материала, который можно определить как специфическую линейную индуктивность L12' [пГн/см].

Сравнение экранирующих материалов

Индуктивное проникновение экрана было измерено для шести экранирующих материалов и представлено на Рисунке 9.

Свойства магнитного экранирования шести экранирующих материалов со связанной индуктивностью

Выше примерно 2 МГц можно наблюдать хорошие экранирующие свойства для трёх материалов (S10, S2 и 02). В случае трёх других материалов (01, 03 и 04) эффект экранирования отсутствовал или был слабым вплоть до 1,5 ГГц!

Эффективность экранирования материалов значительно отличается – от неэффективной до эффективной. Частотные диапазоны, в которых происходят различные принципы действия экранирования, незначительно смещаются в зависимости от материала.

• Экранирующий материал 04: Не проявляет эффекта магнитного экранирования, ведёт себя как воздух (пустая измерительная камера).
• Экранирующий материал 03: Достигает подавления магнитного поля всего на уровне 3 дБ при 1 ГГц.
• Экранирующий материал 01: Достигает подавления 12 дБ при 1 ГГц.
• Экранирующие материалы 02, S2 и S10: Эффективны и проявляют частотные диапазоны двух принципов действия. В первом диапазоне (до 200 МГц) материал действует путём вытеснения поля через отверстия в ячейках. Во втором диапазоне (>200 МГц) эффект определяется размером металлических отверстий в ячейках и их омическим сопротивлением (подавление 40...65 дБ). Структура экранирующего материала определяет эффект в обоих диапазонах.

Связанная индуктивность L12

Связанная индуктивность L12 экранирующего материала — это параметр, который описывает проникновение магнитного поля через материал. Она может быть нормализована к току в линии длиной 10 мм. Подавление магнитного поля выражается как разница в дБ между измерением с экранирующим материалом и эталонным измерением (без материала): Подавление = L12-материал [дБГн] - L12-пустота [дБГн]

Выводы по проектированию

Качество экранирования магнитного поля зависит от размера отверстий в ячейках, их сечения и проводимости. Результаты измерений с Рисунка 9 ясно показывают влияние экранирующих материалов на магнитное поле, что является преимуществом для их применения и развития. При проектировании экранирующих материалов важно конструктивно влиять на два индуктивных принципа действия.

Два основных механизма магнитного экранирования

Понимание эффективности магнитного экранирования требует знания основных механизмов, которые определяют, как магнитное поле подавляется или проникает через данный материал. В исследованных экранирующих материалах выделяются два ключевых эффекта:

I. Скин-эффект (skin effect) и смещение поля в металле

Первый механизм — так называемый скин-эффект. Он заключается в том, что переменный ток (AC) протекает в основном в тонком поверхностном слое проводника, называемом «скин-слоем». По мере увеличения частоты тока этот слой становится всё тоньше, что приводит к увеличению эффективного сопротивления и подавлению магнитного поля внутри материала. На практике это означает, что металлические элементы сетки или проводящих волокон в экранирующем материале «смещают» магнитное поле наружу, что ограничивает его проникновение внутрь. Этот эффект особенно силён в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц и выше, когда толщина скин-слоя становится очень маленькой.

II. Проникновение через воздушные отверстия в материале

Второй механизм связан с наличием отверстий, пустых пространств или «дыр» в структуре материала. В случае материалов, состоящих из проводящих сеток или волокон, расположенных определённым образом, магнитное поле может проникать через эти незащищённые фрагменты.

Действие этого механизма доминирует особенно при более низких частотах, до примерно 200 МГц, где поле проникает в основном через воздушные пространства между проводящими элементами.

Эффективность экранирования здесь сильно зависит от размера и формы этих отверстий, а также от их расположения.

Роль структуры материала в обоих механизмах

Комбинация этих двух явлений определяет окончательную эффективность экранирующего материала. Сетки с мелкими ячейками и волокна с высокой проводимостью вызывают более сильное подавление магнитного поля, особенно в более высоких частотных диапазонах, где скин-эффект наиболее эффективен.

Напротив, большие, нерегулярные отверстия могут значительно снизить эффективность экранирования, позволяя полю проникать даже при высоких частотах.

Как выбрать подходящий экранирующий материал?

Выбор материала для эффективного экранирования магнитного поля — это процесс, требующий учёта нескольких ключевых факторов, которые влияют на эффективность защиты от электромагнитных помех. Знание того, как структура материала и его электрические свойства влияют на поведение экрана в различных условиях, необходимо для обеспечения оптимальной работы электронных устройств.

Зависимость эффективности от структуры и частоты

Основной вопрос — это выбор материала в соответствии с диапазоном частот, на которых должен работать экран. На низких частотах (от десятков до сотен МГц) наибольшее значение имеет минимизация воздушных отверстий в материале. Даже незначительные разрывы или щели в проводящей сетке позволяют магнитному полю проникать, что значительно снижает эффективность экранирования. В этом диапазоне лучше всего подходят материалы с плотной волокнистой структурой, образующие почти непрерывную проводящую поверхность.

В более высоких частотных диапазонах (сотни МГц до ГГц) ключевую роль играет скин-эффект. Здесь, в свою очередь, важна высокая проводимость волокон и их расположение – тонкие, хорошо уложенные проводящие волокна создают слой, в котором переменный ток может течь без больших потерь. Материалы с большой толщиной и хорошей проводимостью обеспечивают большее подавление магнитных волн.

Значение отверстий, сопротивления и проводимости

Отверстия в структуре материала, даже если они небольшие, действуют как каналы, позволяющие магнитному полю проникать. Их размер и расположение определяют, сколько поля «просачивается» через экран. Поэтому важно выбирать материалы с минимальной пористостью или использовать дополнительные слои, заполняющие эти пространства.

Поверхностное сопротивление материала является ещё одним важным параметром. Низкое сопротивление способствует протеканию экранирующего тока и повышает эффективность подавления поля. На практике это означает, что даже незначительные изменения в составе или структуре волокон могут оказать заметное влияние на работу экрана.

Проводимость, в свою очередь, должна быть как можно выше, что часто достигается за счёт использования металлических волокон или проводящих покрытий. Углеродные или никелевые волокна являются популярными решениями, сочетающими хорошие механические свойства с эффективным экранированием.

Выбор подходящего экранирующего материала требует комплексного подхода, учитывающего диапазон рабочих частот, структуру материала, его проводимость и наличие отверстий. Правильно подобранный материал позволяет оптимально ограничить влияние магнитного поля, что является ключевым для защиты современных электронных устройств от помех.

Резюме: Что влияет на эффективное экранирование магнитного поля?

Экранирование магнитного поля — одна из сложнейших задач электромагнитной инженерии. Как мы показали в статье, эффективность защиты от помех зависит от сложной комбинации материальных, структурных и частотных свойств.

Факторы, влияющие на эффективность экранирования:

• Электрические свойства материала: Параметры, такие как поверхностное сопротивление (R'), внутренняя индуктивность (L') и ёмкость (C'), определяют, как материал реагирует на переменное магнитное поле. Материалы с низким сопротивлением и правильно подобранной индуктивностью подавляют поле более эффективно.
• Структура волокон и проводящей сетки: Плотность и расположение проводящих волокон имеют огромное значение. Сетки с малыми ячейками обеспечивают меньшее проникновение магнитного поля, а расположение волокон влияет на направленность экранирования.
• Механизмы проникновения поля: Магнитное поле может проникать через экран путём индуктивного проникновения и через воздушные отверстия. Понимание скин-эффекта и роли воздушных щелей позволяет лучше спроектировать эффективный экран.
• Частота поля: Эффективность экранирования изменяется вместе с частотой сигнала. На низких частотах ключевое значение имеет непрерывность проводящей поверхности, а на высоких — проводящие свойства и скин-эффект.
• Характеристики протестированных материалов: Сравнение шести различных экранирующих материалов показало, что наилучшие результаты достигают те, что обладают высокой проводимостью и минимальной пористостью, особенно в диапазоне до 1,5 ГГц.

Магнитное экранирование требует не только выбора подходящего материала, но и понимания его физических и электромагнитных свойств. Передовые материалы с проводящими волокнами являются многообещающей альтернативой традиционным металлическим экранам, предлагая большую гибкость и лёгкость применения.

При проектировании систем защиты от магнитного поля стоит обратить внимание на все обсуждённые аспекты, чтобы обеспечить максимальную защиту устройств в электромагнитной среде, которая становится всё более сложной и требовательной.

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