автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Экранирующие полимерные материалы, кабели и разъемы с улучшенными параметрами электромагнитной совместимости для систем управления и вычислительной техники

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ /ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ/

На правах рукописи

РГ6 од

- 5 ИЮН 1995 ЛИХАЧЕВ Игорь Петрович

ЭКРАНИРУЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КАБЕЛИ И РАЗЪЕМЫ С УЛУЧШЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

' Специальность 05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и Систем управления"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание >тченой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте /Техническом университете/. Научный руководитель: к.т.н., доцент, Шаронов Н.К. Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Саликов Л.М.

к.т.н., доцент Никифоров И.И.

Ведущая организация: НПО им. С.А.Лавочкина

Защита состоится "_" _ 1995 г. в _часов на

заседании специализированного Совета Д 053.18.02 в Московском государственном авиационном институте /Техническом университете/.

С диссертацией можно ознакомится в спец. библиотеке МАИ.

Адрес института: 125871, г.Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, д.4.

Автореферат разослан "_" _ 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 053.18.02, к.т.н., доцент

Ю.В.Горбатов

Актуальность темы. Опыт разработки и эксплуатации радиоэлектронных средств показывает, что одной из наиболее сложных задач является обеспечение устойчивой работы аппаратуры в условиях воздействия электромагнитных помех. Как правило, радиоэлектронное средство находится в поле действия нежелательных источников электромагнитных помех и само излучает помехи на расположенное рядом электронное оборудование. Путь проникновения помех в электронное оборудование разнообразен и зависит от вида источника излучения, места ее возникновения и средств распространения, поэтому анализ способа экранирования должен проводиться в каждом конкретном случае.

Экранирование одно из основных средств обеспечения ЭМС при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от коне-, трукции и материала, из-которого выполнен экран, он по-разному ослабевает магнитную и электрическую составляющие помех .поля в заданном диапазоне частот.

При выборе материалов экрана следует исходить из учета ряда факторов. Должны принимать во внимание вопросы экономики, технологии обработки, требования по стабильности и факторы, относящиеся к особенностям функциональных материалов. Многие из этих факторов являются универсальными и относятся ко всем рассматриваемым материалам. Так, например, всегда желательно, чтобы стоимость была как можно ниже, а свойства материалов оставались после обработки и в процессе эксплуатации стабильными и не возникало физических и химических изменений.

Противоречивость требований к материалам компонентов экрана приводит к тому» что приходится идти на компромисс, чтобы обеспечить согласование состава и технологии изготовления. Так, например, стремление достигнуть максимального повышения проводимости путем внесения по-возможности минимальных изменений в состав композиции экрана может привести к ухудшению физических параметров, к повышению стоимости,что значительно усложнит процесс изготовления. Разработчик экранов из полимерных материалов должен быть готов к тому, что всегда может возникнуть необходимость компромиссных решений для конкретного случая их применения.

Для материалов, используемых в качестве подложек, наибольший интерес представляют следующие свойства:удельное сопротивление, диэлектрическая постоянная, термостойкость, прочность, характеристики

- з -

поверхности, химическая активность, теплопроводность.

В ряде случаев, важным фактором является устойчивость материала экрана против воздействия припоя. Ряд трудностей вызывает растворимость металлов в жидком припое.

Образование поверхностных загрязнений частиц так-же сказывается на адгезионных свойствах композиции. Сам механизм адгезии исследован недостаточно. В большинстве случаев о влиянии многих материалов и технологических процессов на адгезию можно только догадываться.

Закон распределения размеров и форма частиц оказывают сильное влияние на многие физические и электрические свойства. Многие металлы или сплавы не могут применяться только из-за того, что изготовление из них порошков обходится очень дорого.

Из рассмотрения химических взаимодействий, которые могут иметь место при изготовлении экранов, становится понятным требования совместимое^ функциональных материалов с технологическими процессами.

Вала ой характеристикой любых экранирующих материалов является стабильность их параметров при хранении и эксплуатации. Разработано много различных методов испытания параметров материалов и среди них испытания под 'воздействием повышенных температур в- различных климатических условиях, включая высокую влажность. Все эти явления обусловлены теми же физико-химическими реакциями, которые имеют место в технологическом процессе.

Электромагнитное экранирование характеризуется величиной коэффициента экранирования, т.е. ослабления поля между взаимодействующими объектами при внесении между ними экранирующего экрана.

При измерении коэффициента экранирования основные трудности заключаются в отделении действительных свойств материалов от влияния внешних второстепенных факторов измерений таких, как тип измерительных антенн, ориентация внешних полей помех, распределение полей в измерителях, резонансные .эффекты и другие явления, которые не всегда поддаются расчету и учитываются при измерениях. Для конкретного экранирующего материала незначительные изменения этих факторов приводит к большому разбросу измеренных значений.

Таким образом, задача определения экранирующих свойств полимерных материалов на образцах относительно малых размеров, и использование при этом малогабаритной аппаратуры, позволяющей в короткий срок провести комплекс измерений по эффективности экранирования определила выбор направлений исследований и тему диссертации.

Цель работы. Целью работы явилось разработка комплексной мето-

дики определения экранирующих свойств плоских полимерных материалов, кабельных оболочек и соединителей в широком частотном диапазоне как части систем управления и вычислительной техники, а также разработка методик анализа, расчета и аттестации характеристик измерителей эффективности экранирования, коаксиального резонатора и триаксиальной линии, обеспечивающих заданную точность измерений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить основные зависимости экранирующих свойств полимерных и диэлектрических материалов в электромагнитном поле. Определить коэффициенты отражения и прохождения плоской волны при ее падении на полимерную пластину, на металлизированную полимерную поверхность и трехслойный экран из полимерного материала.

2. Получить математическую модель экранированной структуры измерителя, рассчитать внутреннее электромагнитное поле и на основе его анализа выработать требования к вариантам конструктивного построения.

3. Произвести анализ ошибок.измерений для выбранных устройств, определить требования к их погрешностям аттестации, методики расчета и настройки. Показать преимущества использования разработанных устройств.

4. Провести экспериментальную проверку основных научных и практических результатов, полученных в работе.

Методы исследования, примененные при выполнении данной работы основаны на использовании классической теории дифференциальных уравнений' электромагнитного поля, теории линейных интегральных уравнений Фредгольма первого рода, методов приведения сингулярных интегральных уравнений с ядром Коши, теории погрешностей и численных методов.

Научная новизна заключена в следующих результатах, полученных в работе:

1. Предложена методика комплексного подхода к определению экранирующих свойств новых полимерных материалов, как плоских образцов, так и кабельных .оболочек, которая позволяет на этапах разработки новых материалов экспериментально определять коэффициент экранирования раздельно по электрическому и магнитным полям.

2..Получены аналитические выражения напряженности электромагнитного поля измерителя эффективности экранирования по электрическому полю при косинусоидальном возбуждающем стороннем токе, которые подтверждают возможность использования данной структуры в качестве

-

измерительного средства. Так же для данной структуры выведено дисперсионное уравнение.

3. Получена численным методом зависимость волнового сопротивления экранированной структуры от толщины центрального проводника.

4. Оценена погрешность метрологической аттестации измерителей плоских образцов по электрическому и магнитному полям.

5. Определены условия применения и оценена погрешность измерения полувоЛнового коаксиального резонатора в качестве измерительного средства эффективности экранирования-кабельных оболочек.

На защиту выносятся следующие основные научные и технические результаты:

1. Методика определений экранирующих свойств новых полимерных ¡материалов, как плоских образцов, так и кабельных оболочек, которая позволяющая на этапах разработки новых материалов экспериментально определять коэффициент экранирования раздельно по электрическому и магнитным полям.

• 2. Рабочие соотношения для напряженности электромагнитного поля измерителя эффективности экранирования по электрическому полю, полученные с учетом косинусоидального возбуждающего стороннего тока, и рекомендации по построению измерителя.

3. Аналитическое выражение дисперсионного уравнения для измерителя эффективности экранирования по электрическому полю.

4. Определение погрешности метрологической аттестации измерителей плоских образцов по электрическому и магнитному полям.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны,• изготовлены и аттестованы измерители эффективности экранирования плоских материалов по электрическому и магнитному полям. Опытные разработки измерителей были использованы при проведении ряда научно-исследовательских работ, посвященным проблемам экранирования.

2. Полученные в работе результаты по расчету напряженности электромагнитного поля в измерителе плоских материалов по электрическому полю можно применить для анализа поля в прямоугольной экранированной полосковой структуры в СВЧ-диапазоне и при проектировании возможных вариантов ТЕМ-камер.

3. Разработанные методики определения экранирующих свойств полимерных материалов позволяют на всех этапах технологического производства контролировать заданные свойства материалов по образцам материала относительно малых размеров и за относительно короткое время

- Б -

цикла измерений.

Реализация в промышленности. Полученные в работе результаты исследований и конкретные рекомендации по разработке нашли применение в устройстве измерения коэффициента экранирования по электрическому и магнитному полям. Данные измерители и разработанная методика были использованы при проведении ряда работ в течение 1993-1994 гг. по исследованию экранирующих свойств материалов и кабельных оболочек ■ в широком диапазоне частот в филиале НПО "Автоматики й приборостроения" и НПО им. С.А.Лавочкина, что подтверждено актами внедрений результатов диссертационной работы.

Экономический эффект от внедрения данных работ представляется перспективным и основывается на минимизации массогабаритных характеристик экранирующих конструкций в изделиях предприятий.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на семинарах в-НПО АП, НПО им. С.А.Лавочкина, ЦНИИМАШ, НПО "Электроавтоматика".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы 192 стр., в том числе 171 стр. печатного текста,26 рисунков на 8 стр.,27 табл. на 13 стр.'

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

- Во введении показана актуальность проведенных исследований, определена цель работы, основные задачи исследования и научная новизна работы.

В первой главе диссертации рассмотрены электромагнитные процессы, происходящие при падении-плоской волны на полимерный материал экрана.

При расчете экранирующих свойств материалов, как правило, используется общая теория электромагнитного поля, базирующаяся на системе уравнений Максвелла, и представление о среднем балансе электромагнитной энергии в некоторой области. Уравнения Максвелла разрешаются на внешних стенках и во внутренних слоях экрана, а на их границах сопрягаются с помощью граничных условий. .При этом нередко для изучения экранов сложной формы их представляют в виде комбинации простых геометрических форм с известными экранирующими свойствами.

- % -

Абсолютные величины амплитудных коэффициентов отражения Г и преломления Т вычисляются на основании уравнений для граничных условий на .поверхности раздела.

Расчет электромагнитных экранов зависит и от того, каким образом, поляризованно излучение, падающее на стенку экрана. На практике поляризация волны может быть сложной, но даже при плоскополяризован-ном излучении плоскость поляризации может образовывать произвольный угол с плоскостью падения. В обоих случаях излучение может быть разложено на параллельно и перпендикулярно поляризованные составляющие, которые могут быть рассмотренны отдельно друг от друга.

Особенность распространения волны учитывается величиной /г", где Д называется углом диэлектрических потерь. Последние формулы дают возможность оценить коэффициент отражения для материалов с -потерями.

При малых Ъ^Д отражение меньше, чем от материала' без потерь, а при возрастании Ь^Д растет и коэффициент отражения. Для материалов, применяемых в радиоэлектронике, отражение при нормальном падении практически рассчитывается для материалов без потерь. В экранах с малой толщиной имеет смысл использовать материалы с большой величиной Ь^Д, т.к. основная часть потерь энергии связана с отражением, а не поглощением энергии. • •

Максимальная |Г|2тах и минимальная |Т|2тт величины при наличии потерь, приближенно вычисляются по формулам:

|Г|2п,ах ~ Г212(1-А2)2/(1+А2Г212)2 (1)

|Т|2шШ » А2(1-Г212)/(1+А2Г212)2 ( 2 )

В случае плоской' бесконечно простирающейся поверхности раздела между двумя средами можно вычислить неизвестные поля из условий непрерывности на границах раздела двух сред. Поскольку тангенциальные компоненты векторов поля на металлизируемой поверхности непрерывно переходят в поперечные компоненты поля проникающей в глубь волны, соотношение между ними задаются приближенным граничным условием Ле-онтовича. При этом соотношении приближенные граничные условия справедливы для любой формы экрана.

Из физических соображений, подтверждаемых строгими исследованиями поверхностного эффекта, свойства металлического слоя в высокочастотном электромагнитном поле в данном случае зависят не от толщины слоя, а от произведения удельной проводимости материала слоя на его толщину.

Металлизации поверхностей из полимерных и диэлектрических мате-

риалов для экранирования электронных изделий получила широкое распространение, благодаря высокой производительности способов нанесения покрытий, его технологичности и хороших прочностных качеств экрана.

Рассмотрим случай, толщина металлического слоя d значительно больше глубины проникновения, т.е. d>>ае.' Поглощение в толще металла стало настолько большим, что можно пренебречь переотраженными волнами, тогда комплексные коэффициенты отражения и прохождения аналогичны- коэффициентам при падении плоской волны на металлическую полуплоскость. Толщина слоя в этом случае не зависит на процессы отражения энергии.

С учетом этих зависимостей можно проследить за изменением эффективности. отражения металлизированной поверхности в зависимости от увеличения ее толщины, так'значение величины |Г| сначала растет, а потом почти не меняетйя при d>2ae. Частотная зависимость эффективности отражения сначала сохраняется неизменной, потом уменьшается обратно пропорционально квадратному корню частоты.

Многослойные комбинированные конструкции экранов применяются для получения высокой эффективности экранирования в широком частотном диапазоне. Эффективность экранирования многослойного экрана зависит от применяемых материалов, их расположения и соотношения толщин слоев.

Формулы для коэффициента прохождения электромагнитной волны через трехслойную конструкцию из материалов с малыми потерями могут быть получены из формул для аналогичных конструкций без потерь. Если обозначить коэффициенты конструкции без потерь через символ "о", тогда запишем следующее уравнение

Т - Т1оТ2оехр(-1фс)/1-Г1оГ2овхр(-1фс)А* ,

(Т1Т2/ТюТ2о)(1-Г1оГ2оехр(-12Фс)/(1-А2Г1Г2ехр(-12фс) ( З)

Коэффициенты А и Ас характеризуют затухание электромагнитной энергии за счет однократного прохождения волны через диэлектрик. Остальные коэффициенты выражают дополнительное затухание, являющееся результатом многократного отражения от поверхности раздела экрана с окружающим пространством.

При расчетах характеристик экрана следует рассмотреть клеевую прослойку между поверхностным и средним слоем. При этом увеличивается общая толщина конструкции. Так как коэффициент отражение для материалов с малыми потерями мало зависит от величин tgA поверхностного и среднего слоя, то неучтенное влияние клеевого слоя приводит к некоторому увеличению отражения при нормальном падении.

В связи с этим необходим комплексный подход к выбору экранирующего материала, учитывающий воздействующее электромагнитное поле, условия эксплуатации экрана и функциональные параметры защищаемого электронного оборудования.

Во второй главе проведен обзор и сравнительный анализ современных экранирующих материалов зарубежного и отечественного производства. Обоснована тенденция современного проектирования к использованию не только широкой номенклатуры экранирующих материалов, но и все большая специализация данной группы материалов по способу и месту применения.

Кроме традиционных материалов в настоящее время все более широкое применение для изготовления экранов находят различные диэлектрики с внесением в них или нанесением на них меди, никеля, хрома, серебра. Проводящие диэлектрики обеспечивают экранирование за счет введения проводящего наполнителя. Преимущества применения проводящих, пластмасс по сравнению с металлизированными пластмассами объясняются отсутствием трещин, коррозии и отслаивания'поверхностного слоя, влияющих на качество экранирования и долговечность изделия. В качестве наполнителей используются смеси графита с карбоволокном, алюминия с углеродом, никеля с графитом,- проводящая стеклоткань и т.д, Основой для изготовления подобных пластмасс являются термопластичные полимеры типа пропилена, полистирола.и т.д. Для защиты изделий от статического электричества широко применяются в качестве проводящего покрытия карбоновые пластины - графит.

Существенными достоинствами таких экранов является возможность получения экрана-корпуса любой конфигурации, а также их малый вес и меньшая стоимость. К особому разряду экранирующих материалов относится токопроводящие краски, лаки, клеи, цементы, пасты.

Для оценки функциональных качеств экранирующей оболочки могут применяться различные.показатели. Количественная мера эффективности экранирования различных материалов, как правило, характеризуется величиной эффективности-экранирования или вносимых потерь, т.е. ослаблением поля' в защищаемой области пространства в результате внесения экрана из исследуемого материала.

Процесс электромагнитного экранирования рассмотрен на примере плоского экрана. При определении коэффициента экранирования основные трудности заключаются в отделении действительных свойств материалов от внешних факторов таких, как тип измерительных антенн, их ориентации, расстояния между ними, распределения полей и другие факторы.

Наиболее распространенным способом, учитывающим основные экранирующие механизмы-отражения и поглощения, является выражение ряда сомножителей, каждый из которых определяет влияние выбранного параметра.

Характер воздействующего поля зависит от особенностей как самого источника, так и меры расстояния приемника. Общий случай помехо-несущего поля, создаваемого электрооборудованием можно представить в виде совокупности элементарных электрических и магнитных диполей. Дипольные моменты зависят от вида падающего поля и геометрических размеров экрана, так для диполя Герца выражения для векторов напряженности электрического и магнитных полей, обратно пропорционально зависят от-расстояния до источника I? и множителя ехр(-;)1?к), где к -волновое число.-В зависимости от соотношения значений параметров I? и к различают ближнюю и дальнюю зоны излучения.

Практически невозможно провести достоверные испытания в условиях дальнего поля, для чего требуется пластина бесконечных размеров из исследуемого материала. Разумной альтернативой является использование волновода, возбуждающего и принимающего поле, что приводит к простой и хорошо изолированной системе. Если волновод предназначен для возбуждения плоской волны, то логическим выбором является использование двухпроводной линии передачи, в которой поддерживается ТЕМ-волна. Конструктивно этот метод базируется' на свойствах коаксиальной линии. Американской ассоциацией для испытания■материалов предложено такое устройство. Оно представляет собой расширенную.секцию 50-омной круглой коаксиальной линии, которая может быть.разобрана для того, чтобы вставить внутрь кольцевой образец.

Такую коаксиальную линию можно анализировать, как распределенную линию передачи, нагруженную на исследуемый материал. Исходя из низкочастотного представления, запишем коэффициент экранирования:

А - 201е(1?п/2[?т) ( 4 )

где - характеристический импеданс линии передачи, Ищ - импеданс материала. Основная погрешность заключается в том, что наличие импеданса контакта между образцом и проводником сказывается на результатах.Так как проводники непрерывны, импеданс контакта включен последовательно с образцом, что в последней формуле дает

А - 201д(Рп/2(Рт+ад) ( 5 )

Это выражение означает, что.импеданс контакта искажает величину измеряемого коэффициента экранирования, так как при этом возрастает

эффективный импеданс нагрузки.

Другой тип круглого коаксиального устройства представляет собой фланцевый вариант. Он подобен первому типу, за исключением того, что для поддержки круглого диска из исследуемого материала используется два больших фланца и ТЕМ-волна пропускается через образец с помощью-емкостной связи.

Калибровочные измерения проводятся для согласования размеров фланцев, при этом пространство между внутренним и внешним проводниками остается пустым. Это помогает преодолеть проблему наличия импеданса контакта за исключением частот, слишком низких' для того, чтобы создать достаточные токи при отсутствии материала. Модель схемы для данного устройства более сложна из-за емкостных эффектов. Однако, на высоких частотах емкостная связь достаточна сильна и для тонкого образца, т.е. сКО.15 преобладает эффект отражения.

В общем случае измерения и испытания радиочастотных кабелей могут быть классифицированы по частотному диапазону измерений. Измерение электрических характеристик кабелей рекомендуется производить на фиксированных частотах.

Результаты анализа позволили сделать следующие выводы: не разработаны важные вопросы оценки точности измерения экранирующих свойств полимерных материалов, не определена связь между точностью позиционирования антенн-измерителей и экранирующими характеристиками материала экрана. Высокая точность определения коэффициента экранирования исследуемого материала может быть достигнута только корректным решением задачи на всех этапах от определения задающих воздействий до определения параметров экрана и его структуры.

В третьей главе предложены методики определения экранирующих свойств плоских и кабельных оболочек из полимерных материалов.

В данной главе предложена методика определения экранирующих свойств плоских и кабельных оболочек для полимерных материалов. Обоснована возможность применения измерителей коэффициента экранирования по электрическому и магнитному полю. Проведена их метрологическая аттестация и оценена погрешность. Сущность данных методик заключается, в создании квазистационарных электромагнитных полей с известными характеристиками напряженности. Для этой цели был проведен аналитический расчет измерителя коэффициента экранирования по электрическому полю.

На рис.1 и 2 показаны конструкции измерителей коэффициентов эк-

Конструкция измерителя коэффициента экранирования электрического поля.

-лз-

корпус

ВЧ-разъем

\ \рамочная антенна олковый отражатель

лицевая панель

Конструкции измерителя коэффициента экранирования магнитного ноля.

Рис, 2 . Конструкция излучательного (приемного) блока.

- й -

ранирования по электрическому и магнитному полю, соответствено.

Получим интегральное уравнение для внутренней задачи дифракции электромагнитной волны на идеально проводящем ограниченном теле. Первичное электромагнитное поле возбуждается локальным сторонним током 1(г) - у1осо50гагх/2м)5(х(;-х). Для определения электромагнитного поля вне идеально проводящего ограниченного тела с замкнутой поверхностью необходимо решить систему уравнений Максвелла, удовлетворяющих граничным условиям на поверхности, условиям излучения на бесконечности и условиям ограничения энергии на ребре. Для получения интегрального уравнения удобно воспользоваться методом функции Грина для заданной области.

Применим- для решения интегральных уравнений, описывающих распространение электромагнитных волн в электрической камере, ортогона-лизирующее преобразование Швингера, позволяющее решить эти задачи аналитически.

В пользу предложенного подхода свидетельствует и тот факт, что для внутренних задач электродинамики интегральные представления полей через распределения составляющих поля на некоторых поверхностях являются общепринятыми. В дальнейшем, как правило, будет применяться интегральное преобразование только по одной переменной.

В общем случае среди дополнительных условий задачи, обеспечивающих единственность решения, могут быть начальные и граничные условия, условия на бесконечности, условия сопряжения на границе сред, условия на остром ребре. Преобразование задачи включает как преобразование заданного уравнения, так и преобразование дополнительных условий, предполагая при этом, что все функции, подвергаемые интегральному преобразованию, обладают свойствами, которые делают такое преобразование возможным. Пределы интегрального преобразования должны соответствовать пределам изменения переменной преобразования. Предположим, что поле изменяется по времени по монохроматическому закону.

Одним из важных достоинств применения интегральных представлений полей для данной структуры состоит в том, что в области зазора между центральной перегородкой и боковой стенкой, они переходят в сингулярные интегральные уравнения, через касательное электрическое поле в плоскости зазора для определения неизвестного распределения поля в данной структуре.

На основе выделения особенностей в выражениях для составляющих полей собственных волн электрической камеры получены приближенные

интегральные представления электромагнитных полей через плотность тока на центральной перегородке. Полученные соотношения позволяют вычислять поля в любой точке .поперечного сечения.

Полученное соотношение .представляет собой, интегральное уравнение Фредгольма первого рода относительно функции источника, заданной на поверхности. Особенностью этого уравнения является то, что области определения правой части и неизвестной функции не совпадают и имеют разную размерность.

Интегральные уравнения удобны не только для теоретических исследований внутренних задач электродинамики, но и для получения численных алгоритмов решения достаточно широкого круга задач. Наиболее приемленным методом, с точки зрения геометрии структуры, в данном случае является метод моментов.

Представление распределения электромагнитного поля в заданной структуре определяется при решении уравнения Гельмголь'ца с наложенными граничными условиями либо Дирихле, либо Неймана. Однако, возможности аналитического решения весьма ограничены, т.к. задача имеет нестандартную геометрию, поэтому целесообразно перейти к численному решению постайленной задачи.

Как известно, любую задачу электромагнетизма, описываемую дифференциальным уравнением в частных производных при заданных краевых условиях, можно альтернативно сформулировать в виде интегрального уравнения. При этом следует найти соответствующую функцию Грина, вид которой зависит от геометрического характера задачи.

При исследовании электрической камеры одной из основных задач является определение дисперсионного уравнения при заданной поперечной структуре. Получается оно в результате приравнивания касательных составляющих электрического . и магнитного полей на границах раздела между средами и реализации граничных условий на металлических стенках волновода. Законы, устанавливающие поведение полей на границах, где резко изменяются свойства среды, вытекают из требований, чтобы на поверхностях и контурах, охватывающих границы, были справедливыми интегральные уравнения Максвелла. Таким образом, подобная задача требует преставления поля, удовлетворяющего уравнениям Максвелла в каждой из однородных областей электрической камеры. При реализации всех граничных условий получается система совместных уравнений, дающая связь между волновыми числами, т.е. дисперсионное уравнение.

При решении уравнений Максвелла для описания полей вводятся различные вспомогательные величины. Определенным преимуществом обла-

дает вектор Герца, поскольку при его введении не нарушается уравнение непрерывности и удается ограничиться рассмотрением малым числом величин. Векторы электромагнитного поля выражаются через вектор Герца с помощью весьма простых дифференциальных операторов.

Интегральные представления поля не всегда удобны для вывода сингулярных интегральных уравнений, однако, для в данном расчете использован метод ортогонализирующей подстановки.

В основу методики исследований экранирующих свойств материалов' оплеток кабелей при помощи коаксиального резонатора положен принцип .определения относительной величины поля, образующегося во внешнем пространстве около кабеля для двух случаев: когда кабель имеет экран и когда этот экран отсутствует. Определив для каждого из этих случаев относительную величину поля, можно подсчитать величину коэффициента экранирования.

Для реализации этого принципа измерения были использованы свойства коаксиального полуволнового резонатора. Короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии является основным элементом резонатора. Он определяет как размеры, так и основные электрические параметры. Высокие резонансные свойства, обеспечивающие высокое значение добротности, позволяет использовать менее чувствительную аппаратуру.

Исследования экранирующих свойств разъемов и соединителей производятся при помощи триаксиальной линии.

В соответствии со методикой измеряемый образец кабеля длинной 1 помещается в середине сплошной массивной металлической трубы. Если между внутренним и внешним проводниками кабеля, короткозамкнутого на противоположном конце, приложить некоторое напряжение 1)Вх..имитирующее помеху, то по внутренней коаксиальной системе ( внутренний проводник - экран кабеля ) потечет некоторый ток I. Тогда во внешней системе,образованной экраном кабеля со стороны генератора, наведется напряжение и, которое можно измерить на разомкнутом конце.

В случае квазистационарного распределения тока и напряжения по длине кабеля напряжение холостого хода и во внешней системе пропорционально длине 1 отрезка и сопротивление связи определяется из отношения и к току I.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования экранирующих свойств полимерных материалов, кабельных оболочек и соединителей на основе разработанных методик. Разработаны практические рекомендации для увеличения экранирующих свойств исследуемых поли-

мерных материалов.

В последнее десятилетие большое распространение получили экраны из непроводящих материалов с проводящими покрытиями. Выбор материала экрана дает возможность изготовить корпус сложной формы при относительно .низких затратах. Недостатки данного метода, влияющих на качество экранирования и долговечность изделия объясняются отслаиванием, трещинами и коррозией поверхностного слоя. На характеристики экрана влияют: тип основы, тип наполнителя, его проводимость, тип растворителя, качество получившейся пленки, толщина пленки.

Эффективность экранирования достигается при предварительном нанесении на обезжиренную и обработанную катализатором поверхность слоя химически восстановленного никеля толщиной 02-12 мкм, сцепление с подложкой - не более 0,5 кГ/мм . Химическое осаждение металлических пленок на поверхность подложки основано на явлении вытеснения металла из раствора его соли восстановителем. С помощью этого' можно получить равномерный по толщине и однородный по плотности осадок на всей поверхности. На проводимость материала существенно влияют: толщина проводящего слоя, его состав, вязкость, скорость высыхания, однородность . ■

Химическое никелирование ведется из кислых растворов хлористого никеля ШСЛгбНгО, натрий фосфата МаНгР04 и натрий уксуснокислый СНзСООЫа при температуре 81-8б°С и рН - 4,3-4,1. Продолжительность процесса составляет 10 - 15 минут.

Проведены испытания на эффективность экранирования в диапазоне частот от 30 кГц до 100 Мгц на плоских образцах из новых электропроводящих полимерных материалов С липких лент с различными наполнителями в клевом слое, химически никелированных тканей различной структуры) . Получены удовлетворительные результаты по эффективности экранирования .

На всех исследованных образцах из химически никелированных ари-мидных тканей получены удовлетворительные результаты , по эффективности экранирования в диапазоне частот от 0,3 до 100 МГ (35-41 дБ).

Металлизируемые пленки могут быть использованы для корпусных экранов в диапазоне частот от 400 кГц до 30 МГц.

Проведены испытания на эффективность экранирования жгутов с гибкими электропроводными оболочками в виде полого шнура, сшитых чехлов, обмотки лентами ( ткаными и липкими пленочными ).

Новые полимерные токопроводные оболочки испытывались на двух видах кабелей: 1 тип - высокочастотный кабель РК-50-4-11, 0,8 мм,

представляющий собой: 7 токопроводящих жил спаянных на концах, Кабель имеет толстый слой фторопластовой изоляции ( 13 слоев из фторопластовой ленты шириной 15 мм ). 2 тип - низкочастотный кабель, 0,5 мм, состоящий из 14 свитых проводов.

Наилучшие результаты получены на высоких и низких частотах на шнуре из мишурных нитей ( армидная нить обвита медной посеребренной плющенной проволокой ), уровень эффективности экранирования составляет около 39 дБ и приближается к эталонному кабелю в меднолуженой или посеребренной оплетке. Выявлено, что на имитаторах жгутов результаты ниже, чем на плоских образцах (на' 5-8 дБ).

Сшитый чехол из химически никелированной арминидной ткани и одетый на кабель хорошо экранирует в диапазоне частот от 30 до'900 МГц, а на низких частотах практически не работает.

Эффективность экранирования образцов полимерных токопроводных оболочек из химически никелированных тканей и лент при климатических испытаниях существепо не меняется.

Были исследованы экранирующих свойств полиамидной пленки с двух сторонним вакуумно-напыленным слоем алюминия. Строение тонких металлических пленок, полученных при испарении в вакууме или при катодном распылении, существенно отличается от строения обычных металлических структур, а это определяет существенное отличие физических свойств тонких пленок от свойств- металлов. Кроме того, свойства пленок зависят от их толщины. Чем тоньше пленка, тем сильнее отличаются ее параметры от параметров исходного металла. Кроме того, свойства пленок одной и той же толщины могут быть совершенно различными в зависимости от условий их получения.

На всех исследованных образцах токопроводных липких лент на основе полиамидной пленки с двухсторонним вакуумно-напыленным слоем алюминия получены удовлетворительные результаты по эффективности экранирования в диапазоне частот от 0,3 до 100 МГц (32 - 51 дБ).

Исследовались токопроводящие липкие ленты с различными наполнителями в клеевом слое: карбонильный никель, угленовое мелкодисперсное мелкозернистое волокно, длинной 0,37 мм, углеродное волокно, сажа, нитрид циркония. Лучшие результаты получены при испытаниях липких лент с наполнителем - нитридом циркония (49 - 51 дБ).

Токопроводящие липкие ленты на основе полиимидных пленок с двухсторонним слоем алюминия толщиной 0,3 мк и клея с наполнителями в виде мелкодисперсионного угленового волокна, использованные для

оболочек жгутов спиралевидной обмотки с 50% перехлестом, имеют низкие результаты экранирования.

Гибкая оболочка жгута, выполненная методом спиралевидной"обмотки токопроводными липкими лентами на основе пленки с двухсторонним алюминиевым слоем ГИГЖ-22-15 или ТЛК2Ц не может применяться в качестве экранирующей.

Опытные образцы измерителей экранирующих свойств плоских материалов были изготовлены и метрологически аттестованы в 1989 г. Образцы были использованы при проведении ряда научно-исследовательских работ в НПО им А.С.Лавочкина и НПО АП, посвященным проблемам экранирования .

Основные результаты работы

1. Сформулирован комплексный подход к определению экранирующих свойств,как плоских,так и кабельных оболочек из полимерных материалов.

2. Рассчитано электромагнитное поле в измерителе эффективности. экранирования по электрическому полю. Результаты получены с использованием метода интегральных уравнений и функций Грина. Уточнена величина волнового сопротивления и получено дисперсионное уравнение. Результаты согласуются с ранее полученными другими авторами и проведен их анализ численным методом моментов.

3. Разработаны методики определения экранирующих свойств плоских материалов по электрическому и магнитному полям.

4. Проведены при непосредственном участии автора по разработанным методикам экспериментальные исследования экранирующих свойств полимерных плоских материалов, кабельных оболочек и способов заделки соединителей на разработанных измерителях.

Публикации по теме диссертации:

1.Лихачев И.П. Аттестация ТЕМ-камеры с помощью электрического диполя при испытаниях на излучение.-В сб. научн. тр. МАИ,1994.

З.Лихачев И.П., Шаронов Н.К. Измерение помехового излучения от электрического источника с использованием ТЕМ-камеры..-В сб. научи, тр. МАИ,1994.

3.Лихачев И.П. Расширение полосы пропускания несимметричной ТЕМ-камеры за счет применения поглощающих материалов.-В сб. научн. тр. МАИ,1994.

4.Лихачев И.П. и др. Влияние конечной разрешающей способности измерительного прибора на погрешность измерения излучения от объектов с помощью ТЕМ-камеры.-В сб. научн. тр. МАИ,1994.