Како магнетно поље продире у екранирајуће материјале? Анализа и поређење

Зашто је магнетна заштита изазов?

Заштита од магнетних поља један је од најкомплекснијих проблема у електромагнетном инжењерингу. За разлику од електричног поља, које се релативно лако може блокирати проводљивим или изолационим слојевима, магнетно поље има способност да продре кроз многе материјале, што значајно отежава његово ефикасно слабљење.

Главне потешкоће произилазе из чињенице да магнетно поље не делује директно са електричним набојима, већ са струјним сетовима и магнетним моментима. Због тога, материјали који се користе за заштиту морају не само да проводе струју, већ и да адекватно реагују на промене поља, што у пракси значи да је потребно узети у обзир многе физичке и конструктивне параметре.

Типичне металне заштите, направљене од фолије или лима, одлично слабе магнетно поље захваљујући високој проводљивости и површинском ефекту (skin effect), који ограничава продирање поља у врло танак површински слој материјала. Нажалост, таква решења су крута и нефлексибилна, што је значајан недостатак у многим савременим применама, на пример, у носивој електроници или флексибилним круговима.

Кликните и погледајте наше дводелне заштите серије MS

Сл. 1. Метална PCB заштита

Због тога све већи значај добијају материјали за заштиту са проводљивим влакнима, који нуде флексибилност и лако прилагођавање различитим облицима. Међутим, њихово деловање је много сложеније и захтева детаљно разумевање механизама продирања магнетног поља кроз њихову структуру.

Кликните и погледајте наше проводљиве и заштитне EMI/EMC тканине

Сл. 2. Флексибилни проводљиви материјал

Материјали за заштиту са проводљивим влакнима – алтернатива металима

Магнетне заштите направљене од метала као што су бакар или алуминијум, иако су врло ефикасне, имају значајна ограничења. Њихова крутост и нефлексибилност значе да их није увек лако применити у савременим, често сложеним електронским конструкцијама или у уређајима који захтевају флексибилне заштитне материјале.

Као одговор на ове изазове, појавили су се материјали за заштиту на бази проводљивих влакана. То су обично метализована влакна или влакна пресвучена слојем метала, обликована у мреже или тканине које стварају лаке, флексибилне и лако прилагодљиве заштите. Таква решења се све чешће користе у носивој електроници, у аутомобилској индустрији и у телекомуникацијама, где су потребна и заштитна својства и лакоћа коришћења.

Проводљива влакна формирају мрежасту структуру, састављену од кратких, затворених ћелија, које су одговорне за слабљење магнетног поља. Међутим, њихово деловање је много сложеније него у случају хомогених металних заштита. На ефикасност утиче не само проводљивост самог метала, већ и његов просторни распоред, величина отвора између влакана, као и електрични параметри саме структуре.

Кликните и проверите наше EMC шаторе

Сл. 3. EMC шатор

Поред тога, унутрашњи параметри, као што су отпорност (R'), индуктивност (L') и капацитивност (C') ове влакнасте структуре, кључни су за начин на који се магнетно поље слаби. Сложеност ових механизама доводи до тога да ефикасност заштите није константна, већ снажно зависи од фреквенције поља, као и од геометрије и својстава самог материјала. Сл. 4

Сл. 4. Увећање заштитног материјала

Параметри који утичу на ефикасност магнетне заштите

Ефикасност материјала који штите магнетно поље зависи од мноштва фактора који се могу поделити у две главне групе: унутрашња својства материјала и физичка структура проводљивих влакана. Разумевање ових параметара је кључно за свестан избор или дизајн ефикасне магнетне заштите.

Унутрашња својства материјала: R', L', C'

У техничкој литератури и инжењерској пракси, заштита се описује, између осталог, помоћу три основна параметра:

• R' (линеарни отпор) – одређује електрични отпор проводника унутар материјала, што утиче на слабљење вртложних струја генерисаних променљивим магнетним пољем.
• L' (линеарна индуктивност) – одговорна је за способност материјала да складишти енергију у магнетном пољу и регулише ширење електромагнетних таласа.
• C' (линеарна капацитивност) – повезана је са диелектричним својствима и распоредом проводљивих влакана једно према другом, што утиче на понашање електричног поља.

Ова три параметра међусобно делују, одређујући како се магнетно поље слаби и како продире кроз структуру заштитног материјала. Они се мењају са фреквенцијом сигнала, што додатно компликује анализу и захтева специјализована мерења.

Значај структуре влакана и проводљиве мреже

Осим електричних параметара, физичка структура материјала има огроман утицај на ефикасност заштите. У случају влакнастих материјала за заштиту, кључни су следећи елементи:

• Величина и облик ћелија мреже – што су мањи отвори, то је ефикасније блокирање магнетног поља, посебно у вишим фреквентним опсезима.
• Распоред и густина влакана – утичу на униформност покривености и континуитет проводљивих путева за вртложне струје.
• Проводљивост влакана – материјали са већом проводљивошћу (нпр. бакар, сребро) боље слабе магнетно поље, али могу бити скупљи или мање флексибилни.

Структура материјала одлучује да ли ће магнетно поље продирати првенствено кроз метална влакна или кроз ваздушне отворе између њих. Ова динамична веза између магнетног поља и физичке структуре објашњава сложеност ефикасности заштите у зависности од радних услова.

Ефикасна заштита није само питање материјала, већ и његове структуре и електричних својстава. Да би се предвидела ефикасност заштите, потребан је холистички приступ који узима у обзир све ове параметре и њихове међусобне зависности.

Како магнетно поље продире кроз заштиту? Механизми деловања

Разумевање начина на који магнетно поље продире кроз заштитни материјал је кључно за оптимизацију електромагнетне заштите. Овај процес није једноставан, јер понашање поља зависи од многих фактора, укључујући фреквенцију сигнала и структуру самог материјала.

Принцип спрезања магнетног поља (приказан без површинског ефекта)

Опис продирања магнетног поља кроз заштиту

Магнетно поље делује са заштитом углавном путем индукције – променљиво магнетно поље генерише у проводљивом материјалу вртложне струје, које заузврат стварају магнетно поље које се супротставља спољном пољу. Ово индуктивно деловање мери се тзв. међусобном индуктивношћу L12, која описује колико ефикасно материјал „пропушта“ магнетно поље.

Линеарно ширећи струја i1 се доводи на доњу страну заштитног материјала (погледајте слику изнад). Магнетни ток Φ1, генерисан струјом (Φ1 = L12 * i1), продире у заштитни материјал у зависности од фреквенције. На горњој површини заштитног материјала индукује се напон u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Индуктивност L12 везује струју i1 са напоном u2. Индуктивност L12 зависи од фреквенције због површинског ефекта. Њена карактеристика описује утицај површинског ефекта, а тиме и магнетна својства заштитног материјала. Напон u2 иза заштите може изазвати друге сметње, као што су струје, магнетна и електрична поља.

За мерење индуктивности L12 користи се посебна мерна комора. (Слика испод) приказује конфигурацију ове коморе. Заштитни материјал је постављен у метално затворено кућиште мерне коморе. На доњој страни заштитног материјала налази се стрип-линија од 50 Ω (стрип-линија 1). Струја i1 која тече кроз стрип-линију користи заштитни материјал као повратни пут. Магнетно поље генерисано струјом i1 продире у заштитни материјал у складу са његовом ефикасношћу заштите. На горњој страни заштитног материјала налази се друга стрип-линија од 50 Ω (стрип-линија 2). Напон u2 је индукован у стрип-линији 2 магнетним током Φ1.

Мерна конфигурација са стрип-линијама и мерном комором

Индуктивност L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) описује колико магнетног тока Φ1 може продрети кроз заштитни материјал и индуковати напон u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Ако у мерној комори нема заштитног материјала (погледајте слику изнад), мери се референтна индуктивност L12 за мерну конфигурацију (погледајте испод). Индуктивност L12 остаје константна у широком фреквентном опсегу. Крај линеарне фреквентне карактеристике мерне коморе наступа на 1 GHz.

Фреквентна карактеристика и индуктивно спрезање мерне коморе без заштитног материјала (i1 = const.)

Током мерења (нпр. у поставци са стрип-линијама, као што је приказано на слици изнад), напон индукован у другој линији (u2) је показатељ степена продирања поља. Вредност индуктивности L12 се израчунава помоћу формуле:

L12= - U2/Wi1

где је U2 индуковани напон, W је кружна фреквенција, а i1 је струја у првој линији.

Механизми заштите магнетног поља

Напон u2, индукован магнетним пољем (погледајте слику испод), стрип-линија 2 снима као u2'. Овај напон је нешто мањи од напона u2 на површини заштитног материјала, јер део магнетног поља и даље продире у простор између стрип-линије и заштитног материјала. Овај ефекат се даље занемарује, а u2' се сматра идентичним са u2.

Снимање напона u2 помоћу стрип-линије

Напон u2, индукован у стрип-линији, зависи од ефикасности магнетне заштите заштитног материјала. Његова одговарајућа индуктивност L12 описује магнетну пропусност заштитног материјала.

Слика 5 приказује индуковани напон u2 и индуктивност L12 за заштитни материјал S10.

Индуктивно продирање заштитног материјала S10

Проводљива влакна у метализованом нетканом материјалу формирају затворена ока. Магнетно поље се истискује из металних ока са повећањем фреквенције (од 500 kHz до 200 MHz).

У нижем фреквентном опсегу (испод 1 MHz) заштитни материјал не показује ефекат слабљења (погледајте слику 5). Индуковани напон u2 и индуктивност L12 су једнаки референтним вредностима мереним у празној комори.

Индуктивно продирање заштитног материјала у нижем фреквентном опсегу без површинског ефекта.

Индуктивно продирање заштитног материјала са површинским ефектом; магнетно поље продире кроз отворе испуњене ваздухом у материјалу

Од приближно 0,5 MHz, индуктивност празне коморе остаје константна на нивоу од -169,8 dBH (3,23 nH). Испод 400 kHz, индуктивност се чини да расте, што је вероватно резултат повећања напона u2 узрокованог утицајем електричног поља стрип-линије 2.

Први принцип индуктивног деловања

Од 0,5 MHz, површински ефекат почиње да буде приметан у металним деловима заштитног материјала (погледајте слику 7). Напон u2 и индуктивност L12 прогресивно опадају (погледајте слику 5). Индуковани напон достиже своју најнижу вредност на 200 MHz. У овом тренутку се појављује нови принцип деловања, који се преклапа са померањем поља у металу влакана (погледајте слику 8).

Други принцип индуктивног деловања

Од 200 MHz, напон u2 расте линеарно са нагибом од 20 dB/dec, а индуктивност прелази у константну криву: -235,9 dBH (0,16 pH) (погледајте слику 5).

Компонента магнетног поља F2 продире кроз ваздухом напуњене отворе у заштитном материјалу. За ниже фреквенције, ова компонента магнетног поља била је слабија од оне која је продирала кроз метал заштитног материјала. Са даљим порастом фреквенције, цело поље се истискује из метала заштитног материјала и пролази само кроз ваздухом напуњене отворе (погледајте слику 8). Путања ширења линија магнетног поља престаје да се мења са повећањем фреквенције, што чини индуктивност константном. Вредност индуктивности L12 може се екстраполирати за још више фреквенције.

Међусобна индуктивност L12 заштитног материјала је параметар материјала који се може дефинисати као специфична линеарна индуктивност L12' [pH/cm].

Поређење материјала за заштиту

Индуктивно продирање заштите је мерено за шест заштитних материјала и приказано је на слици 9.

Својства магнетне заштите шест заштитних материјала са међусобном индуктивношћу

Изнад око 2 MHz могу се приметити добре заштитне особине за три материјала (S10, S2 и 02). У случају остала три материјала (01, 03 и 04), ефекат заштите је био одсутан или слаб до 1,5 GHz!

Ефикасност заштите материјала значајно се разликује – од неефикасне до ефикасне. Фреквентни опсези у којима се појављују различити принципи деловања заштите благо се померају у зависности од материјала.

• Материјал за заштиту 04: Не показује ефекат магнетне заштите, понаша се као ваздух (празна мерна комора).
• Материјал за заштиту 03: Достиже слабљење магнетног поља само на нивоу од 3 dB на 1 GHz.
• Материјал за заштиту 01: Достиже слабљење од 12 dB на 1 GHz.
• Материјали за заштиту 02, S2 и S10: Су ефикасни и показују фреквентне опсеге оба принципа деловања. У првом опсегу (до 200 MHz), материјал делује истискивањем поља кроз отворе у ћелијама. У другом опсегу (>200 MHz), ефекат је одређен величином металних отвора у ћелијама и њиховим омским отпором (слабљење 40...65 dB). Структура заштитног материјала одређује ефекат у оба опсега.

Међусобна индуктивност L12

Међусобна индуктивност L12 заштитног материјала је параметар који описује продирање магнетног поља кроз материјал. Може се нормализовати према струји у линији дужине 10 mm. Слабљење магнетног поља изражава се као разлика у dB између мерења са заштитним материјалом и референтног мерења (без материјала): Слабљење = L12-материјал [dBH] - L12-празно [dBH]

Закључци за дизајн

Квалитет магнетне заштите зависи од величине отвора у ћелијама, њиховог попречног пресека и проводљивости. Резултати мерења са слике 9 јасно показују утицај материјала за заштиту на магнетно поље, што је предност за њихову примену и развој. Приликом дизајнирања материјала за заштиту, важно је конструктивно утицати на оба индуктивна принципа деловања.

Два главна механизма магнетне заштите

Разумевање ефикасности магнетне заштите захтева познавање основних механизама који одређују како се магнетно поље слаби или продире кроз дати материјал. У испитиваним материјалима за заштиту разликују се два кључна ефекта:

I. Површински ефекат (skin effect) и померање поља у металу

Први механизам је тзв. површински ефекат. Он се састоји у томе да наизменична струја (AC) тече углавном у танком површинском слоју проводника, названом „површински слој“. Са повећањем фреквенције струје, овај слој постаје све тањи, што доводи до повећања ефективног отпора и слабљења магнетног поља унутар материјала. У пракси, то значи да метални елементи мреже или проводљивих влакана у заштитном материјалу „истискују“ магнетно поље напоље, што ограничава његово продирање унутра. Овај ефекат је посебно јак у фреквентном опсегу од неколико стотина мегахерца навише, када дебљина површинског слоја постаје врло мала.

II. Продирање кроз ваздушне отворе у материјалу

Други механизам је повезан са присуством отвора, празних простора или „рупа“ у структури материјала. У случају материјала састављених од проводљивих мрежа или влакана распоређених на одређени начин, магнетно поље може продрети кроз ове незаштићене фрагменте.

Деловање овог механизма је доминантно посебно при нижим фреквенцијама, до око 200 MHz, где поље продире углавном кроз ваздушне просторе између проводљивих елемената.

Ефикасност заштите овде снажно зависи од величине и облика ових отвора, као и од њиховог распореда.

Улога структуре материјала у оба механизма

Комбинација ова два феномена одређује коначну ефикасност заштитног материјала. Мреже са малим ћелијама и влакна са високом проводљивошћу узрокују снажније слабљење магнетног поља, посебно у вишим фреквентним опсезима, где је површински ефекат најефикаснији.

С друге стране, велики, неправилни отвори могу значајно смањити ефикасност заштите, омогућавајући пољу да продре чак и при високим фреквенцијама.

Како одабрати одговарајући заштитни материјал?

Избор материјала за ефикасну заштиту од магнетног поља је процес који захтева узимање у обзир неколико кључних фактора који утичу на ефикасност заштите од електромагнетних сметњи. Познавање тога како се структура материјала и његова електрична својства преносе на понашање заштите под различитим условима је кључно за осигурање оптималног рада електронских уређаја.

Зависност ефикасности од структуре и фреквенције

Главно питање је избор материјала у складу са фреквентним опсегом у којем заштита треба да функционише. При ниским фреквенцијама (од неколико десетина до неколико стотина MHz) највећи значај има минимизирање ваздушних отвора у материјалу. Чак и незнатни прекиди или пукотине у проводљивој мрежи омогућавају магнетном пољу да продре, што значајно смањује ефикасност заштите. У овом опсегу најпогоднији су материјали са густом влакнастом структуром, који формирају готово континуирану проводљиву површину.

У вишим фреквентним опсезима (стотине MHz до GHz) кључну улогу игра површински ефекат. Овде је, заузврат, важна висока проводљивост влакана и њихов распоред – танка, добро распоређена проводљива влакна стварају слој у којем наизменична струја може да тече без великих губитака. Материјали са великом дебљином и добром проводљивошћу обезбеђују веће слабљење магнетних таласа.

Значај отвора, отпора и проводљивости

Отвори у структури материјала, чак и ако су мали, делују као канали, омогућавајући магнетном пољу да продре. Њихова величина и распоред одлучују о томе колико поља „цури“ кроз заштиту. Због тога је важно бирати материјале са минималном порозношћу или користити додатне слојеве који попуњавају ове просторе.

Површински отпор материјала је још један важан параметар. Низак отпор погодује протоку струје заштите и повећава ефикасност слабљења поља. У пракси то значи да чак и мале промене у саставу или структури влакана могу имати приметан утицај на перформансе заштите.

Проводљивост, заузврат, треба да буде што је могуће већа, што се често постиже употребом металних влакана или проводљивих премаза. Угљенична или никлова влакна су популарна решења која комбинују добра механичка својства са ефикасном заштитом.

Избор одговарајућег заштитног материјала захтева холистички приступ, који узима у обзир фреквентни опсег рада, структуру материјала, његову проводљивост и присуство отвора. Правилно одабрани материјал омогућава оптимално ограничавање утицаја магнетног поља, што је кључно за заштиту савремених електронских уређаја од сметњи.

Резиме: Шта утиче на ефикасну магнетну заштиту?

Заштита магнетног поља један је од најтежих задатака у електромагнетном инжењерингу. Као што смо показали у целом чланку, ефикасност заштите од сметњи зависи од сложене комбинације својстава материјала, структуре и фреквенције.

Фактори који утичу на ефикасност заштите:

• Електрична својства материјала: Параметри попут површинског отпора (R'), унутрашње индуктивности (L') и капацитивности (C') одређују како материјал реагује на променљиво магнетно поље. Материјали са ниским отпором и правилно одабраном индуктивношћу слабе поље ефикасније.
• Структура влакана и проводљиве мреже: Густина и распоред проводљивих влакана су од огромног значаја. Мреже са малим ћелијама обезбеђују мање продирање магнетног поља, а распоред влакана утиче на усмереност заштите.
• Механизми продирања поља: Магнетно поље може продрети у заштиту путем индуктивног продирања и кроз ваздушне отворе. Разумевање површинског ефекта и улоге ваздушних размака омогућава бољи дизајн ефикасне заштите.
• Фреквенција поља: Ефикасност заштите се мења са фреквенцијом сигнала. При ниским фреквенцијама, континуитет проводљиве површине је кључан, док су при високим фреквенцијама најважније проводљиве особине и површински ефекат.
• Карактеристика тестираних материјала: Поређење шест различитих заштитних материјала показало је да најбоље резултате постижу они са високом проводљивошћу и минималном порозношћу, посебно у опсегу до 1,5 GHz.

Магнетна заштита захтева не само избор одговарајућег материјала, већ и разумевање његових физичких и електромагнетних својстава. Напредни материјали са проводљивим влакнима су обећавајућа алтернатива традиционалним металним заштитама, нудећи већу флексибилност и лакшу примену.

Приликом пројектовања система заштите од магнетног поља, вреди узети у обзир све разматране аспекте како би се обезбедила максимална заштита уређаја у све сложенијем и захтевнијем електромагнетном окружењу.

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