Měření elektromagnetické stínicí účinnosti planárních materiálů v pásmu 100 kHz až 1,5 GHz

Measurement of Electromagnetic Shielding Efficiency of Planar Textiles in Frequency Range 100 kHz - 1,5 GHz. Článek se věnuje realizaci měřicího pracoviště pro měření elektromagnetické stínicí účinnosti planárních materiálů v pásmu 100 kHz až 1,5 GHz. Pracoviště slouží jak pro výuku studentů, tak pro výzkumné doktorandské projekty.

Klíčová slova: EMC, Elektromagnetická stínicí účinnost, textilie.

---

Measurement of Electromagnetic Shielding Efficiency of Planar Textiles in Frequency Range 100 kHz - 1,5 GHz

Abstract

This article describes measuring workplace realization for measurement of electromagnetic shielding efficiency of planar textiles in frequency range 100 kHz - 1.5 GHz. The workplace is used for education of students and also for research and development projects of PhD students.

Keywords: EMC, Electromagnetic Shielding Efficiency, textiles.

---

I. ELEKTOMAGNETICKÉ STÍNĚNÍ A JEHO APLIKACE

Mohutný rozvoj elektroniky, zejména mikroprocesorové a vysokofrekvenční telekomunikační techniky v posledních desetiletích a její pronikání do každodenního života si vyžaduje potřebu ochrany člověka, citlivých elektrických a elektronických zařízení před nežádoucími vlivy rušivých elektromagnetických signálů a elektrických nábojů. Nutnou podmínkou u všech elektronických a elektrotechnických zařízení, systémů či přístrojů je schopnost vykazovat správnou činnost i v prostředích, v nichž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů. Navíc nesmí svou vlastní činností nepřípustně ovlivňovat své okolí, tj. nesmí generovat elektromagnetická a elektrostatická pole, jejichž intenzity by byly rušivé pro jiná zařízení. Totéž platí i pro nebezpečné intenzity elektromagnetických a elektrostatických polí z pohledu obsluhy elektrotechnických zařízení. Požadavky na hygienu a bezpečnost práce z pohledu účinků elektromagnetických a elektrostatických polí je normalizovány příslušnými národními normami a vyhláškami, které jsou harmonizovány s normami EU [3]. Splnění těchto náročných podmínek nebývá vždy snadné.
Jednou z nejdůležitějších možností jak docílit ochrany před nežádoucími vlivy elektrostatických a elektromagnetických polí je varianta tzv. stínění. Stínění je konstrukčním prostředkem k zeslabení pole rušivých signálů ve vymezeném prostoru. Technické prostředky (konstrukce), kterými dosahujeme uvedených cílů, nazýváme stínicími kryty či stíněním. Stínění se užívá v dnešní době k ochraně jak jednotlivých součástek a funkčních bloků, tak i celých elektronických zařízení, která mohou být současně zdroji i přijímači elektromagnetického rušení. V neposlední řadě principy stínění slouží k ochraně samotného člověka před nebezpečnými poli, či přístrojů zajišťujících ochranu zdraví a životní funkce (např. kardiostimulátor apod.). Stínění je jedním z vysoce efektivních způsobů elektromagnetické ochrany před rušením kontinuálního či impulsního charakteru. Z pohledu obsluhy výkonových vysokofrekvenčních zařízení a systémů (např. anténní technici) se využívá taktéž ochranných oděvů jako ochranného prostředku doplňkového.

II. ELEKTROMAGNETICKÁ STÍNICÍ ÚČINNOST (SE – SHIELDING EFFICIENCY)

Elektromagnetická stínicí účinnost je parametr popisující schopnost daného materiálu omezit průchod vysokofrekvenčního signálu přes uvažovanou bariéru. Schopnosti stínění, tedy snížení intenzity elektromagnetického pole, je založena na vznikajících odrazech elektromagnetického vlnění a na jeho absorpci v daném materiálu. Během absorpce vysokofrekvenční energie vzniká teplo jako produkt přeměny energie elektromagnetického pole na energii tepelnou. Mechanizmus stínění popisuje obr.1.

Obr. 1. Fyzikální podstata vzniku stínicí účinnosti

Na bariéru o tloušťce d dopadá elektromagnetická vlna. Část energie této vlněny je odražena od bariéry (Reflection). Další část dopadající energie je utlumena odrazy uvnitř bariéry (Re-reflection) a zbývající část bariérou projde (Transmission) [1]. Obecnou stínicí účinnost dané bariéry lze tedy popsat následujícím vztahem [2] (1):

(1)

kde R jsou ztráty jednoduchým odrazem od bariéry (Reflection), A odpovídá ztrátám absorpcí vysokofrekvenční energie v dané bariéře (Absorption) a proměnná B odpovídá vícenásobným odrazům vznikajícím uvnitř bariéry.
Hodnoty jednotlivých parametrů, které odpovídají danému materiálu a konstrukci použité bariéry, ovlivňují mechanizmus vzniku výsledného tlumení – tedy výslednou hodnotu SE. Ta udává rozdíl mezí intenzitou elektromagnetického pole, které na bariéru dopadá a intenzitou elektromagnetického pole, které bariérou projde. Z toho také vyplývají možnosti dalšího vyjádření SE pomocí logaritmů podílů intenzit elektrické či magnetické složky elektromagnetického pole a také jako rozdílu absolutních výkonových úrovní (2). To vše pro hodnoty veličin před a za bariérou.

(2)

Určit efektivnost stínění znamená stanovit složky elektromagnetické vlny proniknuvší do stíněné oblasti (z ≥ d) při známé velikosti dopadající vlny

, známých materiálových parametrech stínicí přepážky a známých parametrech obklopujícího prostředí . Při řešení vycházíme z Maxwellových rovnic, jak pro okolní prostředí, tak i pro kovové prostředí stínicí přepážky. Budeme-li uvažovat, že elektromagnetická vlna se šíří ve směru osy a intenzita elektrického pole ve směru osy , je řešení z vlnové rovnice dáno vztahem (3).

(3)

Dále pak z Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru pro harmonický průběh veličin (4)

(4)

dostaneme složku intenzity magnetického pole ve směru

rovnu vztahu (5).

(5)

Po vyjádření podílu

dostaneme vztah (6):

(6)

A po dosazení do rovnice (2)

dostaneme vztah (7):

(7)

kde:

(8)

je ekvivalentní hloubka vniku (8),

(9)

je charakteristická impedance vakua (9) a

(10)

je charakteristická impedance uvažovaného elektromagnetického stínění (10).

III. MODELOVÁNÍ SE

Pro jednotlivé složky elektromagnetické stínicí účinnosti lze psát vztahy (11), (12) a (13):

za předpokladu, že

(11)

(12)

(13)

V prostředí Matlab byla simulována stínicí účinnost (včetně všech komponent R, A a B) tenké hliníkové fólie o tloušťce d= 0,01 mm. Z rozboru vztahů je zřejmé, že útlum odrazem je funkcí poměru σ/μ, zatímco absorpční útlum je funkcí součinu těchto veličin. Útlum odrazem tvoří dominantní složku stínicího účinku na nízkých kmitočtech, na vysokých kmitočtech vzrůstá absorpční útlum a vysoce převyšuje (stále klesající) útlum odrazem. Útlum mnohonásobnými odrazy B se v měřeném pásmu neprojeví (je nulový), neboť se projevuje na nízkých frekvencích (<1 MHz).

Obr. 2 Modelování stínicí účinnosti pro hliníkovou fólii o tloušťce d=0,01 mm.

IV. MĚŘENÍ ÚČINNOSTI STÍNĚNÍ

Nejčastější metodou měření SE je měření porovnávací, které vychází z definičního vztahu (2). Nejprve je tedy změřena kalibrační křivka průběhu frekvenční závislosti výkonu měřicího přípravku bez daného vzorku a od této křivky je následně odečten stejně měřený průběh s vloženým vzorkem. Obdobným způsobem se postupuje při měření SE pomocí měření elektrické či magnetické složky elektromagnetického pole (např. s využitím detektorů).

STANDARD ASTM D4935

Jedním ze standardizovaných postupů pro měření stínicí elektromagnetické účinnosti je standard ASTMD4935, který byl publikován v roce 1999. V roce 2005 byl však tento postup ze standardů ASTM vyjmut [4]. Přesto je i nadále používán jako „nenormalizovaný“ standard mnoha výzkumnými skupinami v oboru Elektromagnetické kompatibility (EMC) [2], [5], [6].

Měřicí adaptér na obr. 3 je tvořen dvěma symetrickými díly axiálně děleného koaxiálního vedení. Standard ASTM D4935 omezuje maximální kmitočet na hodnotu 1,5 GHz. Toto omezení je způsobeno postupným buzením dalších módů odlišných od vlny TEM nad kmitočtem 1,5 GHz.

Obr. 3 Měřicí adaptér podle ASTM D4935

Nejnižší kmitočet má hodnotu 30 MHz s tím, že je možné měřit i na kmitočtech nižších. Omezení je dáno postupným poklesem velikosti posuvného proudu, což je způsobeno snižováním účinnosti kapacitní vazby adaptéru [4].

V pásmu pod 30 MHz začíná postupně převládat magnetická složka elektromagnetického pole. To se při nevhodném konstrukčním uspořádaní projeví nekorektním průběhem SE, jak ukazuje graf na obr 4. Marginální chybou jsou pak zákmity na začátku měřeného pásma. Tuto systematickou chybu lze omezit pečlivou fixací obou polovin koaxiálního adaptéru pomocí stahovacích šroubů (výsledkem je fixovaná axiální i radiální poloha adaptéru a měřeného vzorku), jak bude ukázáno dále.

Obr. 4 Zvlnění průběhu SE při nekorektním mechanickém uspořádání adaptéru

BLOKOVÉ SCHÉMA PRACOVIŠTĚ

Zapojení měřicí aparatury na obr 5. vychází ze standardu ASTM pro realizaci porovnávacího měření. Vysokofrekvenční generátor s výstupní impedancí 50 Ω je připojen k měřicímu adaptéru přes útlumový článek 10 dB, který omezuje šíření odrazů od stínicího materiálu zpět po vedení ke generátoru. Stejnou úlohu plní i druhý útlumový článek 10 dB, připojený na výstup adaptéru, jenž tlumí případné signálové interference na vedení směrem k měřiči výkonových úrovní.

Obr. 5 Uspořádání měřicího pracoviště při kalibraci (a) a vlastním měření (b) [8]

Pro měření lze s výhodou použít obvodový analyzátor. Vlastní měření sestává ze dvou kroků:

• Nejprve jsou vloženy pouze dva kruhové kalibrační vzorky podle [4] (malý kruhový o ploše středního vodiče a druhý s odstraněným mezikružím, který je umístěný mezi plochy adaptéru realizující „stínění koaxiálního vedení“). Důležitá je fixace adaptéru symetrickým stažením upínacích šroubů. Následuje kalibrace obvodového analyzátoru pro měření frekvenční závislosti přenosu. Výsledkem kalibrace je nulová hodnota průběhu frekvenční závislosti útlumu.
• Druhým krokem je výměna normalizačního vzorku za vzorek měřený, který je ze stejného materiálu. Po opětovné fixaci adaptéru šrouby lze na analyzátoru odečíst průběh SE daného materiálu.

PŘÍKLAD MĚŘENÝCH VZORKŮ A VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ

V projektu Be-Tex byly vytvořeny vzorky nových stínicích textilií založených na přídavku příze s nanočásticemi stříbra do osnovy i útku s různou hustotou (vzorky 38, 39) a textilie s nekonečným nerezovým vláknem (vzorek Anticoro). V grafu na obr. 6 je zobrazen výsledek měření SE v pásmu 100 kHz až 30 MHz, který ukazuje vhodnost využití adaptéru i v tomto pásmu. Výsledky odpovídají předpokladům (hladký průběh SE) především u vzorků č. 38 a Anticoro. Při vyšších hodnotách SE dochází ke zvlnění průběhů, což je však pravděpodobně způsobeno spíše konstrukcí měřených vzorků, než použitou měřicí metodou.

Obr. 6 Měření SE v pásmu 100 kHz až 30 MHz

Výsledky měření na obr. 7 dále ukazují předpokládaný průběh frekvenční závislosti SE v pásmu 30 MHz až 1,5 GHz. Zvlnění průběhů jednotlivých vzorků souvisí s jejich fyzikální konstrukcí a vlivem parazitních rezonancí uvnitř heterogenní struktury textilního materiálu. Plocha textilie není celistvá (jak tomu bylo u hliníkové fólie), ale obsahuje též otvory mezi osnovními a útkovými nitěmi. Tyto otvory fungují jako víceméně pravoúhlé vlnovody, kterými část vysokofrekvenčního záření prochází skrz textilii. Podobná, různě tvarovaná, zvlnění lze pozorovat i u jiných měřených vzorků [2], [5], [6], [7].

Obr. 7 Měření SE v pásmu 30 MHz až 1,5 GHz

Jako srovnávací vzorek určený pro ověření funkce adaptéru byl změřen i výše simulovaný vzorek hliníkové fólie o tloušťce 0,01 mm. Předpokládanou simulovanou SE převyšující 100 dB však nelze realizovanou aparaturou změřit. V praxi je totiž dynamický rozsah mnohem menší, a to z důvodu nedokonalého interpretace vzorkovaného signálu použitým číslicovým analyzátorem a též nedokonalostí kabelového propojení mezi měřicím adaptérem a obvodovým analyzátorem [8]. Dynamický rozsah realizované aparatury je podle výsledků měření v rozmezí 60 až 70 dB a odpovídá šumovému pozadí (tedy nikoliv SE hliníkové fólie).

V. ZÁVĚR

Měření elektromagnetické stínicí účinnosti je jedním ze základních měření v oblasti EMC. Stínicí struktury jsou využívány jako funkční prvky elektrotechnických zařízení i jako doplňkové prvky ochrany před nežádoucími účinky elektromagnetického záření z pohledu elektromagnetické interference (EMI). Jednou z moderních aplikací je nejen ochrana techniky, ale též ochrana člověka jako obsluhy specifických elektrických zařízení během jejich provozu či údržby.

Realizované měřicí pracoviště slouží pro měření elektromagnetické stínicí účinnosti moderních planárních materiálů jak pro běžnou výuku v oblasti EMC, tak i pro výzkumně-vývojové aktivity doktorandských projektů.

Tento příspěvek byl vytvořen v rámci projektu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Fondem rozvoje vysokých škol č. 1805/2009 a s podporou projektu BE-TEX (FI-IM5/202) „Ochrana člověka a techniky před vysokofrekvenčním zářením“, který je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v programu Impuls.

ODKAZY

[1] Hemming L. H., Architectural Electromagnetic Shielding Handbook: A Design and Specification Guide. Wiley-IEEE Press, ISBN: 978-0-7803-6024-2, 2000.
[2] Więckowski T. W., Janukiewicz M. J., Methods for Evaluating the Shielding Effectiveness of Textiles, [online], [2009], URL:< http://www.fibtex.lodz.pl/59_09_18.pdf>.
[3] MZČR, Vyhláška o ochraně zdraví před nepříznivými účinky elektromagnetického záření ve znění změněném nařízením vlády ČR č.352/2000 Sb. [online], [2000], URL:< http://www.crk.cz/CZ/HYGC>.
[4] American Society for Testing and Materials, Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of planarMaterials, Standard D4935-99, 1999.
[5] Dřínovský J., Kejík Z., Electromagnetic Shielding Efficiency Measurement of Composite Materials, Department of Radio Electronics, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology, [online], [2009], URL:.
[6] Féher A., Nagy S., Mojzes I., Developing Sampler Holders for Measurement Shielding Efficiency of Thin Layers on Compound Semiconductor Substates, [online], [2010], URL:< http://piers.mit.edu/piersproceedings/piers2k9MoscowProc.php?searchname=developing>.
[7] Marvin C. A., Dawson L., Flintoft I. D., Dawson J. F., A Method for the Measurement of Shielding Effectiveness of Planar Samples Requiring no Sample Edge Preparation or Contact, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol 51 No2, pp255-262, May 2009.
[8] Siemens – Center for Quality Engineering, Test Report No.: V09R0001, [online], [2010], URL:< http://www.kitagawa.de/database/testreport_engl_em65g_em70.pdf>.