Лабораторная работа по дисциплине “Электромагнитная совместимость и управление радиочастотным спектром” (ЭСиУРС)
Вычисление эффективности экранирования пластиной
Цель работы
Основной целью настоящей лабораторной работы является изучение основ написания команд в программе TALGAT 2012 с целью вычисления эффективности экранирования металлической пластиной для трёх компонент поля: электрической, магнитной, электромагнитной.
1 Краткие теоретические сведения
При моделировании эффективности экранирования (ЭЭ) плоского однородного металлического экрана при нормальном падении на него волны, распространяющейся вдоль оси y (более наглядно данный процесс изображён на рисунке 1.1) основными параметрами являются: расстояние от источника помех до экрана, свойство материала и его толщина, а также компоненты поля (электрическая, магнитная, электромагнитная).
Рисунок 1.1 – Анализируемая модель падения волны на плоский однородный металлический экран
Помимо всего вышесказанного, особенно важным является определение понятий ближней и дальней зоны. Как известно, в ближней зоне (где r<l/2p<1) поле еще не сформировалось в плоскую электромагнитную волну и представляет собой либо электрическое (высокоомное), либо магнитное (низкоомное) поле, в зависимости от электрических характеристик источника помех. В дальней зоне (r>l/2p>2), поле формируется в плоскую электромагнитную волну.
В зависимости от значений параметров r и l нужно определять зону распространения волны, если понадобится проанализировать электрические характеристики источника помех, и после этого подобрать соответствующий экран. Результатом вычислений является зависимость ЭЭ (в дБ) от частоты. Также важно заметить, что ЭЭ от магнитной компоненты поля не велика на низких частотах для немагнитных материалов (µr=1). Для электрического поля ЭЭ значительно выше, несмотря на уменьшение расстояния от источника помех до пластины при тех же параметрах вычисления, что и для магнитного поля. Резкое ухудшение удельной проводимости материала для электрической компоненты поля проявляет низкочастотный участок спада ЭЭ с ростом частоты. При вычислении ЭЭ для электромагнитной компоненты поля, она остается довольно высокой на низких частотах..
Сам же экран при этом характеризуется толщиной (t, м), удельной электрической проводимостью (σ, См/м) и относительной магнитной проницаемостью (μr). Таким образом, эффективность экранирования (ЭЭ, дБ) определяется как отношение значений напряженности поля в точке наблюдения при отсутствии и присутствии экрана.
В настоящее время для экранирования используют разные типы металлов, из которых особый интерес представляют лёгкие металлы и их сплавы, среди которых широко используются алюминий (σ = 37⋅106, См/м) и сплав магния МА2-1 (σ = 8,3⋅106 См/м).
В рамках данной лабораторной работы к исследованию предлагается пластина из алюминия с удельной электрической проводимостью σ = 37⋅106 См/м и относительной магнитной проницаемостью μr = 1 (алюминий немагнитный материал). Искомые характеристики ЭЭ необходимо представить для двух заданных частотных диапазонов (10 Гц...10 кГц и 10 кГц...1МГц) и трёх различных компонент поля (электромагнитной, магнитной и электрической). Поскольку, как уже было сказано ранее, электромагнитное поле в ближней зоне может представлять собой как электрическое (высокоомное) поле, так и магнитное (низкоомное), при моделировании характеристик электрического и магнитного полей зададим определённое расстоянии от источника помех до экрана. В данном случае будем использовать две величины такого расстояния, численно равные 0,3 и 0,4 мм (что подразумевает проведение двух отдельных исследований для каждой величины). Вследствие того, что в дальней зоне поле формируется в плоскую электромагнитную волну, при исследовании электромагнитной компоненты расстояние от экрана до источника помех задаваться не будет. Величина толщины самой экранирующей пластины варьируется в диапазоне от 0,5 до 3 мм.
Более наглядно весь процесс выполнения работы можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Этапы выполнения работы
В качестве окончательных результатов работы, исходя из данных, представленных на схеме рисунка 1.2, необходимо представить 10 графических зависимостей величины ЭЭ от частоты для каждого из представленных ранее случаев. Выполнение данной, казалось бы, весьма непростой, процедуры очень легко и эффективно осуществимо в программном пакете для анализа взаимовлияний электрических сигналов TALGAT 2012, о работе которой, применительно к конкретному случаю, поговорим в следующем разделе.
2 Порядок выполнения работы
С учётом представленных в разделе 1 теоретических сведений, приступим к непосредственному выполнению практической части данной лабораторной работы
После запуска и знакомства с интерфейсом меню программного пакета TALGAT открываем заранее заготовленный файл ЛАБ_1.tld, содержащий код программы, рассчитывающей ЭЭ и выводящей данные характеристики в наглядной графической форме. Данный программный код, для корректной работы с ним, подлежит подробному анализу и некоторому изменению, соответствующему указанному в предыдущем разделе заданию.
Представим листинг используемого кода программы в его первоначальном виде:
Из общего листинга программы исключим строчки кода, отвечающие за подключение внешних модулей, графический вывод информации на экран, а также содержащие информацию о массивах, в которых хранятся все необходимые для обработки данные. Ниже приведём лишь ту часть программы, которая непосредственно отвечает за ввод индивидуальных данных, характеризующих физические свойства металлической пластины, тип используемой компоненты поля, толщину экрана и прочие важные параметры, подлежащие изменению в рамках проведения данной лабораторной работы. Разделим полученный программный код на три отдельных блока по своему функциональному назначению:
В блоке 1 задаётся исследуемый диапазон частот в виде начального и конечного значений, а также шага частоты. Здесь, применительно к конкретному случаю, имеем два возможных варианта:
· для диапазона частот 10 Гц...10 кГц:
· для диапазона частот 10 кГц...1 МГц:
В блоке 2 кода программы реализуется ввод параметров типа исследуемой компоненты поля, а также характеристик экранирующей пластины. Величина толщины пластины меняется в диапазоне от 0,5 до 3 мм с шагом в 0,5 мм, что само по себе подразумевает вывод сразу пяти характеристик на одном графике, для каждого значения толщины пластины. Здесь, без учёта заданного ранее частотного диапазона и применительно к указанному в разделе 1 заданию, возможно 5 вариантов:
· для металлической пластины из алюминия с электромагнитной компонентой поля:
· для металлической пластины из алюминия толщиной 0,3 мм с электрической компонентой поля:
· для металлической пластины из алюминия толщиной 0,4 мм с электрической компонентой поля:
· для металлической пластины из алюминия толщиной 0,3 мм с магнитной компонентой поля:
· для металлической пластины из алюминия толщиной 0,4 мм с магнитной компонентой поля:
В блоке 3 задаётся заголовок выводимой на экран графической зависимости. Здесь, в зависимости от исследуемой компоненты поля возможно три варианта:
· для электромагнитной компоненты:
· для электрической компоненты:
· для магнитной компоненты:
Для выполнения задания лабораторной работы необходимо поочерёдно изменить имеющийся программный код в соответствии с вышеуказанными манипуляциями и для каждого конкретного случая вывести графическую зависимость величины ЭЭ от частоты.
3 Обработка экспериментальных данных
Выполняя последовательно указанные в разделе 2 пункты лабораторного задания, получим графические зависимости, представленные на рисунках 3.1 - 3.10.
Рисунок 3.1 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электромагнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц
Рисунок 3.2 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электромагнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 кГц...1 МГц
Рисунок 3.3 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электрической компонентой поля в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,3 мм)
Рисунок 3.4 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электрической компонентой поля в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,4 мм)
Рисунок 3.5 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электрической компонентой поля в диапазоне частот 10 кГц...1 МГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,3 мм)
Рисунок 3.6 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с электрической компонентой поля в диапазоне частот 10 кГц...1 МГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,4 мм)
Рисунок 3.7 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с магнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,3 мм)
Рисунок 3.8 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с магнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 Гц...10 кГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,4 мм)
Рисунок 3.9 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с магнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 кГц...1 МГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,3 мм)
Рисунок 3.10 – Зависимость эффективности экранирования от частоты для пяти различных значений толщины металлического экрана из алюминия с магнитной компонентой поля в диапазоне частот 10 кГц...1 МГц (расстояние от источника помех до экрана равно 0,4 мм)
Выводы по работе
В процессе выполнения данной лабораторной работы рассматривались основы функционирования программного пакета TALGAT 2012. В ходе этого были приобретены навыки моделирования и описания функциональных структур на примере вычисления эффективности экранирования металлической пластиной для трёх компонент поля: электрической, магнитной, электромагнитной.
Вычисления эффективности экранирования электрического, магнитного и электромагнитного полей проводились в двух частотных диапазонах: 1 Гц...10 кГц и 10 кГц... 1 МГц. В качестве материала экранирующей пластины использовался алюминий с толщиной, изменяемой в пределах 0,5–3 мм. В случаях с электрической и магнитной компонентами поля, исследование проводилось для двух разных расстояний от источника до пластины: 0,3 и 0,4 мм.
Анализируя графические зависимости, представленные на рисунках 3.1 – 3.1- наблюдаем, что для всех характеристик в диапазоне 10 кГц... 1 МГц эффективность экранирования (ЭЭ) значительно больше, чем в диапазоне 1 Гц...10 кГц и составляет сотни децибел, значительно увеличиваясь с дальнейшим ростом частоты.
Для электромагнитного поля ЭЭ для каждого из исследуемых частотных диапазонов остаётся довольно высокой (порядка нескольких сотен децибел). Однако при толщине пластины в 0,5 мм для диапазона 1 Гц...10 кГц наблюдается незначительный спад, который с ростом толщины, наоборот, переходит в существенный подъём. В диапазоне 10 кГц... 1 МГц наблюдается существенный рост ЭЭ с повышением частоты. При этом, для диапазона 1 Гц...10 кГц с увеличением толщины пластины на каждые 0,5 мм эффективность экранирования повышалась примерно на 1-5 децибел, а для диапазона 10 кГц... 1 МГц на 10-50 децибел.
Для электрического поля в диапазоне 1 Гц...10 кГц наблюдается существенное уменьшение ЭЭ с ростом частоты. Данные характеристики в этом диапазоне для двух различных значений расстояния от источника до пластины (0,3 и 0,4 мм) практически оказываются практически идентичными. При этом с увеличением толщины пластины на каждые 0,5 мм наблюдается повышение ЭЭ на 1-5 децибел. Для диапазона 10 кГц... 1 МГц наблюдаем уверенный рост ЭЭ с увеличением частоты для каждого из используемых значений расстояния от источника до пластины. С увеличением толщины экрана на каждые 0,5 мм ЭЭ повышается примерно на 10-50 децибел.
Для магнитного поля в диапазоне 1 Гц...10 кГц наблюдается увеличение ЭЭ с ростом частоты. Данные характеристики в этом диапазоне для двух различных значений расстояния от источника до пластины (0,3 и 0,4 мм) практически оказываются практически идентичными. При этом с увеличением толщины пластины на каждые 0,5 мм наблюдается повышение ЭЭ на ту же разницу, что и для электрического поля. Для диапазона 10 кГц... 1 МГц наблюдаем уверенный рост ЭЭ с увеличением частоты для каждого из используемых значений расстояния от источника до пластины. С увеличением толщины экрана на каждые 0,5 мм ЭЭ повышается примерно на 10-50 децибел.
Увеличение расстояние от источника помех до экрана, при исследовании электрического и магнитного полей в ближней зоне на 0,1 мм ослабляет ЭЭ незначительно.
