Calculul ecranelor CONTRACTUL CNCSIS 429/2006 Studiul proprietăţilor de ecranare a materialelor obţinute prin nanotehnologii şi nanoprocese în vederea integrării în sistemele electrice şi electronice pentru îmbunătăţirea calităţii mediului

Calculul eficienţei ecranării Eficienţa ecranării este suma pierderilor prin absorbţie, reflexie şi re-reflexie. Termenii A, R şi B au următoarea formă: W0 W1 W0-W1 W3 W0-W1-W2-W3

Calculul eficienţei ecranării Efectuând calculele, atenuarea prin reflexie RdB poate fi exprimată pentru câmpul electric în 2 variante, dacă sursa este aproape de ecran şi dacă sursa este îndepărtată. A. Schwab1 obţine următoarele rezultate: Zona depărtată r- distanţa între sursă şi ecran Zona apropiată Atenuarea prin absorbţie AdB este: Atenuarea prin re- reflexie BdB este: Se poate neglija 1. A. Schwab, Compatibilitate electromagnetică, Ed. Tehnică, 1996

Conductivitate, permeabilitate şi permitivitate Conductivitatea electrică este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui material de a permite transportul sarcinilor electrice atunci cînd este plasat într-un cîmp electric. Simbolul folosit pentru această mărime este de obicei σ (litera grecească sigma), iar unitatea de măsură este siemens pe metru (S·m−1). Mărimea inversă conductivităţii este rezistivitatea electrică, cu simbolul ρ (litera grecească ro) şi unitatea de măsură ohm metru (Ω·m). Permeabilitatea este gradul de magnetizare a unui material care reacţionează linear, când este străbătut de un câmp magnetic. Permeabilitatea magnetică este de obicei reprezentată de litera greacă, μ. În Sistemul Internaţional, permeabilitatea este măsurată în henry pe metru (H m-1), sau în Newton supra amper pătrat(N A-2). Valoarea constantă μ0 este cunoscută sub numele de constanta magnetică sau permeabilitatea vidului, şi are valoarea μ0 = 4π×10−7 N·A−2 Permitivitatea electrică este o mărime care indică rezistenta opusă la polarizare electrică a unui dielectric. Unitatea de masură in SI este farad pe metru. Permitivitatea vidului este: ε0=8.854 × 10-12 [F/m]

Conductivitatea şi permeabilitatea relativă

Analogia între ecranare şi linii de transmisie Ideea lui Shelkunoff publicată în: Schelkunoff S., The impedance Concept and its Application to Problems of Reflection, Shielding and Power Absorption, Bell System Technical, 1938 Elementele de circuit C şi L pentru liniile de transmisie se stabilesc prin corespondenţa C corespunde lui  şi L corespunde lui , permitivitatea respectiv permeabilitatea mediului de transmisie. Elementul de circuit R se stabileşte prin analogia firească între propagarea energiei electrice prin conductoare şi propagarea undei electromagnetice printr-un mediu conductor care atenuează unda. Comportarea liniei de transmisie în cazul modelării unui ecran este opusă comportării la aplicarea unei tensiuni, deci lui R îi corespunde  (conductivitatea mediului). Ecran (material conductor) Emiţător (Ei, Hi) Mediu propagare (aer)    Ecran (material) (conductor) Vi 50 Vo Câmp atenuat (Eo, Ho) 1 1 1

Model Spice 1000m 100m 10m 1m Diagramă redată aproximativ pentru 762m în [1] Diagramă redată aproximativ pentru 76m în [1] Date simulate de atenuare în funcţie de frecvenţă obţinute prin modelare SPICE şi date măsurate preluate din bibliografie. White, D.R.J.: Electromagnetic Shielding Materials and Properties. Don White Consultants, Inc., 1980 T1 Linie de transmisie R L C G VIN R1 V2 1 2

Măsurarea atenuării în ghid de undă cu sistemul LABVOLT Pentru verificarea datelor obţinute prin simularea în SPICE s-a optat pentru folosirea unui sistem de măsură în ghid de undă cu generator de microunde realizat cu diodă Gunn. Sistemul este închis din punct de vedere electromagnetic şi asigură eliminarea influenţei câmpurilor electromagnetice perturbatoare asupra procesului de măsurare. Eşantioanele de materiale supuse procesului de măsurare sunt dispuse în ghidul de undă dreptunghiular în care se generează câmpul de microunde. Valori masurate pentru FE150, FE300 Valori masurate pentru sticlotextolit Valori masurate pentru carton În graficul din figură au fost poziţionate punctele măsurate la 10GHz în ghid de undă peste simulările SPICE ale respectivelor materiale:

Măsurarea atenării cu antene Antena emisie Antena recepţie Un sistem cu antene permite măsurători la frecvenţa de 1GHz. Sistemul cu antene este proprietatea ICPE Bucureşti. Rezultat obţinut cu sistemul de antene Rezultat obţinut cu sistemul de microunde, proba în ghid Rezultat obţinut cu sistemul de microunde cu antena Horn

Măsurarea atenuării în incinta TEM Generarea undelor în interiorul incintei se face folosind un generator de radiofrecvenţă conectat la incinta TEM. Intensitatea câmpului electromagnetic din incintă este măsurată atât în absenţa materialului de ecranare P1 cât şi în prezenţa acestuia P2. Ecranarea efectivă introdusă de materialul de ecranare va fi raportul puterilor măsurate. Se propune un sistem de măsurare în domeniul de frecvenţă cuprins între 10 MHz şi 1000 MHz. Un astfel de sistem asigură eliminarea influenţelor perturbatoare ale câmpurilor electromagnetice externe asupra rezultatelor măsurărilor. Testele şi verificările recomandate de producător şi efectuate asupra incintei TEM au confirmat faptul că aceasta asigură ecranarea electromagnetică a mediului din interiorul incintei faţă de mediul exterior. Faţă de măsurările în ghid de undă realizate cu sistemul de microunde LABVOLT, aceste măsurări se pot face pe un interval de frecvenţe şi nu doar la o anumită frecvenţă. Analizor de spectru cu Generator RF Analizor de spectru Incinta TEM PC RS232 sotware

Rezultate experimentale în TEM Graficul de variatie al eficientei ecranarii ES pentru materiale de tipul FT150 de 3.0 mm, FE300 de 2.3 mm, GR150 de 2.8 mm

Măsurarea atenuării folosind mufele de conectare SMA În practica interconectării diverselor instalaţii radioelectronice conectorii de tip SMA sunt utilizaţi în domeniul frecvenţelor foarte înalte, putând ajunge până la 18 -20 GHz. În baza principiului ca eşantionul de material supus experimentelor trebuie astfel dispus încât să constituie ecran absorbant pentru câmpul de RF (ca şi în cazul ghidului de undă) s-a recurs la introducerea eşantionului într-un dispozitiv adaptor format din două mufe SMA, ambele tip « tată ». În acest mod eşantionul se află în interiorul mufei, fără contact cu exteriorul şi între capetele conductorului central al mufelor. Generator RF 3 Analizor de spectru Ansamblu mufe SMA Esantion de material

Care este importanţa practică a unui asemenea model?

Simularea transmisiei Ethernet Cablul UTP categoria 5 are caracteristici standardizate de standardul EIA/TIA 568A şi standardul ASTM D 4566. Astfel valorile maxime ale capacităţii sunt 5,6nF/100m (200pF/100m), inductivitatea de ordinul H iar rezistenţa este cea a cuprului. Impedanţa caracteristică a cablului este 100+/-15%, iar rezistenţa de sarcină se pune de aceeaşi valoare pentru a se realiza o transmisie adaptată. T1 Linie de transmisie simulare cablu Ethernet categoria 5 VIN 100 R L C G

Simularea transmisiei Ethernet Atenuarea introdusă de 100m cablu UTP categoria 5 este dată în figura dreapta sus. Conform standardului EIA/TIA 568A atenuarea în toată gama de frecvenţe este de sub 22dB/100m ceea ce confirmă corectitudinea modelului. Dacă se realizează o simulare în domeniul timp cu un semnal de intrare cu frecvenţa de 100MHz cu aceeaşi lungime a tronsonului de cablu de 100m, se obţine reprezentarea în timp din figura dreapta jos. Se poate remarca întârzierea semnalului pe linia de transmisie de sub 20ns/100m, ceea ce se încadrează în limita maximă de 5,7ns/m solicitată de standardul EIA/TIA 568A, încă o confirmare a corectitudinii modelului ales. Primul impuls de ieşire Primul impuls de intrare

Modelul unei transmisii Ethernet perturbate Sursa de semnal Etrhernet 100Mbps 100 Sursa de perturbaţii Transmisie wireless 802.11 cu purtătoare de 5GHz Distanţa sursă de radiaţii electromagnetice – cablu Ethernet 1m Material ecran -cupru Grosime ecran 1mm Lungime cablu Ethernet UTP cat. 5 100m Pentru a verifica eficienţa unui ecran în cazul unei transmisii Ethernet se poate realiza un model al transmisiei Ethernet perturbate. În dreapta sus este situaţia reală simulată şi în dreapta jos modelul SPICE. VIN=0 T1 linie Ethernet 100m T2 ecran cupru 1mm T3 aer 1m V1 perturbaţia 100 50

Modelul unei transmisii Ethernet perturbate Atenuarea introdusă de un ecran cu grosimea de 1mm de cupru este suficientă conform standardului EIA/TIA 568A care solicită o atenuare la perturbaţii (ACR Attenuation to Cross Talk Radio) de minimum 50dB în toată gama de frecvenţe. Pentru analiza în timp s-a introdus suplimentar faţă de analiza în frecvenţă o diodă fără tensiune de prag care face ca influenţa perturbaţiei să fie de la radiaţie spre linia UTP. S-a redus şi grosimea ecranului la 100m. Sursa de perturbaţie are amplitudinea de 1000V. Se observă atenuarea puternică introdusă de ecran şi că perturbaţia nu afectează semnalul util. Primul impuls de intrare Primul impuls de ieşire Perturbaţia de 5GHz

Eficienţa ecranării pentru materiale compozite Si Cond. 1.56e-3 Permit 103.374e-12 Permeab 1.257e-6 SiO2 Cond. 1e-16 Permit 33.39e-12 Conductor Cond. 0.248e+6 Permit 8.84e-12 Permeab 1.257e-6 Incident V1 Iesire V2 0.5mm 10m 60 m Structura şi modelul de ecranare a unui material compozit fabricat la Universitate. Materialul constă într-un film subţire conductor depus pe un strat de siliciu, fiind izolat electric cu SiO2 R1 V2 T1 Linie de transmisie Model Si VIN R L C G T2 Linie de transmisie Model SiO2 Model strat conductor

Eficienţa ecranării pentru materiale compozite- Simulink E=20lgV1/V2 Modelul Simulink constă în 3 linii de transmisie înseriate. Atenuarea la 10GHz este de circa 3dB.

Eficienţa ecranării pentru materiale compozite- Spice Modelul Spice cu 3 linii de transmisie arată comportarea în toată gama de frecvenţe. Se poate observa atenuarea mai mare la frecvenţe joase şi atenuarea de circa 3,5dB la 10GHz.

Exemplu de calcul cu metoda analitică şi prin modelare

Calcul analitic cu formulele simplificate Să se calculeze atenuarea introdusă de un ecran de cupru cu grosimea de 0,1mm Automatizarea calculelor în Excel Pe prima coloană s-a pus frecvenţa în MHz de la 0.00001 (10Hz) până la 10000 (10GHz).

Calculul prin modelare Spice Conductivitate electrica cupru: 59,6·106 S/m Permeabilitate magnetica 1.2566290 × 10-6 H/m Permitivitate electrica 8.854 × 10-12 F/m V1 TAER 1m TCU 0.1mm 50 V1 1 0 AC 1 0 TAER 1 0 4 0 r=3e-15 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=1 R2 4 0 50ohm TCU 4 0 3 0 r=59.6e+6 l=1.257e-6 c=8.84e-12 g=0 len=0.1m R3 3 0 50ohm .PROBE .AC DEC 100 10Hz 30GHz .END

Rezultate comparative Rezultatul simulării Spice Graficul Excel arată cu albastru componenta de reflexie şi cu roşu cea de absorbţie.