Модели и методы вычисления и измерения эффективности экранирования материалов с использованием сдвоенных и коаксиальных ТЕМ-камер

Введение. Электромагнитное экранирование применяют как дополнительное конструкторское средство обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС). Материал экрана выбирают на основе его известных электрофизических параметров на стадии проектирования РЭС, учитывая электрические и эксплуатационные характеристики. Эффективность экранирования (ЭЭ) композитных, слоистых или тканных материалов с высокой электрической проводимостью и относительной магнитной проницаемостью в широком диапазоне частот (от 10 Гц до 10 ГГц) оценить сложно, а в некоторых случаях невозможно.

Между тем довольно мало исследований по этой теме проводится в настоящее время.

Цель работы. Систематизировать модели и методы вычисления и измерения вносимых потерь (ВП) и ЭЭ материалов с использованием сдвоенных и коаксиальных ТЕМ-камер в широком диапазоне частот.

Материалы и методы. Описана методика вычисления ВП для электрической (E-) и магнитной (H-) компонент поля на основе измеренных S-параметров в сдвоенной ТЕМ-камере. Предложены выражения для вычисления ненагруженной сдвоенной ТЕМ-камеры, отличающиеся учетом толщины материала и оснастки, предотвращающей провисание тонкого материала в ней, и позволяющие уменьшить разницу между измеренными и вычисленными значениями S-параметров до 3.2 дБ. Описаны методы измерения и вычисления ЭЭ композитных материалов, результаты которых сравнены с полученными стандартизированной методикой вычисления ЭЭ.

Результаты. Представлены частотные зависимости ВП для E- и H-полей, вычисленные на основе измеренных  S-параметров сдвоенной ТЕМ-камеры с размещенными внутри хлопчатобумажной и трикотажной экранирующими тканями. Сравнены вычисленные результаты классической модели и электродинамического моделирования  с экспериментальными для композитного материала в новой запатентованной коаксиальной ТЕМ-камере.

Заключение. Модели и методы вычисления и измерения ВП и ЭЭ могут быть эффективно использованы при относительно быстром контроле и тестировании новых и известных экранирующих материалов с учетом приведенных допущений и ограничений.

1. Paul C. R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd ed. N. J.: John Wiley & Sons, Inc., 2005. 989 p.

2. Electromagnetic Shielding: Theory and Applications / S. Celozzi, R. Araneo, P. Burghignoli, G. Lovat. New Jersey: Wiley-IEEE Press, 2023. 563 p.

3. Князев А. Д., Кечиев Л. Н., Петров Б. В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 229 с.

4. Schelkunoff S. A. Electromagnetic Waves. New York: D. Van Nostrand Company, Inc., 1943. 543 p.

5. Teshe F. M., Ianoz M. V., Karlsson T. EMC Analysis Methods and Computational Models. New Jersey: John Wiley & Sons, 1997. 623 p.

6. Mendez H. A. Shielding Theory of Enclosures with Apertures // IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. 1978. Vol. EMC-20, № 2. P. 296–305. doi: 10.1109/TEMC.1978.303722

7. EM Performance of Conductive Composite Laminate Made of Nanostructured Materials for Aerospace Application / V. P. Bui, W. Thitsartarn, E.-X. Liu, J. Y. C. Chuan, E.-K. Chua // IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. 2015. Vol. 57, № 5. P. 1139–1148. doi: 10.1109/temc.2015.2432831

8. Balan I., Morari C., Patroi E. Composite Materials for Electromagnetic Shielding // U.P.B. Sci. Bull., Series B. 2016. Vol. 78, № 2. P. 233–238.

9. Sevgi L. Electromagnetic Screening and Shielding-Effectiveness (SE) Modeling // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2009. Vol. 51, № 1. P. 211–216. doi: 10.1109/map.2009.4939074

10. Shielding Effectiveness of Shields and Their Combined Double-Layer Shields for Low Frequency Pulsed Magnetic Field / Zheng Pan, Yue-bo Li, Jian Zhao, Sheng Jia, Zheng-yu Huang // Proc. of IEEE Intern. Conf. on Computational Electromagnetics (ICCEM). Shanghai, China, 20–22 March 2019. IEEE, 2019. P. 1–5. doi: 10.1109/compem.2019.8779048

11. Шапиро Д. Н. Основы теории электромагнитного экранирования. Л.: Энергия, 1975. 109 с.

12. ECSS-E-HB-20-07A. Space Engineering – Space Systems Electromagnetic Compatibility Handbook. URL: https://ecss.nl/hbstms/ecss-e-hb-20-07aelectromagnetic-compatibility-handbook-5-september-2012/ (дата обращения: 19.08.2024).

13. ECSS-E-ST-20-07C. Space Engineering – Electromagnetic Compatibility. URL: https://ecss.nl/standard/ecss-e-st-20-07c-rev-2-electromagnetic-compatibility-3january-2022/ (дата обращения: 19.08.2024).

14. Ansys HFSS. URL: https://cae-expert.ru/product/ansys-hfss (дата обращения: 19.08.2024).

15. Ott H. W. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems. N. J.: John Wiley & Sons, Inc., 1988. 448 p.

16. McDowell A., Hubing T. Analysis and Comparison of Plane Wave Shielding Effectiveness Decompositions // IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility. 2014. Vol. 56, № 6. P. 1711–1714. doi: 10.1109/temc.2014.2332133

17. Ondrejka A. R., Adams J. W. Shielding Effectiveness (SE) Measurement Techniques // Nat. Symp. on Electromagn. Compat., San Antonio, TX, USA, 24–26 Apr. 1984. IEEE, 1984. P. 249–256. doi: 10.1109/ISEMC.1984.7571012

18. Stanescu C., Chita M. A. Some Aspects Regarding the Experimental Methods for Determining the Shielding Effectiveness of Materials in the Microwave Range // Intern. Conf. on Technical and Physical Problems of Electrical Engineering (ICTPE-2014), Baku, Azerbaijan, 7–8 Sept. 2014. P. 275–278. doi: 10.13140/rg.2.1.4371.5601

19. IEEE Std 299–2006. Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/4117954 (дата обращения: 19.08.2024).

20. MIL-STD-285. Method of Attenuation Measurements for Enclosures, Electromagnetic Shielding, for Electronic Test Purposes. URL: https://www.hftechnology.nl/wp-content/uploads/MIL-STD-285.pdf (дата обращения: 19.08.2024).

21. IEEE Std 299.1–2013. Method for Measuring the Shielding Effectiveness of Enclosures and Boxes Having All Dimensions Between 0.1 m and 2 m. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/6712029 (дата обращения: 19.08.2024).

22. ASTM D4935-18. Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials. URL: https://www.astm.org/d4935-18.html (дата обращения: 19.08.2024).

23. Badic M., Marinescu M.-J. The Failure of Coaxial TEM Cells ASTM Standards Methods in H. F. Range // Proc. of IEEE Int. Symp. on Electromagn. Compat. Minneapolis, USA, 19–23 Aug. 2002. IEEE, 2002. P. 29–34. doi: 10.1109/ISEMC.2002.1032442

24. A Test Method for Shielding Effectiveness of Materials against Electromagnetic Pulse Based on Coaxial Flange / Y. Liu, W. Wei, C. Xiang, N. Xin, Z. Mo, J. Rui, L. Jinxi // Energies. 2023. Vol. 16, № 18. P. 6701. doi: 10.3390/en16186701

25. Wilson P. F., Ma M. T. A Study of Techniques for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Materials. Natl. Bur. Stand. Tech. Note 1095, USA, 1986. 72 p.

26. Wilson P. F., Ma M. T., Adams J. W. Techniques for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Materials. Pt. I: Far-Field Source Simulation // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1988. Vol. 30, № 3. P. 239–250. doi: 10.1109/15.3302

27. Setup for EMI Shielding Effectiveness Tests of Electrically Conductive Polymer Composites at Frequencies up to 3.0 GHz / R. Valente, C. De Ruijter, D. Vlasveld, S. Van Der Zwaag, P. Groen // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 16665–16675. doi: 10.1109/access.2017.2741527

28. Influence of Planar Material Size and Position on Shielding Effectiveness Measurements Using the Dual Waveguide Method / E. Tourounoglou, V. Gkatsi, A. Roc'h, R. Vogt-Ardatjew, H. Schipper, F. Leferink // Proc. of IEEE Int. Symp. on Electromagn. Compat. Barcelona, Spain, 2–6 Sept. 2019. IEEE, 2019. P. 707–711. doi: 10.1109/emceurope.2019.8871968

29. Rudd M., Baum T.C., Ghorbani K. Determining High-Frequency Conductivity Based on Shielding Effectiveness Measurement Using Rectangular Waveguides // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2019. Vol. 69, № 1. P. 155–162. doi: 10.1109/tim.2019.2895930

30. Wilson P. F., Ma M. T. Small Aperture Analysis of the Dual TEM Cell and an Investigation of Test Object Scattering in a Single TEM Cell. National Bureau of Standards, Tech. Note 1076, USA, 1984. 57 p.

31. Crawford M. L. Generation of Standard EM Fields Using TEM Transmission Cell // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1974. Vol. 16, № 4. P. 189–195. doi: 10.1109/temc.1974.303364

32. Wilson P. F., Ma M. T. Techniques for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Materials. Pt. II: Near-Field Source Simulation // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1988. Vol. 30, № 3. P. 251–259. doi: 10.1109/15.3303

33. Wilson P. F. A Comparison between Near-Field Shielding-Effectiveness Measurements Based on Coaxial Dipoles and Electrically Small Apertures // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1988. Vol. 30, № 1. P. 23–28. doi: 10.1109/15.19884

34. Analyzing the Attenuation of Electromagnetic Shielding Materials for Frequencies Under 1 GHz / V. Voicu, I. Pătru, P. M. Nicolae, L. A. Dina // Proc. of Int. Symp. on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE). Bucharest, Romania, 23–25 March 2017. IEEE, 2017. P. 336–340. doi: 10.1109/atee.2017.7905057

35. Higgins D. F., Wheeler R., Wenaas E. A Comparison of Theoretical Expressions and Experimental Data for EM Penetration through Small Apertures // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1985. Vol. 32, № 6. P. 4340–4345. doi: 10.1109/tns.1985.4334120

36. Casey K. F. Low-Frequency Electromagnetic Penetration of Loaded Apertures // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1981. Vol. EMC-23, iss. 4. P. 367–377. doi: 10.1109/aps.1992.221738

37. Shielding Effectiveness Evaluation of Metalized and Polypyrrole-Coated Fabrics / J. Avloni, M. Ouyang, L. Florio, A. R. Henn, A. Sparavigna // J. of Thermoplastic Composite Materials. 2007. Vol. 20, iss. 3. P. 241–254. doi: 10.1177/0892705707076718

38. Wilson P. F., Ma M. T. Shielding-Effectiveness Measurements with a Dual TEM Cell // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1985. Vol. EMC-27, iss. 3. P. 137–142. doi: 10.1109/temc.1985.304277

39. McDonald N. A. Electric and Magnetic Coupling through Small Apertures in Shield Walls of Any Thickness // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1972. Vol. 20, iss. 10. P. 689–695. doi: 10.1109/tmtt.1972.1127844

40. Manara A. Measurement of Material Shielding Effectiveness Using a Dual TEM Cell and Vector Network Analyzer // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1996. Vol. 38, № 3. P. 327–333. doi: 10.1109/15.536062

41. Collin R. E. Field Theory of Guided Waves. 2nd ed. N. J.: Wiley-IEEE Press, 1990. 864 p.

42. Bethe H. A. Theory of Diffraction by Small Holes // Physical Review. 1944. Vol. 66, № 7. P. 163–182. doi: 10.1103/physrev.66.163

43. Shi D., Gao Y., Shen Y. Determination of Shielding Effectiveness of Multilayer Shield by Making Use of Transmission Line Theory // Proc. of Int. Symp. on Electromagn. Compat. and Electromagnetic Ecology. Russia, Saint Petersburg, 26–29 June 2007. IEEE, 2007. P. 1–3. doi: 10.1109/emceco.2007.4371656

44. Schulz R. B., Plantz V. C., Brush D. R. Shielding Theory and Practice // IEEE Trans. on Electromagn. Compat. 1988. Vol. 30, № 3. P. 187–201. doi: 10.1109/15.3297

45. Analytical Model and Software for Evaluating the Shielding Materials Properties / A. A. Ivanov, A. A. Kvasnikov, I. A. Onishchenko, A. V. Demakov, S. P. Kuksenko // IEEE 22nd Int. Conf. of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Souzga, Russia, 30 June– 4 July 2021. IEEE, 2021. P. 1–5. doi: 10.1109/edm52169.2021.9507593

46. ТЕМ-камера для оценки уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости радиоэлектронных средств с возможностью исследования биологических объектов в диапазоне частот до 2 ГГц / М. Е. Комнатнов, Т. Р. Газизов, О. А. Матвеенко // Технологии электромагнитной совместимости. 2018. № 4 (67). С. 46–56.

47. Пат. RU 2606173. ТЕМ-камера / М. Е. Комнатнов, Т. Р. Газизов. Опубл. 10.01.2017.

48. Пат. RU 2759079. Коаксиальная камера для измерения эффективности электромагнитного экранирования радиопоглощающих материалов / А. В. Демаков, М. Е. Комнатнов, А. А. Иванов, И. И. Николаев, Т. Р. Газизов. Опубл. 09.11.2021.

49. Полимерные композитные материалы ООО «ТехЭкра». URL: http://nwttc.ru/proekty/ekraniruyuwie-materialy/ (дата обращения: 18.01.2024).

50. РТ-технологии. URL: https://www.rttex.ru/ (дата обращения: 18.01.2024).

51. ФИПС. Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС URL: https://www.fips.ru/publication-web/publications/document?type=doc&tab=PrEVM&id=120548AC-8096-4D04-B18D-9175649C2440 (дата обращения: 19.08.2024).