پوشش شیلدینگ

اصول پوشش ( شیلدینگ )

پوشش، جداره‌ای فلزی است که بین دو ناحیه از فضا قرار می‌گیرد و برای کنترل انتشار میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی،

از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر استفاده می‌شود.

در صورتی که پوششی مطابق شکل 1منبع نویز را احاطه کرده باشد، می‌تواند میدان‌های الکترومغناطیسی را حبس کند.

از این ساختار می‌توان برای محافظت از تجهیزات تأثیرپذیر در خارج از پوشش استفاده کرد.

از پوشش می‌توان برای محافظت از تجهیزات در برابر تشعشع میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی، مطابق شکل 2استفاده نمود.

در این حالت فقط از تجهیزات درون پوشش محافظت می‌شود. از دیدگاه سیستمی،

پوشش کردن منبع نویز، مؤثرتر از پوشش کردن گیرنده نویز است. با این حال، در برخی موارد لازم است که منبع تشعشع کند

(مانند ایستگاه‌های رادیویی) و بنابراین پوشش کردن هر یک از گیرنده‌ها ممکن است ضروری باشد.

شکل 1-کاربرد پوشش در محصور کردن منبع نویز جهت جلوگیری از تداخل در وسایل خارج از پوشش

 

معمولاً به ساخت پوشش و طراحی خوب آن اهمیت زیادی داده نمی‌شود.

بنابراین انرژی الکترومغناطیسی از طریق مسیرهای مختلفی مانند کابل‌ها می‌تواند به سیستم نفوذ کند یا از آن خارج شود.

کابل‌ها نویز را از یک طرف پوشش جذب کرده و به طرف دیگر هدایت می‌کنند و باعث تشعشع مجدد نویز در آنجا می‌شوند.

به منظور تکمیل کارکرد محفظه پوشش، همه کابل‌های (تغذیه و سیگنال) ورودی به پوشش باید در برابر ولتاژهای نویز صافی شوند.

پوشش کابل‌هایی که به محفظه پوشش شده وارد می‌شوند،

باید به پوشش محفظه مسدود شوند تا از پیوند نویز در محل اتصال جلوگیری شود. پوشش شیلدینگ

شکل 2- قرار دادن پوشش اطراف گیرنده، جهت جلوگیری از تداخل نویز صافی نشده

 

میدان‌های نزدیک و میدان‌های دور

مشخصات یک میدان توسط منبع، محیط اطراف منبع و فاصله بین منبع و نقطه مشاهده تعیین می‌شود.

در نزدیکی منبع، خواص میدان اساساً توسط مشخصات منبع تعیین می‌شود و دورتر از منبع،

خواص میدان عمدتاً به محیطی که میدان از طریق آن منتشر می‌شود بستگی دارد. بنابراین

فضای اطراف منبع تشعشعی را می‌توان به دو ناحیه مطابق شکل 3 تفکیک نمود .

در مجاورت منبع، میدان نزدیک یا القایی بوده و از فاصله بیشتر از  (حدود 6/1 طول موج) از منبع،

میدان دور یا تشعشعی است. ناحیه اطراف  هم ناحیه گذرا بین میدان‌های نزدیک و دور است. پوشش شیلدینگ

شکل 3- مشخصه میدان، به فاصله از منبع بستگی دارد. گذر از میدان نزدیک به میدان دور، در  رخ می‌‌دهد.

 

نسبت میدان الکتریکی (E)

به میدان مغناطیسی (H)، امپدانس موج نامیده می‌شود. در میدان دور،

نسبت E/H برابر امپدانس مشخصه محیط است (برای هوا یا فضای آزاد ). در میدان نزدیک، این نسبت

توسط مشخصات منبع و فاصله بین منبع و محل مشاهده میدان تعیین می‌شود.

اگر منبع دارای جریان زیاد و ولتاژ کم باشد ، میدان نزدیک اساساً مغناطیسی خواهد بود و بر عکس،

اگر منبع دارای جریان کم و ولتاژ زیاد باشد ، میدان نزدیک عمدتاً الکتریکی خواهد بود.

در آنتن‌های سیمی مستقیم یا میله‌ای، امپدانس منبع زیاد بوده و در نزدیکی آنتن با میدان الکتریکی غالب ، امپدانس موج نیز زیاد است.

با افزایش فاصله، مقداری از شدت میدان الکتریکی کاسته می‌شود تا میدان مغناطیسی مکمل را ایجاد کند.

در میدان نزدیک، میدان الکتریکی با نرخ  و میدان مغناطیسی با نرخ  تضعیف می‌شوند.

بدن ترتیب امپدانس موج آنتن میله‌ای با افزایش فاصله کاهش می‌یابد و به طور مجانبی به امپدانس

فضای آزاد در میدان دور مطابق شکل 4 میل می‌کند. پوشش شیلدینگ

شکل 4- امپدانس موج، به فاصله از منبع و به الکتریکی یا مغناطیسی بودن میدان، بستگی دارد.

 

برای میدان مغناطیسی، مانند میدان ایجاد شده توسط آنتن حلقوی، امپدانس موج در نزدیکی آنتن کم است.

با افزایش فاصله غالب منبع، میدان مغناطیسی با نرخ  و میدان الکتریکی با نرخ  تضعیف می‌شوند.

بنابراین امپدانس موج با افزایش فاصله زیاد شده و در فاصله  به امپدانس فضای آزاد نزدیک می‌شود.

در میدان دور، میدان الکتریکی و مغناطیسی هر دو با نرخ  تضعیف می‌شوند. پوشش شیلدینگ

در میدان نزدیک، باید میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را جداگانه بررسی کرد زیرا نسبت آن‌ها ثابت نیست.

ولی در میدان دور، این دو میدان با هم ترکیب شده و موج صفحه‌ای با امپدانس  را تشکیل می‌دهند.

بنابراین در بررسی امواج صفحه‌ای، فرض می‌شود که در میدان دور هستند و

زمانی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی جداگانه بررسی شوند، فرض بر این است که در میدان نزدیک هستند.

 

کارایی پوشش

در این بخش، کارایی پوشش صفحات فلزی در میدان‌های نزدیک و دور بررسی می‌شود.

کارایی پوشش، با تحلیل مسئله به یکی از دو روش زیر تعیین می‌شود. روش اول، استفاده از نظریه مدار و روش دوم،

استفاده از نظریه میدان است. از دیدگاه نظریه مدار، میدان‌های نویزی باعث ایجاد جریان‌های القایی در پوشش‌ها شده

که به نوبه خود میدان دیگری تولید می‌کنند که در نواحی معینی، تمایل به حذف میدان اصلی را دارند.

مثالی از این موضوع در شکل 5 نشان داده شده است ولی در این فصل غالباً از روش اصولی‌تر نظریه میدان استفاده خواهیم کرد. پوشش شیلدینگ

شکل 5- مواد هادی، توانایی پوشش کردن میدان مغناطیسی را دارند. میدان مغناطیسی تابشی جریان‌هایی را در هادی القا می‌کنند و این جریان‌ها میدانی در جهت مخالف میدان تابشی و در جهت حذف آن در ناحیه محصور شده توسط پوشش، به وجود می‌آورند.

 

کارایی پوشش را می‌توان برحسب کاهش شدت میدان مغناطیسی یا الکتریکی ایجاد شده توسط پوشش مشخص کرد.

بهتر است کارایی پوشش را برحسب دسی‌بل (dB) بیان کرد. در این صورت می‌توان کارایی

پوشش‌های مختلف را با هم جمع کرده و کارایی پوشش کل را به دست آورد. کارایی پوشش (S) برای میدان‌های الکتریکی به صورت زیر:

(6)                                                                         

و برای میدان‌های مغناطیسی هم به صورت زیر تعریف می‌شود:

(7)                                                                                                                                       

در این معادلات،  و  شدت میدان تابشی و  و  شدت میدان منتقل شده از پوشش هستند. در طراحی محفظه پوشش دو نکته مهم است:

1- کارایی پوشش خود ماده پوشش

2- کارایی پوشش ناشی از ناپیوستگی‌ها و سوراخ‌های پوشش. این دو نکته در این فصل به طور جداگانه بررسی می‌شوند.

ابتدا کارایی پوشش یکپارچه بدون درز یا سوراخ تعیین می‌شود و سپس اثر ناپیوستگی‌ها و سوراخ‌ها در نظر گرفته می‌شود.

در اصل کارایی پوشش روزنه‌ها، تعیین‌کننده کارایی پوشش کل است، نه کارایی پوشش مواد آن. پوشش شیلدینگ

کارایی پوشش با فرکانس، شکل هندسی پوشش، محل اندازه‌گیری میدان داخل پوشش، نوع میدان تضعیف شده

جهت تابش و قطبی‌شدگی موج تغییر می‌کند. در این بخش اثر پوششی ایجادشده توسط صفحه مسطح هادی را بررسی می‌کنیم.

این شکل ساده هندسی، جهت معرفی مفاهیم عمومی پوشش به کار می‌رود و نشان می‌دهد که خواص ماده پوشش،

کارایی پوشش را تعیین می‌کنند، ولی تأثیرات ناشی از ساختار هندسی پوشش را شامل نمی‌شود.

نتایج محاسبات صفحه مسطح، برای تخمین کارایی پوشش نسبی مواد مختلف مفید است.

موج الکترومغناطیسی،

در برخورد با یک سطح فلزی دچار دو نوع تلفات می‌شود. بخشی از موج از سطح منعکس می‌شود (تلفات انعکاسی) و

بخشی انتقال یافته (منعکس نشده) و هنگام عبور از محیط تضعیف می‌شود.

این مقدار تضعیف شده تلفات جذبی یا نفوذی نامیده می‌شود و برای میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی،

در میدان دور یا نزدیک یکسان است ولی تلفات انعکاسی به نوع میدان و امپدانس موج بستگی دارد. پوشش شیلدینگ

کارایی پوشش کل یک ماده برابر جمع تلفات جذبی (A)، تلفات انعکاسی (R) و ضریب تصحیح (B)،

جهت به حساب آوردن انعکاسات چندگانه در پوشش‌های نازک است. بنابراین کارایی پوشش کل را می‌توان به صورت زیر نوشت:

(8)                                                                        

هر سه عبارت معادله 8 باید برحسب dB بیان شوند. در صورتی که تلفات جذبی (A) بیشتر از 9 dB باشد، می‌توان از ضریب انعکاسات چندگانه (B) صرف‌نظر کرد. از نظر علمی، برای میدان‌های الکتریکی و امواج صفحه‌ای، انعکاسات چندگانه قابل چشم‌پوشی هستند.

تلفات جذبی

هنگام عبور موج الکترومغناطیسی از یک محیط، دامنه آن به صورت نمایی مطابق شکل 6 کاهش می‌یابد (کتاب 1974، Hayt). این کاهش به این دلیل است که جریان‌های القا شده در محیط، موجب تلفات اهمی و گرم شدن ماده می‌شوند. بنابراین می‌توان نوشت:

(9 )                                                                            

و

(10)                                                                           

 شدت موج به فاصله t در محیط، مطابق شکل 6 است. فاصله‌ای را که در آن، موج به میزان 1/e یا 37% مقدار اولیه‌اش تضعیف می‌شود عمق پوستی می ‌نامند که برابر است با:

(الف-11)                                                                     

با استفاده از معادله الف-11، می‌توان ایده‌ای در مورد عمق پوستی نوعی مواد واقعی به دست آورد. با جایگزین کردن مقادیر عددی ،  و تبدیل واحدها، به طوری که عمق پوستی برحسب اینچ به دست آید، داریم:

(ب-11)                                                                     

عمق پوستی مس، آلومینیوم، فولاد و میومتال برحسب فرکانس‌های مختلف در جدول 2 ارائه شده‌اند.

شکل 6-موج الکترومغناطیسی هنگام عبور از یک محیط جاذب، به طور نمایی تضعیف می‌شود.

 

جدول 2-عمق پوستی مواد مختلف

 

میومتال	فولاد	آلومینیوم	مس	فرکانس
0.019	0.034	0.429	0.335	60 Hz
0.011	0.026	0.333	0.260	100 Hz
0.003	0.008	0.105	0.082	1 KHz
–	0.003	0.033	0.026	10 KHz
–	0.008	0.011	0.008	100 KHz
–	0.003	0.003	0.003	1 MHz
–	0.0001	0.001	0.0008	10 MHz
–	0.00008	0.0003	0.00026	100 MHz
–	0.00004	0.0001	0.00008	1000 MHz

حال تلفات جذبی در پوشش را می‌توان به صورت زیر نوشت:

(الف-12)                                                        

یا

(ب-12)                                                                   

از معادله بالا مشاهده می‌شود که تلفات جذبی در ضخامتی برابر یک عمق پوستی تقریباً 9 dB است و با دو برابر کردن ضخامت پوشش، تلفات جذبی بر حسب dB، دو برابر خواهد شد.

در شکل 7 نموداری از تلفات جذبی برحسب نسبت  رسم شده است. این منحنی برای امواج صفحه‌ای، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی صادق است.

شکل 7-تلفات جذبی با ضخامت ماده، نسبت مستقیم و با عمق پوستی نسبت عکس دارد. از این نمودار می‌توان برای میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و امواج صفحه‌ای استفاده کرد.

 

با قرار دادن معادله ب-11 در معادله ب-12، معادله زیر برای تلفات جذبی به دست می‌آید:

(13)                                                               

در این معادله، t ضخامت پوشش بر حسب اینچ است. معادله 13نشان می‌دهد که تلفات جذبی (برحسب dB)

با مجذور حاصل‌ضرب نفوذپذیری و ضریب هدایت ماده پوشش، نسبت مستقیم دارد. در جدول 1، ضریب

هدایت و نفوذپذیری نسبی مواد پوششی مختلف فهرست شده است. پوشش شیلدینگ

در شکل 8 ، برای دو ضخامت از مس و فولاد، تلفات جذبی برحسب فرکانس رسم شده است.

چنانچه مشاهده می‌شود، صفحه نازک مسی (به ضخامت 0.02in) در 1MHz، تلفات جذبی قابل توجهی (66 dB)

ایجاد می‌کند اما در فرکانس‌های کمتر از 1000Hz تقریباً هیچ تلفاتی ندارد. شکل 8 به وضوح مزیت

فولاد بر مس را در ایجاد تلفات جذبی نشان می‌دهد. ولی در صورت استفاده از فولاد،

برای ایجاد تلفات جذبی محسوس در فرکانس‌های کمتر از 1000Hz، صفحه ضخیمی مورد نیاز خواهد بود.

شکل 8- تلفات جذبی با افزایش فرکانس و ضخامت پوشش، افزایش می‌یابد؛ تلفات جذبی فولاد بیشتر از تلفات جذبی مس با همان ضخامت است.

 

[1] . اگر در این معادله ثابت‌هایی که قبلاً بیان شد (برحسب سیستم MKS) قرار دهیم، عمق پوستی برحسب متر به دست می‌آید.- شیلدینگ