Як магнітне поле проникає в екрануючі матеріали? Аналіз і порівняння

Чому екранування магнітного поля є викликом?

Екранування магнітних полів є однією з більш складних проблем в електромагнітній інженерії. На відміну від електричного поля, яке можна відносно легко блокувати шарами, що проводять струм, чи ізолюючими шарами, магнітне поле має здатність проникати через багато матеріалів, що значно ускладнює його ефективне приглушення.

Основні труднощі виникають з того, що магнітне поле не взаємодіє безпосередньо з електричними зарядами, а з потоками струмів та магнітними моментами. Тому матеріали, що використовуються для екранування, повинні не тільки проводити струм, але й належним чином реагувати на зміни поля, що на практиці означає необхідність врахування багатьох фізичних та конструкційних параметрів.

Типові металеві екрани, виготовлені з фольги чи жерсті, чудово приглушують магнітне поле завдяки високій провідності та скін-ефекту, який обмежує проникнення поля до дуже тонкого поверхневого шару матеріалу. На жаль, такі рішення є жорсткими та мало гнучкими, що в багатьох сучасних застосуваннях, наприклад, у носимій електроніці чи гнучких схемах, є значним недоліком.

Натисніть і подивіться наші двокомпонентні екрани серії MS

Рис. 1. Металевий екран PCB

Тому все більшого значення набувають екрануючі матеріали з провідними волокнами, які пропонують гнучкість та легкість адаптації до різних форм. Однак їхня дія є набагато складнішою і вимагає детального розуміння механізмів проникнення магнітного поля через їхню структуру.

Натисніть і подивіться наші провідні та екрануючі тканини EMI/EMC

Рис. 2. Гнучкий провідний матеріал

Екрануючі матеріали з провідними волокнами – альтернатива металам

Магнітні екрани, виготовлені з металів, таких як мідь чи алюміній, хоч і є дуже ефективними, мають суттєві обмеження. Їхня жорсткість і відсутність гнучкості призводять до того, що їх не завжди можна легко застосувати в сучасних, часто складних електронних конструкціях чи в пристроях, що вимагають гнучких захисних матеріалів.

У відповідь на ці виклики з’явилися екрануючі матеріали на основі провідних волокон. Зазвичай це металізовані волокна або волокна, покриті шаром металу, сформовані в сітки чи тканини, які створюють легкі, гнучкі та легко адаптовані екрани. Такі рішення все частіше застосовуються в носимій електроніці, в автомобільній промисловості та в телекомунікаціях, де вимагаються як властивості екранування, так і комфорт використання.

Провідні волокна утворюють решітку, що складається з коротких, замкнених вічок (mesh), які відповідають за приглушення магнітного поля. Однак їхня дія є набагато складнішою, ніж у випадку однорідних металевих екранів. На ефективність впливає не тільки провідність самого металу, а й його просторове розташування, розмір отворів між волокнами, а також електричні параметри самої структури.

Натисніть і перевірте наші EMC намети

Рис. 3. EMC намет

Додатково, внутрішні параметри, такі як опір (R'), індуктивність (L') та ємність (C') цієї волокнистої структури, мають вирішальне значення для способу, в який магнітне поле приглушується. Складність цих механізмів призводить до того, що ефективність екранування не є постійною, а сильно залежить від частоти поля, а також від геометрії та властивостей самого матеріалу. Рис. 4

Рис. 4. Наближення екрануючого матеріалу

Параметри, що впливають на ефективність магнітного екранування

Ефективність матеріалів, що екранують магнітне поле, залежить від багатьох чинників, які можна розділити на дві основні групи: внутрішні властивості матеріалу та фізична структура провідних волокон. Розуміння цих параметрів є ключовим для свідомого підбору або проектування ефективного магнітного екрану.

Внутрішні властивості матеріалу: R', L', C'

У технічній літературі та інженерній практиці екранування описується, зокрема, через три основні параметри:

• R' (лінійний опір) – визначає електричний опір провідників всередині матеріалу, який впливає на приглушення вихрових струмів, що генеруються змінним магнітним полем.
• L' (лінійна індуктивність) – відповідає за здатність матеріалу накопичувати енергію в магнітному полі та регулює розповсюдження електромагнітних хвиль.
• C' (лінійна ємність) – пов'язана з діелектричними властивостями та розташуванням провідних волокон одна відносно одної, впливає на поведінку електричного поля.

Ці три параметри взаємодіють, визначаючи, як магнітне поле приглушується і як воно проникає через структуру екрануючого матеріалу. Вони змінюються разом із частотою сигналу, що додатково ускладнює аналіз і вимагає спеціалізованих вимірювань.

Значення структури волокон та провідної сітки

Крім електричних параметрів, на ефективність екранування величезний вплив має фізична структура матеріалу. У випадку волокнистих екрануючих матеріалів ключове значення мають:

• Розмір та форма вічок сітки – чим менші отвори, тим ефективніше блокування магнітного поля, особливо в вищих діапазонах частот.
• Розташування та щільність волокон – впливає на рівномірність покриття та безперервність провідних шляхів для вихрових струмів.
• Провідність волокон – матеріали з вищою провідністю (наприклад, мідь, срібло) краще приглушують магнітне поле, але можуть бути дорожчими або менш гнучкими.

Структура матеріалу вирішує, чи буде магнітне поле проникати переважно через металеві волокна або через повітряні отвори між ними. Ця динамічна залежність між магнітним полем і фізичною структурою пояснює складність ефективності екранування в залежності від умов роботи.

Ефективне екранування — це не тільки питання матеріалу, але й його структури та електричних властивостей. Щоб передбачити ефективність екрану, необхідний комплексний підхід, який враховує всі ці параметри та їхні взаємні залежності.

Як магнітне поле проникає через екран? Механізми дії

Розуміння, як магнітне поле проникає через екрануючий матеріал, є важливим для оптимізації електромагнітного захисту. Цей процес не є простим, оскільки поведінка поля залежить від багатьох чинників, включаючи частоту сигналу та структуру самого матеріалу.

Принцип зв’язку магнітного поля (представлений без скін-ефекту)

Опис проникнення магнітного поля через екран

Магнітне поле взаємодіє з екраном головним чином через індукцію – змінне магнітне поле генерує в провідному матеріалі вихрові струми, які, у свою чергу, створюють магнітне поле, що протидіє зовнішньому полю. Ця індукційна взаємодія вимірюється так званою пов'язаною індуктивністю L12, яка описує, наскільки ефективно матеріал «пропускає» магнітне поле.

Лінійно поширюваний струм i1 подається на нижню сторону екрануючого матеріалу (див. Рисунок вище). Магнітний потік Φ1, генерований струмом (Φ1 = L12 * i1), проникає в екрануючий матеріал в залежності від частоти. На верхній поверхні екрануючого матеріалу індукується напруга u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Індуктивність L12 пов’язує струм i1 з напругою u2. Індуктивність L12 залежить від частоти через скін-ефект. Її характеристика описує вплив скін-ефекту, а отже, магнітні властивості екрануючого матеріалу. Напруга u2 за екраном може спричиняти інші перешкоди, такі як струми, магнітні та електричні поля.

Для вимірювання індуктивності L12 використовується спеціальна вимірювальна камера. (Рисунок нижче) представляє конфігурацію цієї камери. Екрануючий матеріал поміщається в металевий закритий корпус вимірювальної камери. На нижній стороні екрануючого матеріалу знаходиться смугова лінія з імпедансом 50 Ом (смугова лінія 1). Струм i1, що протікає через смугову лінію, використовує екрануючий матеріал як зворотний шлях. Магнітне поле, генероване струмом i1, проникає в екрануючий матеріал відповідно до його ефективності екранування. На верхній стороні екрануючого матеріалу знаходиться друга смугова лінія 50 Ом (смугова лінія 2). Напруга u2 індукується в смуговій лінії 2 магнітним потоком Φ1.

Вимірювальна конфігурація зі смуговими лініями та вимірювальною камерою

Індуктивність L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) описує, скільки магнітного потоку Φ1 може проникнути через екрануючий матеріал та індукувати напругу u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Якщо у вимірювальній камері немає екрануючого матеріалу (див. Рисунок вище), вимірюється еталонна індуктивність L12 для вимірювальної конфігурації (див. нижче). Індуктивність L12 залишається постійною в широкому діапазоні частот. Кінець лінійної частотної характеристики вимірювальної камери настає при 1 ГГц.

Частотна характеристика та індукційний зв’язок вимірювальної камери без екрануючого матеріалу (i1 = const.)

Під час вимірювань (наприклад, у схемі зі стриплайнами, як показано на Рисунку вище), напруга, індукована в другій лінії (u2), є показником ступеня проникнення поля. Значення індуктивності L12 розраховується за формулою:

L12= - U2/Wi1

де U2 — це індукована напруга, W – пульсація, а i1 – струм у першій лінії.

Механізми екранування магнітного поля

Напруга u2, індукована магнітним полем (див. Рисунок нижче), зчитується смуговою лінією 2 як u2'. Ця напруга трохи менша від напруги u2 на поверхні екрануючого матеріалу, оскільки частина магнітного поля все ще проникає в простір між смуговою лінією та екрануючим матеріалом. Цей ефект надалі ігнорується, а u2' вважається ідентичною u2.

Зняття напруги u2 за допомогою смугової лінії

Напруга u2, індукована в смуговій лінії, залежить від ефективності магнітного екранування екрануючого матеріалу. Відповідна їй індуктивність L12 описує магнітне проникнення екрануючого матеріалу.

Рисунок 5 представляє індуковану напругу u2 та індуктивність L12 для екрануючого матеріалу S10.

Індукційне проникнення екрануючого матеріалу S10

Провідні волокна в металізованому нетканому матеріалі утворюють замкнені вічка. Магнітне поле витісняється з металевих вічок разом із зростанням частоти (від 500 кГц до 200 МГц).

У нижчому діапазоні частот (нижче 1 МГц) екрануючий матеріал не проявляє ефекту приглушення (див. Рисунок 5). Індукована напруга u2 та індуктивність L12 дорівнюють еталонним значенням, виміряним у порожній камері.

Індукційне проникнення екрануючого матеріалу в нижчому діапазоні частот без скін-ефекту.

Індукційне проникнення екрануючого матеріалу зі скін-ефектом; магнітне поле проникає через заповнені повітрям отвори в матеріалі

Приблизно з 0,5 МГц індуктивність порожньої камери залишається постійною на рівні -169,8 дБГн (3,23 нГн). Нижче 400 кГц індуктивність, здається, збільшується, що, ймовірно, є результатом зростання напруги u2, спричиненого впливом електричного поля смугової лінії 2.

Перший принцип індукційної дії

З 0,5 МГц скін-ефект починає бути помітним у металевих частинах екрануючого матеріалу (див. Рисунок 7). Напруга u2 та індуктивність L12 прогресивно зменшуються (див. Рисунок 5). Індукована напруга досягає свого найнижчого значення при 200 МГц. У цьому місці з'являється новий принцип дії, який накладається на зміщення поля в металі волокон (див. Рисунок 8).

Другий принцип індукційної дії

З 200 МГц напруга u2 зростає лінійно з нахилом 20 дБ/дек, а індуктивність переходить у постійну криву: -235,9 дБГн (0,16 пГн) (див. Рисунок 5).

Компонент магнітного поля F2 проникає через заповнені повітрям отвори в екрануючому матеріалі. Для нижчих частот цей компонент магнітного поля був слабшим від того, який проникає через метал екрануючого матеріалу. У міру подальшого зростання частоти все поле витісняється з металу екрануючого матеріалу і проходить лише через отвори, заповнені повітрям (див. Рисунок 8). Шлях розповсюдження ліній магнітного поля перестає змінюватися зі зростанням частоти, що робить індуктивність постійною. Значення індуктивності L12 можна екстраполювати для ще вищих частот.

Індуктивність зв’язку L12 екрануючого матеріалу є параметром матеріалу, який можна визначити як специфічну лінійну індуктивність L12' [пГн/см].

Порівняння екрануючих матеріалів

Індукційне проникнення екрану було виміряно для шести екрануючих матеріалів і представлено на Рисунку 9.

Властивості магнітного екранування шести екрануючих матеріалів з індукційним зв’язком

Вище приблизно 2 МГц можна спостерігати хороші властивості екранування для трьох матеріалів (S10, S2 та 02). У випадку трьох інших матеріалів (01, 03 та 04) ефект екранування був відсутній або був слабким аж до 1,5 ГГц!

Ефективність екранування матеріалів значно відрізняється – від неефективної до ефективної. Частотні діапазони, в яких відбуваються різні принципи дії екранування, незначно зміщуються в залежності від матеріалу.

• Екрануючий матеріал 04: Не проявляє ефекту магнітного екранування, поводиться як повітря (порожня вимірювальна камера).
• Екрануючий матеріал 03: Досягає приглушення магнітного поля лише на рівні 3 дБ при 1 ГГц.
• Екрануючий матеріал 01: Досягає приглушення 12 дБ при 1 ГГц.
• Екрануючі матеріали 02, S2 та S10: Є ефективними і проявляють частотні діапазони двох принципів дії. У першому діапазоні (до 200 МГц) матеріал діє шляхом витіснення поля через отвори у вічках. У другому діапазоні (>200 МГц) ефект визначається розміром металевих отворів у вічках та їхнім омічним опором (приглушення 40...65 дБ). Структура екрануючого матеріалу визначає ефект в обох діапазонах.

Індуктивність зв’язку L12

Індуктивність зв’язку L12 екрануючого матеріалу є параметром, який описує проникнення магнітного поля через матеріал. Вона може бути нормалізована до струму в лінії довжиною 10 мм. Приглушення магнітного поля виражається як різниця в дБ між вимірюванням з екрануючим матеріалом та еталонним вимірюванням (без матеріалу): Приглушення = L12-матеріал [дБГн] - L12-порожнеча [дБГн]

Висновки щодо проектування

Якість екранування магнітного поля залежить від розміру отворів у вічках, їхнього перерізу та провідності. Результати вимірювань з Рисунка 9 ясно показують вплив екрануючих матеріалів на магнітне поле, що є перевагою для їхнього застосування та розвитку. При проектуванні екрануючих матеріалів важливо конструктивно впливати на два індукційні принципи дії.

Два головні механізми магнітного екранування

Розуміння ефективності магнітного екранування вимагає знання основних механізмів, які вирішують, як магнітне поле приглушується або проникає через даний матеріал. У досліджених екрануючих матеріалах виділяють два ключові ефекти:

I. Скін-ефект (skin effect) та зміщення поля в металі

Перший механізм — так званий скін-ефект. Він полягає в тому, що змінний струм (AC) протікає головним чином у тонкому поверхневому шарі провідника, який називається «скін-шаром». У міру зростання частоти струму, цей шар стає все тоншим, що призводить до збільшення ефективного опору та приглушення магнітного поля всередині матеріалу. На практиці це означає, що металеві елементи сітки або провідних волокон в екрануючому матеріалі «зміщують» магнітне поле назовні, що обмежує його проникнення всередину. Цей ефект є особливо сильним у діапазоні частот від кількох сотень мегагерців і вище, коли товщина скін-шару стає дуже малою.

II. Проникнення через повітряні отвори в матеріалі

Другий механізм пов'язаний з наявністю отворів, порожніх просторів або «дірок» у структурі матеріалу. У випадку матеріалів, що складаються з провідних сіток або волокон, розташованих у певний спосіб, магнітне поле може проникати через ці незахищені фрагменти.

Дія цього механізму є домінуючою особливо при нижчих частотах, до близько 200 МГц, де поле проникає головним чином через повітряні простори між провідними елементами.

Ефективність екранування тут сильно залежить від розміру та форми цих отворів, а також від їхнього розташування.

Роль структури матеріалу в обох механізмах

Комбінація цих двох явищ визначає остаточну ефективність екрануючого матеріалу. Сітки з дрібними вічками та волокна з високою провідністю спричиняють сильніше приглушення магнітного поля, особливо у вищих діапазонах частот, де скін-ефект є найбільш ефективним.

Натомість великі, нерегулярні отвори можуть значно знижувати ефективність екранування, дозволяючи полю проникати навіть при високих частотах.

Як підібрати відповідний екрануючий матеріал?

Підбір матеріалу для ефективного екранування магнітного поля — це процес, що вимагає врахування кількох ключових чинників, які впливають на ефективність захисту від електромагнітних перешкод. Знання того, як структура матеріалу та його електричні властивості перетворюються на поведінку екрану в різних умовах, є необхідним, щоб забезпечити оптимальну роботу електронних пристроїв.

Залежність ефективності від структури та частоти

Основним питанням є підбір матеріалу відповідно до діапазону частот, на яких повинен працювати екран. На низьких частотах (кілька десятків до кількох сотень МГц) найбільше значення має мінімізація повітряних отворів у матеріалі. Навіть дрібні перерви чи щілини в провідній сітці дозволяють магнітному полю проникати, що значно знижує ефективність екранування. У цьому діапазоні найкраще підходять матеріали зі щільною структурою волокон, що утворюють майже безперервну провідну поверхню.

У вищих частотних діапазонах (сотні МГц до ГГц) ключову роль відіграє скін-ефект. Тут, у свою чергу, важлива висока провідність волокон та їхнє розташування – тонкі, добре розташовані провідні волокна створюють шар, у якому змінний струм може протікати без великих втрат. Матеріали з великою товщиною та хорошою провідністю забезпечують більше приглушення магнітних хвиль.

Значення отворів, опору та провідності

Отвори в структурі матеріалу, навіть якщо вони невеликі, діють як канали, що дозволяють магнітному полю проникати. Їхній розмір та розташування вирішують, скільки поля «просочується» через екран. Тому важливо підбирати матеріали з мінімальною пористістю або застосовувати додаткові шари, що заповнюють ці простори.

Поверхневий опір матеріалу є ще одним важливим параметром. Низький опір сприяє протіканню екрануючого струму та підвищує ефективність приглушення поля. На практиці це означає, що навіть незначні зміни в складі чи структурі волокон можуть мати помітний вплив на дію екрану.

Провідність, у свою чергу, повинна бути якомога вищою, що часто досягається через застосування металевих волокон чи провідних покриттів. Вуглецеві чи нікелеві волокна є популярними рішеннями, що поєднують хороші механічні властивості з ефективним екрануванням.

Вибір відповідного екрануючого матеріалу вимагає цілісного підходу, що враховує діапазон частот роботи, структуру матеріалу, його провідність та наявність отворів. Добре підібраний матеріал дозволяє оптимально обмежити вплив магнітного поля, що є ключовим для захисту сучасних електронних пристроїв від перешкод.

Підсумок: Що впливає на ефективне екранування магнітного поля?

Екранування магнітного поля — це один з найважчих викликів електромагнітної інженерії. Як ми показали в усій статті, ефективність захисту від перешкод залежить від складної комбінації властивостей матеріалу, структурних та частотних.

Чинники, що впливають на ефективність екранування:

• Електричні властивості матеріалу: Параметри, такі як поверхневий опір (R'), внутрішня індуктивність (L') та ємність (C'), вирішують, як матеріал реагує на змінне магнітне поле. Матеріали з низьким опором і належно підібраною індуктивністю приглушують поле більш ефективно.
• Структура волокон та провідної сітки: Щільність та розташування провідних волокон мають величезне значення. Сітки з малими вічками забезпечують менше проникнення магнітного поля, а розташування волокон впливає на спрямованість екранування.
• Механізми проникнення поля: Магнітне поле може проникати в екран через індукційне проникнення та через повітряні отвори. Розуміння скін-ефекту та ролі повітряних щілин дозволяє краще спроектувати ефективний екран.
• Частота поля: Ефективність екранування змінюється разом із частотою сигналу. На низьких частотах ключовою є безперервність провідної поверхні, а на високих – провідні властивості та скін-ефект.
• Характеристика протестованих матеріалів: Порівняння шести різних екрануючих матеріалів показало, що найкращі результати досягають ті з високою провідністю та мінімальною пористістю, особливо в діапазоні до 1,5 ГГц.

Екранування магнітного поля вимагає не тільки вибору відповідного матеріалу, але й розуміння його фізичних та електромагнітних властивостей. Передові матеріали з провідними волокнами є багатообіцяючою альтернативою для традиційних металевих екранів, пропонуючи більшу гнучкість та легкість застосування.

При проектуванні систем захисту від магнітного поля варто звернути увагу на всі обговорені аспекти, щоб забезпечити максимальний захист пристроїв в електромагнітному середовищі, яке стає все більш складним та вимогливим.

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