Transcript Calculul ecranarii

Calculul ecranelor
CONTRACTUL CNCSIS 429/2006
Studiul proprietăţilor de ecranare a materialelor obţinute prin nanotehnologii şi
nanoprocese în vederea integrării în sistemele electrice şi electronice pentru
îmbunătăţirea calităţii mediului
Calculul eficienţei ecranării
SEdB  AdB  RdB  BdB
Eficienţa ecranării este suma pierderilor prin absorbţie, reflexie şi re-reflexie.
Termenii A, R şi B au următoarea formă:
AdB  20lg eα d
RdB
1 
   1 
 20lg  377
  2



4

2
2 
 

 1  


 377  


A2  B2
BdB  20 lg
3772  2  377



1 



2 2 

W0
W0-W1-W2-W3
W0-W1
W1
W3
Calculul eficienţei ecranării
Efectuând calculele, atenuarea prin reflexie RdB poate fi exprimată pentru câmpul
electric în 2 variante, dacă sursa este aproape de ecran şi dacă sursa este
îndepărtată. A. Schwab1 obţine următoarele rezultate:
Zona depărtată
Zona apropiată
R dB  108 10 lg
R dB
 r f MHz
r
3
 r f MHz
rm2
 142 10 lg
r
r- distanţa între sursă şi ecran
Atenuarea prin absorbţie AdB este:
AdB  1314d cm f MHz  r  r
Atenuarea prin re- reflexie BdB este:
BdB  20 lg1  e
neglija
1.Se
A.poate
Schwab,
Compatibilitate electromagnetică, Ed. Tehnică, 1996
2d f
e
 j 2d f
Conductivitate, permeabilitate şi
permitivitate
Conductivitatea electrică este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui
material de a permite transportul sarcinilor electrice atunci cînd este plasat într-un cîmp
electric. Simbolul folosit pentru această mărime este de obicei σ (litera grecească
sigma), iar unitatea de măsură este siemens pe metru (S·m−1). Mărimea inversă
conductivităţii este rezistivitatea electrică, cu simbolul ρ (litera grecească ro) şi unitatea
de măsură ohm metru (Ω·m).
Permeabilitatea este gradul de magnetizare a unui material care reacţionează linear, când
este străbătut de un câmp magnetic. Permeabilitatea magnetică este de obicei
reprezentată de litera greacă, μ. În Sistemul Internaţional, permeabilitatea este măsurată
în henry pe metru (H m-1), sau în Newton supra amper pătrat(N A-2). Valoarea constantă
μ0 este cunoscută sub numele de constanta magnetică sau permeabilitatea vidului, şi are
valoarea μ0 = 4π×10−7 N·A−2
Permitivitatea electrică este o mărime care indică rezistenta opusă la polarizare
electrică a unui dielectric. Unitatea de masură in SI este farad pe metru.
Permitivitatea vidului este: ε0=8.854 × 10-12 [F/m]
Conductivitatea şi permeabilitatea
relativă
Analogia între ecranare şi linii de transmisie
Ideea lui Shelkunoff publicată în:
Elementele de circuit C şi
L pentru liniile de
transmisie se stabilesc
prin corespondenţa C
corespunde lui  şi L
corespunde lui ,
permitivitatea respectiv
permeabilitatea mediului
de transmisie. Elementul
de circuit R se stabileşte
prin analogia firească între
propagarea energiei
electrice prin conductoare
şi propagarea undei
electromagnetice printr-un
mediu conductor care
atenuează unda.
Comportarea liniei de
transmisie în cazul
modelării unui ecran este
opusă comportării la
aplicarea unei tensiuni,
deci lui R îi corespunde 
(conductivitatea mediului).
Schelkunoff S., The impedance Concept and its Application to Problems of
Reflection, Shielding and Power Absorption, Bell System Technical,
1938
Câmp atenuat (Eo, Ho)
Emiţător (Ei, Hi)
Mediu propagare
(aer)
Ecran (material conductor)
Mediu propagare (aer)
Vi

Ecran (material) (conductor)
1


1
50
1
Vo
Model Spice
Diagramă redată aproximativ
pentru 76m în [1]
Date simulate de
atenuare în funcţie
de frecvenţă
obţinute prin
modelare SPICE şi
date măsurate
preluate din
bibliografie.
White, D.R.J.:
Electromagnetic
Shielding Materials
and Properties. Don
White Consultants,
Inc., 1980
Diagramă redată aproximativ
pentru 762m în [1]
1000m
100m
10m
1m
T1 Linie de transmisie
1
2
R
L
VIN
C
G
R1
V2
0
Măsurarea atenuării în ghid de undă cu
sistemul LABVOLT
Pentru verificarea datelor obţinute prin simularea în SPICE
s-a optat pentru folosirea unui sistem de măsură în ghid de
undă cu generator de microunde realizat cu diodă Gunn.
Sistemul este închis din punct de vedere electromagnetic şi
asigură eliminarea influenţei câmpurilor electromagnetice
perturbatoare asupra procesului de măsurare. Eşantioanele
de materiale supuse procesului de măsurare sunt dispuse în
ghidul de undă dreptunghiular în care se generează câmpul
de microunde.
În graficul din figură au
fost poziţionate
punctele măsurate la
10GHz în ghid de undă
peste simulările SPICE
ale respectivelor
materiale:
Valori masurate pentru
FE150, FE300
Valori masurate
pentru sticlotextolit
Valori masurate pentru carton
Măsurarea atenării cu antene
Antena
recepţie
Antena
emisie
Un sistem cu antene
permite măsurători la
frecvenţa de 1GHz.
Sistemul cu antene este
proprietatea ICPE
Bucureşti.
Rezultat obţinut cu sistemul de
microunde, proba în ghid
Rezultat obţinut cu
sistemul de antene
Rezultat obţinut cu
sistemul de antene
Rezultat obţinut cu
sistemul de microunde
cu antena Horn
Măsurarea atenuării în incinta TEM
Generarea undelor în interiorul incintei se face
folosind un generator de radiofrecvenţă conectat
la incinta TEM. Intensitatea
câmpului
electromagnetic din incintă este măsurată atât în
absenţa materialului de ecranare P1 cât şi în
prezenţa acestuia P2. Ecranarea efectivă introdusă
de materialul de ecranare va fi raportul puterilor
măsurate. Se propune un sistem de măsurare în
domeniul de frecvenţă cuprins între 10 MHz şi
1000 MHz. Un astfel de sistem asigură eliminarea
influenţelor
perturbatoare
ale
câmpurilor
electromagnetice externe asupra rezultatelor
măsurărilor. Testele şi verificările recomandate de
producător şi efectuate asupra incintei TEM au
confirmat faptul că aceasta asigură ecranarea
electromagnetică a mediului din interiorul incintei
faţă de mediul exterior. Faţă de măsurările în ghid
de undă realizate cu sistemul de microunde
LABVOLT, aceste măsurări se pot face pe un
interval de frecvenţe şi nu doar la o anumită
frecvenţă.
PC
Analizor de
spectru cu
Generator RF
Analizor de
spectru
RS232
sotware
Incinta
TEM
Rezultate experimentale în TEM
Eficienta ecranarii SE pentru materiale de ecranare
0.00
FT150
SE[dB]
-0.50
FE300
GR150
-1.00
GR300
TN150
-1.50
TN300
-2.00
0
200
400
600
f[MHz]
800
Graficul de variatie al eficientei
ecranarii ES pentru materiale
de tipul FT150 de 3.0 mm,
FE300 de 2.3 mm, GR150 de
2.8 mm
1000
Măsurarea atenuării folosind mufele de
conectare SMA
În practica interconectării diverselor
instalaţii
radioelectronice
conectorii de tip SMA sunt utilizaţi
în domeniul frecvenţelor foarte
înalte, putând ajunge până la 18 20 GHz. În baza principiului ca
eşantionul de material supus
experimentelor
trebuie
astfel
dispus încât să constituie ecran
absorbant pentru câmpul de RF (ca
şi în cazul ghidului de undă) s-a
recurs la introducerea eşantionului
într-un dispozitiv adaptor format
din două mufe SMA, ambele tip
« tată ». În acest mod eşantionul se
află în interiorul mufei, fără
contact cu exteriorul şi între
capetele conductorului central al
mufelor.
3
Generator RF
Ansamblu mufe
SMA
Analizor de
spectru
Esantion de
material
Care este importanţa practică a
unui asemenea model?
Simularea transmisiei Ethernet
Cablul UTP categoria 5 are
caracteristici standardizate de
standardul EIA/TIA 568A şi
standardul ASTM D 4566.
Astfel valorile maxime ale
capacităţii sunt 5,6nF/100m
(200pF/100m), inductivitatea
de ordinul H iar rezistenţa este
cea a cuprului. Impedanţa
caracteristică a cablului este
100+/-15%, iar rezistenţa de
sarcină se pune de aceeaşi
valoare pentru a se realiza o
transmisie adaptată.
T1 Linie de transmisie simulare cablu Ethernet
categoria 5
VIN
R
L
C
G
100
Simularea transmisiei Ethernet
Atenuarea introdusă de 100m cablu
UTP categoria 5 este dată în
figura dreapta sus. Conform
standardului EIA/TIA 568A
atenuarea în toată gama de
frecvenţe este de sub 22dB/100m
ceea ce confirmă corectitudinea
modelului.
Dacă se realizează o simulare în
domeniul timp cu un semnal de
intrare cu frecvenţa de 100MHz
cu aceeaşi lungime a tronsonului
de cablu de 100m, se obţine
reprezentarea în timp din figura
dreapta jos. Se poate remarca
întârzierea semnalului pe linia de
transmisie de sub 20ns/100m,
ceea ce se încadrează în limita
maximă de 5,7ns/m solicitată de
standardul EIA/TIA 568A, încă o
confirmare a corectitudinii
modelului ales.
Primul impuls de
ieşire
Primul impuls de
intrare
Modelul unei transmisii Ethernet
perturbate
Pentru a verifica
eficienţa unui
ecran în cazul
unei transmisii
Ethernet se poate
realiza un model
al transmisiei
Ethernet
perturbate.
În dreapta sus este
situaţia reală
simulată şi în
dreapta jos
modelul SPICE.
Sursa de perturbaţii
Transmisie wireless
802.11 cu purtătoare de 5GHz
Sursa de semnal
Etrhernet
100Mbps
Distanţa sursă de
radiaţii
electromagnetice –
cablu Ethernet 1m
Material ecran -cupru
Grosime ecran 1mm
100
Lungime cablu Ethernet UTP
cat. 5 100m
T1 linie
Ethernet
100m
T2 ecran
cupru
1mm
T3 aer
1m
V1
perturbaţia
VIN=0
100
50
Modelul unei transmisii Ethernet
perturbate
Atenuarea introdusă de un ecran cu
grosimea de 1mm de cupru
este
suficientă
conform
standardului EIA/TIA 568A
care solicită o atenuare la
perturbaţii (ACR Attenuation to
Cross Talk Radio) de minimum
50dB în toată gama de
frecvenţe.
Pentru analiza în timp s-a introdus
suplimentar faţă de analiza în
frecvenţă o diodă fără tensiune
de prag care face ca influenţa
perturbaţiei să fie de la radiaţie
spre linia UTP. S-a redus şi
grosimea ecranului la 100m.
Sursa de perturbaţie are
amplitudinea de 1000V.
Se observă atenuarea puternică
introdusă de ecran şi că
perturbaţia
nu
afectează
semnalul util.
Primul impuls
de intrare
Perturbaţia de
5GHz
Primul impuls
de ieşire
Eficienţa ecranării pentru materiale
compozite
Structura şi
modelul de
ecranare a unui
material compozit
fabricat la
Universitate.
Materialul constă
într-un film
subţire conductor
depus pe un strat
de siliciu, fiind
izolat electric cu
SiO2
Si
SiO2
Conductor
Cond. 1.56e-3
Permit 103.374e-12
Permeab 1.257e-6
Cond. 1e-16
Permit 33.39e-12
Permeab 1.257e-6
Cond. 0.248e+6
Permit 8.84e-12
Permeab 1.257e-6
Iesire
V2
Incident
V1
0.5mm
60 m
10m
T1 Linie de transmisie
Model Si
T2 Linie de transmisie
Model SiO2
T1 Linie de transmisie
Model strat conductor
VIN
R
L
R
C
G
R
L
C
G
L
R1
C
G
V2
Eficienţa ecranării pentru materiale
compozite- Simulink
E=20lgV1/V2
Modelul Simulink constă în 3 linii de transmisie înseriate. Atenuarea la 10GHz
este de circa 3dB.
Eficienţa ecranării pentru materiale
compozite- Spice
Modelul Spice cu 3 linii de transmisie arată comportarea în toată gama de
frecvenţe. Se poate observa atenuarea mai mare la frecvenţe joase şi atenuarea
de circa 3,5dB la 10GHz.
Exemplu de calcul cu metoda
analitică şi prin modelare
Calcul analitic cu formulele simplificate
Să se calculeze atenuarea introdusă de un ecran de cupru cu grosimea de
0,1mm
 r f MHz
AdB  1314d cm
r
Automatizarea calculelor în Excel
R dB  108 10 lg
f MHz  r  r
Pe prima coloană s-a pus frecvenţa în MHz de la 0.00001 (10Hz) până la 10000 (10GHz).
Calculul prin modelare Spice
Conductivitate electrica cupru: 59,6·106 S/m
Permeabilitate magnetica 1.2566290 × 10-6 H/m
Permitivitate electrica 8.854 × 10-12 F/m
TAER
1m
TCU
0.1mm
V1
50
50
V1 1 0 AC 1 0
TAER 1 0 4 0 r=3e-15 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=1
R2 4 0 50ohm
TCU 4 0 3 0 r=59.6e+6 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=0.1m
R3 3 0 50ohm
.PROBE
.AC DEC 100 10Hz 30GHz
.END
Rezultate comparative
1400
1400
1200
1000
1200
800
1000
600
800
400
200
600
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
400
Rezultatul
simulării Spice
200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Graficul Excel arată cu albastru componenta de reflexie şi cu roşu cea de absorbţie.