Измерение эффективности экранирования материалов в диапазоне от 10 кГц до 90 ГГц: методики проведения измерений (ASTM D4935, ASTM ES7 и др.), приборы и аксессуары

Краткое вступление

Для решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС), устойчивости к электромагнитным помехам (ЭМП), а также технической защиты информации (ТЗИ) широкое распространение получили плёночные экранирующие материалы. Существует множество видов этих материалов: фольга, краски, напыления, различные типы тканей, пластики с содержанием металлического порошка и т.д. Эта область промышленности активно развивается и в неё поступают солидные инвестиции.

Независимо от типа экранирующего материала, в цикле его разработки и производства обязательно присутствует процесс измерения эффективности его экранирующих свойств (коэффициента экранирования) в определённом диапазоне частот. Сама процедура измерения достаточно сложная и требует наличия специального оборудования, а также теоретической подготовки и практических навыков инженерного персонала.

В этой статье приводятся базовые сведения о методиках измерений эффективности экранирования радиоволн плёночными материалами в диапазоне частот от 10 кГц до 90 ГГц и необходимом для этого оборудовании. Методики основаны на стандартах ASTM D4935, ASTM ES7, их расширениях и модификациях.

Теория и стандарты

Существует два подхода к измерению эффективности экранирования материалов. Первый метод основан на использовании экранированной камеры, внутри которой располагается приёмная измерительная антенна, направленная на отверстие в стенке камеры, в котором закрепляется тестируемый образец. Передающая антенна находится снаружи экранированной камеры и используется для облучения образца электромагнитным сигналом. Весь комплект оборудования располагается внутри большой безэховой камеры, задача которой существенно ослабить переотражение радиосигналов внутри камеры и не пропустить внутрь камеры внешние электромагнитные помехи.

Упрощённая схема этого метода показана на рисунке ниже. Он был стандартизирован в 1956 году военным стандартном MIL-STD-285, который описывал процедуру измерения эффективности ослабления материалами электромагнитного излучения в диапазоне частот от 100 кГц до 10 ГГц. Дальнейшее развитие этот метод получил в стандарте IEEE Std 299, который дополнил и уточнил многие аспекты измерений и расширил частотный диапазон от 9 кГц до 18 ГГц с возможностью дальнейшего расширения от 50 Гц до 100 ГГц.

К достоинствам методики измерений по стандартам MIL-STD-285 и IEEE Std 299 относятся: широкий диапазон частот и возможность измерять эффективность экранирования любых твёрдых материалов, а также порошков и жидкостей (в соответствующих контейнерах). Главный недостаток этого метода - стоимость полного комплекта оборудования (включая безэховую камеру) легко может превысить $1 000 000.

Второй стандартизированный и широко используемый метод измерения эффективности экранирования материалов подходит только для тонких образцов (плёнки, фольга, напыления, ткани и др.), зато позволяет полностью укомплектовать лабораторию менее чем за $100 000 и при этом обеспечивает высокую точность. Суть этого метода заключается в использовании анализатора электрических цепей и компактных TEM-камер (Transversal ElectroMagnetic cell - ячейка поперечного электромагнитного поля). Процедуру и используемое оборудование описывают два стандарта: ASTM ES7 и ASTM D4935.

Стандарт ASTM ES7-83 стал основополагающим в признании этого метода. Он был принят в 1983 году и действовал до 1988 года. TEM-камеры, соответствующие этому стандарту имеют непрерывный проводник, а тестируемый образец должен быть круглой формы с круглым отверстием в центре. Хотя формально стандарт ASTM ES7 уже не является действующим (отозван в 1988 году), на сегодняшний день по этому стандарту выпускается большое число моделей TEM-камер, позволяющих проводить измерения в диапазоне до 3 ГГц.

Позже, в 1999 был принят другой стандарт: ASTM D4935-99, который переиздавался в 2010 и 2018 годах и является действующим в настоящее время. TEM-камеры, соответствующие этому стандарту имеют поперечный разрез, в котором закрепляется тестируемый образец. При этом образец должен быть круглой или прямоугольной формы, в зависимости от формы поперечного сечения используемой TEM-камеры.

Несмотря на несколько редакций документа ASTM D4935, он до сих пор стандартизирует достаточно узкий диапазон частот: от 30 МГц до 1,5 ГГц. Связано это с тем, что в TEM-камерах, имеющих конструкцию описанную в стандарте, с ростом частоты начинают возникать различные паразитные эффекты (резонансы, моды высшего порядка и др.), которые резко снижают точность измерения. Однако благодаря работе ведущих фирм, выпускающих TEM-камеры, а также известных научных коллективов удалось путём модификации конструкций TEM-камер добиться расширения частотного диапазона до десятков ГГц.

В качестве примера, на этом рисунке показаны разрез и фотография TEM-камеры модифицированной формы, позволяющей проводить измерение эффективности экранирования образца материала в диапазоне частот от нескольких килогерц до 3 ГГц. Тонкий плоский образец круглой формы размещается между двумя половинами TEM-камеры, которые затем закрепляются тремя электрически изолированными винтами.

На фотографии ниже показаны четыре материала (ткани и плёнка), выпускаемые немецкой компанией Aaronia специально для экранирования помещений и аппаратуры от воздействия электромагнитных помех. Эти материалы отличаются высокой эффективностью экранирования (до 100 дБ) и широким частотным диапазоном (десятки гигагерц). Эффективность экранирования подобных материалов проще всего измерять с помощью методов и аппаратуры, которые описываются в этой статье: векторного анализатора и набора TEM-камер.

Готовые комплекты оборудования для разных диапазонов частот

В этом разделе мы рассмотрим несколько готовых комплектов оборудования, с помощью которых можно измерять эффективность экранирования плёночных материалов в диапазоне частот от 10 кГц до 90 ГГц.

Первый, основной комплект оборудования базируется на векторном анализаторе Anritsu MS46122A-020. Этот векторный анализатор работает в частотном диапазоне от 1 МГц до 20 ГГц и обеспечивает динамический диапазон более 100 дБ. Для подключения тестируемого образца необходима одна или несколько TEM-камер. Поскольку каждая TEM-камера ограничена определённым диапазоном частот, Вы выбираете те модели, которые полностью перекрывают необходимые Вам частоты. Ниже представлены три разные TEM-камеры японской компании KEYCOM.

Структурная схема подключения к векторному анализатору и фотография одной из TEM-камер показаны на этом рисунке. Тестируемый образец круглой формы зажимается между двумя половинами TEM-камеры.

Второй комплект оборудования предназначен для измерений, начиная от 10 кГц. Базируется он на векторном анализаторе Anritsu MS2026C (если Вам достаточна верхняя частота 6 ГГц), либо на модели Anritsu MS2028C (если необходимо проводить измерения вплоть до 18 ГГц). Также как и в предыдущем комплекте, к векторному анализатору необходимо добавить одну или несколько TEM-камер, производства японской компании KEYCOM, из таблицы ниже.

Важной составляющей измерительных комплексов, предлагаемых выше является специализированное программное обеспечение DMP-11. Скриншот главного окна этой программы показан ниже. Её задача - управлять векторным анализатором цепей, считывать с него результаты измерений и пересчитывать эти результаты по специальным формулам, учитывающим параметры используемой TEM-камеры. Результат измерения эффективности экранирования материала представляется в виде графика и таблицы значений.

Два предыдущих комплекта оборудования использовали TEM-камеры с круглым сечением. Третий комплект оборудования, который мы сейчас рассмотрим, использует TEM-камеры с прямоугольным сечением и предназначен для проведения измерений эффективности экранирования материалов в очень широком диапазоне частот: от 960 МГц до 90 ГГц.

Структурная схема подключения компонентов этого комплекта показана на рисунке ниже.

В зависимости от интересующего диапазона частот, необходимо выбрать одну или несколько из двенадцати TEM-камер, перечисленных в таблице ниже.

На частотах до 40 ГГц необходимо использовать программное обеспечение DMP-12 и подходящий по частотному диапазону векторный анализатор электрических цепей из серии Anritsu MS46122A. На частотах более 40 ГГц необходимо использовать программное обеспечение DMP-13 и подходящий по частотному диапазону векторный анализатор электрических цепей из топовой серии Anritsu MS4640B VectorStar.

Дополнительная информация по этой теме

В этой статье мы предложили три готовых комплекта оборудования для измерения эффективности экранирования плёночных материалов в очень широком диапазоне частот (от 10 кГц до 90 ГГц). Предлагаемое оборудование и методики измерений основаны на стандартах ASTM D4935, ASTM ES7, а также их расширениях и модификациях.

Измерение параметров материалов - это обширная и достаточно сложная тема, которая требует от персонала специальных знаний и навыков. Комплект необходимого для этого оборудования напрямую зависит от вида тестируемого материала, интересующего частотного диапазона и параметров, которые необходимо измерять.

Чтобы сэкономит время по выбору необходимых Вам приборов и вспомогательных аксессуаров, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы подберём оптимальный комплект оборудования, а также проконсультируем по техническим аспектам его применения. Кроме того, рекомендуем ознакомиться с общей теорией векторного анализа электрических цепей и теорией анализа радиочастотного спектра.