Вимірювання ефективності екранування матеріалів у діапазоні від 10 кГц до 90 ГГц: методики проведення вимірювань (ASTM D4935, ASTM ES7 та ін.), прилади та аксесуари

Короткий вступ

Для вирішення завдань електромагнітної сумісності (ЕМС), стійкості до електромагнітних перешкод (ЕМП), а також технічного захисту інформації (ТЗІ) широкого поширення набули плівкові екрануючі матеріали. Існує безліч видів цих матеріалів: фольга, фарби, напилення, різні типи тканин, пластики із вмістом металевого порошку тощо. Ця галузь промисловості активно розвивається і до неї надходять солідні інвестиції.

Незалежно від типу екрануючого матеріалу, в циклі його розробки та виробництва обов'язково присутній процес вимірювання ефективності його властивостей, що екранують (коефіцієнта екранування) в певному діапазоні частот. Сама процедура виміру досить складна і потребує наявності спеціального обладнання, а також теоретичної підготовки та практичних навичок інженерного персоналу.

У цій статті наводяться базові відомості про методики вимірювання ефективності екранування радіохвиль плівковими матеріалами в діапазоні частот від 10 кГц до 90 ГГц та необхідному для цього обладнанні. Методики базуються на стандартах ASTM D4935, ASTM ES7, їх розширення та модифікації.

Теорія та стандарти

Існує два підходи до виміру ефективності екранування матеріалів. Перший метод грунтується на використанні екранованої камери, всередині якої розташовується приймальна вимірювальна антена, спрямована на отвір у стінці камери, в якому закріплюється зразок, що тестується. Антенна, що передає, зовні екранованої камери і використовується для опромінення зразка електромагнітним сигналом. Весь комплект обладнання розташовується всередині великої безехової камери, завдання якої суттєво послабити переображення радіосигналів усередині камери і не пропустити всередину камери зовнішні електромагнітні перешкоди.

Спрощену схему цього методу показано на малюнку нижче. Він був стандартизований у 1956 році військовим стандартом MIL-STD-285, Який описував процедуру вимірювання ефективності ослаблення матеріалами електромагнітного випромінювання в діапазоні частот від 100 кГц до 10 ГГц Подальший розвиток цей метод отримав у стандарті Стандарт IEEE 299, який доповнив та уточнив багато аспектів вимірювань та розширив частотний діапазон від 9 кГц до 18 ГГц з можливістю подальшого розширення від 50 Гц до 100 ГГц.

До переваг методики вимірювань за стандартами MIL-STD-285 та IEEE Std 299 відносяться: широкий діапазон частот і можливість вимірювати ефективність екранування будь-яких твердих матеріалів, а також порошків і рідин (у відповідних контейнерах). Головний недолік цього методу - вартість повного комплекту обладнання (включаючи безехову камеру) може легко перевищити $1 000 000.

Другий стандартизований та широко використовуваний метод Вимірювання ефективності екранування матеріалів підходить тільки для тонких зразків (плівки, фольга, напилення, тканини та ін.), проте дозволяє повністю укомплектувати лабораторію менш ніж за $100 000 і при цьому забезпечує високу точність. Суть цього методу полягає у використанні аналізатора електричних кіл та компактних TEM-камер (Transversal ElectroMagnetic cell - комірка поперечного електромагнітного поля). Процедуру та обладнання, що використовується, описують два стандарти: ASTM ES7 і ASTM D4935.

Стандарт ASTM ES7-83 став основним у визнанні цього методу. Він був прийнятий у 1983 році та діяв до 1988 року. TEM-камери, що відповідають цьому стандарту мають безперервний провідник, а зразок, що тестується, повинен бути круглої форми з круглим отвором в центрі. Хоча формально стандарт ASTM ES7 вже не діє (відкликаний в 1988 році), на сьогоднішній день за цим стандартом випускається велика кількість моделей TEM-камер, що дозволяють проводити вимірювання в діапазоні до 3 ГГц.

Пізніше, в 1999 році був прийнятий інший стандарт: ASTM D4935-99, який перевидувався в 2010 і 2018 роках і є нині діючим. TEM-камери, що відповідають цьому стандарту, мають поперечний розріз, в якому закріплюється зразок, що тестується. При цьому зразок повинен бути круглої або прямокутної форми, залежно від форми поперечного перерізу TEM-камери, що використовується.

Незважаючи на кілька редакцій документа ASTM D4935, він досі стандартизує досить тонкий діапазон частот: від 30 МГц до 1,5 ГГц. Пов'язано це з тим, що в TEM-камерах, що мають конструкцію, описану в стандарті, зі зростанням частоти починають виникати різні паразитні ефекти (резонанси, моди вищого порядку та ін), які різко знижують точність вимірювання. Однак завдяки роботі провідних фірм, що випускають TEM-камери, а також відомих наукових колективів, вдалося шляхом модифікації конструкцій TEM-камер домогтися розширення частотного діапазону до десятків ГГц.

Як приклад, на цьому малюнку показано розріз та фотографія TEM-камери модифікованої форми, що дозволяє проводити вимірювання ефективності екранування зразка матеріалу в діапазоні частот від кількох кілогерц до 3 ГГц. Тонкий плоский зразок круглої форми розміщується між двома половинами TEM-камери, які потім закріплюються трьома електрично ізольованими гвинтами.

На фотографії нижче показано чотири матеріали (тканини та плівка), що випускаються німецькою компанією Аарон спеціально для екранування приміщень та апаратури від впливу електромагнітних перешкод. Ці матеріали відрізняються високою ефективністю екранування (до 100 дБ) та широким частотним діапазоном (десятки гігагерц). Ефективність екранування подібних матеріалів найпростіше вимірювати за допомогою методів та апаратури, які описуються у цій статті: векторного аналізатора та набору TEM-камер.

Готові комплекти обладнання для різних діапазонів частот

У цьому розділі ми розглянемо кілька готових комплектів обладнання, за допомогою яких можна вимірювати ефективність екранування плівкових матеріалів у діапазоні від 10 кГц до 90 ГГц.

Перший, основний комплект обладнання базується на векторному аналізаторі Anritsu MS46122A-020. Цей векторний аналізатор працює у частотному діапазоні від 1 МГц до 20 ГГц і забезпечує динамічний діапазон понад 100 дБ. Для підключення зразка необхідна одна або кілька TEM-камер. Оскільки кожна TEM-камера обмежена певним діапазоном частот, Ви обираєте ті моделі, які повністю перекривають необхідні частоти. Нижче представлено три різні TEM-камери японської компанії KEYCOM.

Структурна схема підключення до векторного аналізатора та фотографія однієї з TEM-камер показано на цьому малюнку. Зразок круглої форми, що тестується, затискається між двома половинами TEM-камери.

Другий комплект обладнання призначене для вимірювань, починаючи від 10 кГц. Базується він на векторному аналізаторі Anritsu MS2026C (якщо Вам достатньо верхня частота 6 ГГц), або на моделі Anritsu MS2028C (якщо необхідно проводити вимірювання до 18 ГГц). Також як і в попередньому комплекті, до векторного аналізатора необхідно додати одну або кілька TEM-камер виробництва японської компанії KEYCOM з таблиці нижче.

Важливою складовою вимірювальних комплексів, пропонованих вище, є спеціалізоване програмне забезпечення DMP-11. Скриншот головного вікна цієї програми показано нижче. Її завдання - керувати векторним аналізатором ланцюгів, зчитувати з нього результати вимірювань і перераховувати ці результати за спеціальними формулами, які враховують параметри TEM-камери, що використовується. Результат вимірювання ефективності екранування матеріалу представляється у вигляді графіка та таблиці значень.

Два попередні комплекти обладнання використовували TEM-камери з круглим перетином. Третій комплект обладнання, яке ми зараз розглянемо, використовує TEM-камери з прямокутним перерізом і призначене для проведення вимірювань ефективності екранування матеріалів у дуже широкому діапазоні частот: від 960 МГц до 90 ГГц.

Структурна схема підключення компонентів цього комплекту показана нижче.

Залежно від діапазону частот, що цікавить, необхідно вибрати одну або кілька з дванадцяти TEM-камер, перерахованих в таблиці нижче.

На частотах до 40 ГГц необхідно використовувати програмне забезпечення DMP-12 і векторний аналізатор електричних ланцюгів із серії, що підходить за частотним діапазоном. Anritsu MS46122A. На частотах більше 40 ГГц необхідно використовувати програмне забезпечення DMP-13 і векторний аналізатор електричних ланцюгів з топової серії, що підходить по частотному діапазону. Anritsu MS4640B VectorStar.

Додаткова інформація на цю тему

У цій статті ми запропонували три готові комплекти обладнання для вимірювання ефективності екранування плівкових матеріалів у дуже широкому діапазоні частот (від 10 кГц до 90 ГГц). Пропоноване обладнання та методики вимірювань засновані на стандартах ASTM D4935, ASTM ES7, а також їх розширення та модифікації.

Вимір параметрів матеріалів - це велика і досить складна тема, яка вимагає від персоналу спеціальних знань та навичок. Комплект необхідного для цього обладнання безпосередньо залежить від виду матеріалу, що тестується, що цікавить частотного діапазону і параметрів, які необхідно вимірювати.

Щоб заощадити час на вибір необхідних Вам приладів та допоміжних аксесуарів, просто зателефонуйте нам або напишіть нам по Електронна пошта і ми підберемо оптимальний комплект обладнання, а також проконсультуємо з технічних аспектів його застосування. Крім того, рекомендуємо ознайомитись із загальною теорією векторного аналізу електричних кіл та теорією аналізу радіочастотного спектру.