Перешкоди у системах телекомунікацій: види перешкод і методи боротьби з ними

У статті розглянуті типи перешкод в апаратурі зв’язку і конструктивні методи боротьби з ними.

В. Романов

Види радіоперешкод. Радіоперешкода – це вплив електромагнітної енергії на прийом радіо­хвиль, викликаний одним або кількома факторами, а саме радіацією або індукцією, що проявляється в будь-якому зниженні якості зв’язку, помилках або втратах інформації, яких можна було б уникнути при відсутності впливу такої енергії.

Зовнішні перешкоди приймаються антеною ра­зом з корисним (інформативним) сигналом і ство­рюються:

• електромагнітними процесами, що відбу­ваються в атмосфері, оносфері та космічному про­сторі
• електроустановками та сусідніми передавача­ми або радіостанціями
• засобами постановки навмисних (штучних) пе­решкод.

Внутрішні перешкоди локалізовані в різних елементах або вузлах телекомунікаційної системи. Це, як правило, флуктуаційні шуми напівпровіднико­вих приладів та ІМС, нестабільність напруги живлен­ня, неякісні розводка та монтаж друкованої плати тощо. Характеристики внутрішніх перешкод при­ймального пристрою зазвичай перераховуються до його входу. Внутрішні та зовнішні перешкоди є ади­тивними, коли на вході приймача сигнал приймаєть­ся у вигляді:

x(t)=S(t) + n(t),

де S(t) – це інформативний сигнал, що передається, n(t) – сигнал перешкоди.

Адитивні перешкоди: флуктуаційні, імпульсні та синусоїдальні.

1. До флуктуаційних перешкод відносяться шуми приймача і шуми середовища поширення сигналу. Їх спектр на вході приймача зазвичай ширший смуги його пропускання. Щільність ймовірності флуктуаційних перешкод часто є нормальною. Як правило, її приймають як адитивний білий шум.
2. Імпульсні перешкоди є неперіодичною по­слідовністю одиночних імпульсів. Вони створю­ються атмосферними та промисловими джерелами перешкод, а також сторонніми каналами зв’язку.
3. Синусоїдальні перешкоди – це перешкоди, зосереджені за спектром (ширина їх спектру досить мала в порівнянні зі смугою пропускання приймаль­ного тракту). Джерела синусоїдальної перешкоди наступні:

• джерела навмисних (штучних) перешкод
• генератори ВЧ сигналів
• радіостанції еталонних частот.

До синусоїдальних відносяться комбіновані пе­решкоди всередині самого приймача. Прийнято розрізняти зовнішні і внутрішні перешкоди, пасивні та активні, гладкі та імпульсні. Їх можна також класи­фікувати за природою походження: промислові, ат­мосферні, космічні, перешкоди від радіопередава­чів, внутрішні перешкоди радіопристроїв.

Промислові перешкоди створюються в резуль­таті роботи близько розташованих до телекомуніка­ційних систем електродвигунів, релейно-контактних потужних систем, апаратів дугового електрозварю­вання, електроплавильних печей, рентгенівської апаратури та багатьох інших електричних пристроїв, які створюють у навколишньому середовищі елек­тромагнітні поля різної частоти. Ці поля заважають надійній роботі чутливої апаратури радіозв’язку.

Атмосферні перешкоди створюються природ­ними електромагнітними процесами у земній атмо­сфері, наприклад, грозовими розрядами. Ці перешкоди також є електромагнітними полями різної ча­стоти та інтенсивності.

Космічні перешкоди викликаються електро­магнітними випромінюваннями та процесами за межами земної атмосфери.

Перешкоди від радіостанцій створюються звичайними радіомовними і спеціальними станція­ми перешкод, а також постійно діючими джерелами електромагнітного випромінювання постійної часто­ти або спектром частот.

Внутрішні перешкоди з’являються у тому само­му пристрої, якому вони заважають нормально функціонувати. Ці перешкоди можуть бути найрізно­манітнішого походження, зокрема, від іскроутво- рюючих контактів, внаслідок наявності паразитних електромагнітних полів від силових трансформато­рів і дроселів згладжувальних фільтрів, через власні шуми транзисторів та ІМС, а також теплові шуми ре­зисторів і т. д. Крім того, створювати внутрішні пере­шкоди (наведення) можуть паразитні індуктивні та ємнісні зв’язки між окремими ланцюгами пристрою.

Активними перешкодами називають ті, які ви­кликані активними природними або штучними дже­релами електромагнітних коливань. Що стосується пасивних перешкод, то до них належать ті перешко­ди, які обумовлені переважно природними явищами і не пов’язані з дією сторонніх джерел електромаг­нітних хвиль. До пасивних перешкод, наприклад, можна віднести явища федингу (завмирання сигна­лу) хвиль, спорадичне (раптове) поглинання радіо­хвиль, виникнення ехосигналів тощо. У радіопри- строях, дія яких не пов’язана з поширенням радіо­хвиль, наприклад, підсилювачах та подібних при­строях, майже немає потреби враховувати пасивні радіоперешкоди. Тільки в окремих випадках з ними доводиться рахуватися як непрямими факторами виникнення активних перешкод.

Гладкими перешкодами прийнято називати такі, які створюють напругу, що майже не змінюєть­ся за величиною. Точніше кажучи, коли максимальна амплітуда перешкод не перевищує їхнє середнє значення більше ніж у 3-4 рази.

Імпульсні перешкоди можуть створювати ко­роткі імпульси в десятки разів більші за амплітудою, ніж їхнє середнє значення.

Атмосферні перешкоди можуть бути як гладки­ми, так і імпульсними. Промислові перешкоди найчастіше мають імпульсний характер. Причому їхня дія на радіотехнічний пристрій зв’язку майже будь- якого виду значно сильніше впливає на його роботу в порівнянні з дією гладких перешкод. Це пов’язано з тим, що імпульсні перешкоди викликають власні коливання резонансних ланцюгів у вузлах телекому­нікаційних систем. Такі коливання згасають не мит­тєво і можуть поширюватися на інші вузли телекому­нікаційної системи.

Захист апаратури систем телекомунікацій від впливу перешкод. Надійність та достовірність роботи апаратури зв’язку та систем телекомунікацій залежать від їхньої перешкодозахищеності по відно­шенню до зовнішніх та внутрішніх перешкод, які мо­жуть мати випадковий або регулярний характер. Від правильного розв’язання задачі забезпечення пере- шкодозахищеності елементів та вузлів такої апара­тури залежать терміни її розробки, виготовлення та налагодження, а також надійне функціонування в процесі експлуатації. Приймачами перешкод є ви­сокочутливі підсилювачі, лінії зв’язку, магнітні еле­менти. Перешкоди проникають в апаратуру зв’язку:

• безпосередньо по провідниках (гальванічна перешкода)
• через електричне поле (ємнісна перешкода)
• через магнітне поле (індуктивна перешкода)
• через електромагнітне поле.

Численні провідники, що входять до складу будь- якої апаратури зв’язку, можна розглядати як при­ймальні антенні пристрої, що приймають або випро­мінюють електромагнітні поля.

Гальванічний зв’язок виникає в результаті проті­кання струмів і падіння напруги на електричних з’єд­наннях по ланцюгах і шинах живлення. Тому провід­ники, що об’єднують вузли в єдину систему телеко- мунікацій, повинні бути по можливості короткими, а їх поперечні перерізи можливо більшими, що при­зводить до зменшення активного опору та індуктив­ності проводів. Радикальним способом ослаблення гальванічної перешкоди є усунення ланцюгів, якими проходять спільні струми живлення та землі, як чут­ливих до перешкод схем, так і порівняно потужних схем.

На сьогодні боротьба з перешкодами набуває все більшої актуальності з наступних причин:

1. Енергетичний рівень інформативних сигналів має тенденцію до суттєвого зменшення, а енергетичний рівень зовнішніх перешкод постійно збільшу­ється.

• Збільшення взаємного впливу вузлів зв’язку через зменшення габаритних розмірів активних елементів та ліній зв’язку між ними, а також збіль­шеннящільності їх розміщення на друкованій платі.
• Зростання рівня перешкод через ускладнення систем телекомунікацій та розширення застосуван­нязовнішніх телекомунікаційних пристроїв з вели­кою кількістю електромеханічних вузлів.
• Впровадження систем телекомунікацій у всі сфери діяльності людини.

Основні причини, що викликають спотворення інформативних сигналів в системах телекомуніка- цій, наступні:

• відбиття від неузгоджених навантажень та від різних неоднорідностей у лініях зв’язку
• погіршення фронтів та затримки, що виникають при включенні навантажень із реактивними компо­нентами
• затримки лінії, викликані кінцевою швидкістю поширення сигналу
• перехресні перешкоди;
• паразитний зв’язок між елементами через на­веденнявід зовнішніх електромагнітних полів.

Ступінь впливу кожного з цих факторів на спотво­рення інформативних сигналів залежить від харак­теристик ліній зв’язку у системах телекомунікацій, від типів цифрових елементів, а також конструктив­ного виконання всієї системи телекомунікацій у ці­лому.

Способи ослаблення перешкод. Електричне з’єднання логічних та інших елементів апаратури зв’язку здійснюють сигнальними ланцюгами та лан­цюгами живлення. По сигнальним зв’язкам інфор­мація передається у вигляді імпульсів напруги і стру­му. Шини живлення служать для підведення енергії від джерел постійної напруги до компонентів апара­тури зв’язку.

При групуванні елементів по вузлам апаратури зв’язку між ними утворюється велика кількість ко­ротких і довгих зв’язків. “Короткою” називають лінію зв’язку, час поширення сигналу в якій набагато мен­ше переднього фронту переданого по лінії імпульсу. Сигнал, відбитий від неузгоджених навантажень у цій лінії зв’язку, досягає джерела сигналу раніше, ніж встигне з’явитися новий вхідний імпульс. Вла­стивості такої лінії можна описати зосередженими опорами, ємністю та індуктивністю.

“Довга” лінія зв’язку характеризується часом по­ширення сигналу, значно більшим за фронт імпульсу. У цій лінії відбитий від кінця лінії сигнал прихо­дить до її початку після закінчення фронту імпульсу та спотворює його форму. Такі лінії слід розглядати як лінії із розподіленими параметрами.

У сучасних системах телекомунікацій мають міс­це як короткі так і довгі лінії зв’язку, причому частка довгих зв’язків із зростанням складності апаратури телекомунікацій постійно зростає. При аналізі про­цесів передачі сигналів коротку лінію зв’язку можна представити у вигляді еквівалентної схеми (рис. 1), що містить зосереджені індуктивність L і ємність C (омічним опором, як правило, нехтують), які затя­гують фронти сигналів і тим самим створюють за­тримки у спрацьовуванні наступних схемних компо­нентів.

Рис. 1. Еквівалентна схема короткої лінії зв’язку

Залежно від геометричних розмірів перерізів лі­ній, їх довжини, діелектричних властивостей ізоля­ційних матеріалів, той чи інший параметр лінії може переважати і надавати більший вплив на процеси передачі сигналу, ніж інші. Для зменшення затримки в лініях з індуктивним характером зв’язку слід збіль­шувати вхідний опір вузла Е2, при ємнісному харак­тері зменшувати вихідний опір вузла Е1.

Зі зменшенням геометричних розмірів елементів і підвищенням щільності їх розміщення між сигналь­ними провідниками виникають ємнісний та індуктив­ний зв’язок, які також можна представити як зв’язок через взаємну ємність і взаємну індуктивність.

При перемиканні елементів у сигнальних ланцю­гах протікають імпульсні струми з крутими фронта­ми, які внаслідок наявності паразитних зв’язків на­водять на сусідніх сигнальних провідниках перешко­ди. При цьому ємнісне наведення змінює потенціал всієї лінії зв’язку, а індуктивне – створює різницю по­тенціалів між входом і виходом лінії зв’язку.

Для зниження взаємних наведень необхідно зменшувати вихідний опір елементів, амплітуди струмів, довжину зв’язків та їх перетину, відстань між лініями зв’язку, застосовувати ізоляційні мате­ріали з достатніми діелектричними властивостями.

Довгу лінію зв’язку розглядають як однорідну лінію з розподіленою ємністю і індуктивністю Lo. Пе­рехідні процеси у таких лініях залежать від характеру перепаду напруги Uex на вході лінії і співвідношення хвильового опору лінії Z0, вихідного опору Zr генера­тора імпульсів і вихідного опору Z_н (рис. 2).

Рис. 2. Еквівалента схема довгої лінії

Якщо лінія з хвильовим опором Z0 навантажена на опір Z_н і Z0 = Z_н, то таку лінію називають узгодже­ною, якщо Z _н і Z0 мають різні опори, то таку лінію на­зивають неузгодженою. При цьому хвиля напруги, досягнувши кінця лінії, відбивається від нього.

Відбита хвиля, досягнувши початку лінії, згасає при Z_Г = Z0. Якщо Z_Г та Z0 мають різні опори, хвиля знову відбивається від початку лінії.

Процес послідовного відбиття хвилі напруги від обох кінців лінії зв’язку йде з загасанням і триває доти, доки амплітуда відбитої хвилі не зменшиться до нуля. Відбиті хвилі напруги накладаються на па­даючі. У результаті форма вхідного інформативного сигналу (напруги) може значно спотворитися. Ана­логічні явища відбуваються з хвилею струму. Відбит­тя хвиль напруги і струму може бути не лише від не- узгоджених навантажень на кінцях ліній, а й від різ­них неоднорідностей у ній самій.

Розглянуті процеси можуть спричинити досить великі викиди напруги. Для зменшення впливу вики­ду на параметри навантажених схем використо­вують діоди Шоттки як динамічні нелінійні опори. У міру виникнення паразитного викиду один із діодів починає відкриватися доти, доки його опір не стане приблизно рівним хвильовому опору лінії. Інший діод включений у зворотному напрямку і призначе­ний для гасіння зворотного викиду.

В результаті енергія викидів швидко поглинаєть­ся, що веде до підвищення стійкості до перешкод і надійності роботи схем. Особливо ефективно вико­ристання діодів Шоттки для довгих (до 1 м) ліній зв’язку, які зазвичай виконуються біфілярним дро­том.

Якщо лінії зв’язку між елементами системи телекомунікацій не екрановані, то електромагнітні поля, що виникають при проходженні по них імпульсних високочастотних сигналів, не локалізовані і тією чи іншою мірою взаємодіють між собою. При цьому на лініях-приймачах виникають паразитні сигнали, форма і амплітуда яких залежать від характеристик лінії-приймача і лінії-індуктора, величини їх зв’язку між собою, параметрів сигналів, що передаються, і ступеня неузгодженості самих ліній. Відомо, що тільки при повному узгодженні обох ліній імпульс на­пруги, що наводиться, має мінімальні амплітуду і тривалість. Неузгодження лінії-приймача на одному з її кінців призводить до збільшення амплітуди і три­валості перешкоди, що наводиться.

У швидкодіючих системах зв’язку основну про­блему може становити спосіб розведення ліній між окремими вузлами. На сьогодні існують три способи розведення: радіальний, з проміжними відводами, комбінований. При радіальному способі розведення кожну ІМС навантаження підключають до ІМС дже­рела сигналу індивідуальним зв’язком, при цьому ІМС джерело сигналу повинна мати вихідний опір, що дорівнює z₀/n, де n – число навантажених на неї ІМС.

При великому n може знадобитися ІМС-джерело сигналу з недосяжно малим вихідним опором. Ін­ший недолік радіального способу полягає у необхід­ності окремої лінії зв’язку для кожного навантажен­ня. Тому радіальний метод рекомендують лише для невеликої кількості навантажень. При способі роз­ведення з проміжними відводами ІМС навантаження підключають до зв’язку-магістралі і далі до ІМС дже­рела сигналу через короткі провідники, при цьому навантажувальні ІМС повинні мати високі вхідні опо­ри, інакше вони будуть перевантажувати лінії зв’яз­ку.

Комбінований спосіб забезпечує узгодження у будь-якій точці лінії зв’язку шляхом розведення сиг­налів на навантаження, розміщені за різними на­прямками. При цьому число провідників менше, ніж за радіальним способом, а вихідний опір джерела сигналів допускається порівняно високим. Якщо на лінії зв’язку знаходяться всього два навантаження, то ІМС джерело сигналу можна помістити в будь- якій точці вздовж неї.

При використанні одного джерела живлення до елементів напруга живлення підводиться за допо­могою двох провідників: прямого та зворотного. Ча­сто на ІМС потрібно подавати напругу від кількох джерел із різними номіналами. У цьому випадку для зменшення кількості шин живлення зворотні провід­ники об’єднують в одну шину землі, яку, як правило, з’єднують із корпусом системи телекомунікацій.

У статичному стані по ланцюгах живлення протікають стаціонарні струми. Коли в апаратурі зв’язку відбувається вимикання одних елементів та вклю­чення інших, струм споживання по шинах живлення змінюється, що призводить до небажаних падінь на­пруги та паразитних наведень. У великих системах зміна струму в шині живлення внаслідок перемикан­ня елементів незначна, так як у будь-який момент часу кількість включених елементів приблизно одна­кова.

У шинах живлення, що підводять енергію до не­великих систем зв’язку, перемикання елементів може призводити до значної зміни струму спожи­вання від джерела напруги. У зв’язку з тим, що шини живлення мають паразитний ємнісний та індуктив­ний зв’язки з сигнальними шинами, то при переми­канні елементів на сигнальні шини наводяться по­рівняно великі перешкоди. За певних умов ці пере­шкоди можуть спричинити хибне спрацювання ком­понентів апаратури зв’язку.

Крім того, зміна струму в шині живлення призво­дить до виникнення перехідного процесу. Перехід­ний процес, у свою чергу, призводить до коливання напруги у компонентах апаратури зв’язку, що може змінювати їх режими роботи і параметри вихідних сигналів. Для зменшення наведень, пов’язаних із падінням напруги на шинах живлення та землі, а та­кож з перехідними процесами в них, використо­вують різні методи.

Застосування згладжувальних конденсаторів. Їх встановлюють між шинами живлення та землі без­посередньо біля точок приєднання електронних пристроїв до цих шин. У мікроелектронній апаратурі використовуються два види згладжувальних кон­денсаторів. Перші підключаються безпосередньо до кожної ІМС, інші підключаються до групи ІМС у межах одного вузла чи модуля. У першому випадку кон­денсатори призначені для згладжування імпульсних перешкод у момент перемикання ІМС за рахунок ло­калізації ланцюга з протікання кидків струму безпо­середньо в ІМС. Це, як правило, керамічні конденса­тори, що мають мінімальну власну індуктивність. Ємність такого конденсатора вибирають, виходячи з умови рівності заряду, що накопичується конден­сатором за час перемикання мікросхеми, і заряду, що переноситься викидом струму за час переми­кання елемента.

У другому випадку згладжувальний конденсатор, який встановлюється на групу мікросхем і призначе­ний для компенсації кидків струму в системі елек­троживлення. Це зазвичай електролітичні конденса­тори великої ємності, що забезпечують виключення резонансних явищ у ланцюгах живлення.

Зменшення загальної площі протікання струмів від шин живлення до компонентів апаратури зв’язку полягає у встановленні додаткових перемичок у ши­нах живлення та землі, які зменшують довжину ліній протікання струмів до компонентів.

На рис. 3 представлені три варіанти з’єднання компонентів з шинами живлення та землі. У першо­му варіанті (а) швидке перемикання компонента (зміна струму споживання схеми), призводить до виникнення паразитного наведення в інших одинад­цяти компонентах по шинах живлення та землі. У другому варіанті (б) ця перешкода в гіршому випад­ку впливає тільки на чотири компоненти, а в треть­ому варіанті (в) перешкода ще більше зменшується за рахунок введення додаткових перемичок (розпа- ралелювання).

Рис. 3. Зменшення площі протікання паразитних струмів за рахунок додаткового перемикання шин напруги живлення і землі

Ефективним схемним методом ослаблення зов­нішніх перешкод від мережі живлення є використання перешкодопослаблюючих фільтрів. Фільтри ха­рактеризуються частотою зрізу та коефіцієнтом фільтрації, рівним відношенню сигналу на вході та виході фільтра. Знаючи спектр частот корисного сигналу та перешкоди, і задаючись рівнем необхід­ного послабленням перешкоди (в ідеалі – до нуля), розробляють відповідні схеми фільтрів.

Мережеві фільтри призначені передавати тільки частоту напруги мережі і придушувати перешкоди від джерела електроживлення. Для захисту апарату­ри від перенапруги у схему мережевого фільтра вводять такі пристрої як газорозрядники, варисто­ри, стабілітрони, запобіжники різних типів. Слід до­дати, що подібні пристрої можуть бути включені у систему внутрішнього блискавкозахисту. Така си­стеми блискавкозахисту складається із системи ви­рівнювання потенціалів та засобів захисту ІМС або інших компонентів апаратури зв’язку від імпульсних перенапруг.

Головна задача внутрішнього блискавкозахисту полягає у захисті обладнання, системи або компо­нентів мережі, включно апаратури зв’язку, від вто­ринних проявів блискавки, внаслідок яких можлива втрата даних, збій в роботі апаратури, її пошкоджен­ня, і навіть травмування оператора електричним струмом.

Використання металевого листа як шини землі. Цей метод застосовується для субблоків, блоків, па­нелей, інших вузлів апаратури зв’язку і полягає в установці в ці конструктивні елементи порівняно товстого металевого листа, до якого припаюють зворотні дроти від усіх закріплених компонентів апаратури зв’язку.

Використання суцільних металевих прокладок як шини напруги живлення. Цей метод застосовується у разі використання багатошарових друкованих плат для надшвидкодіючої апаратури зв’язку. У та­ких платах окремі шари виготовляють з максималь­но великою площею металу і застосовують їх як шини напруги живлення, ці шари розміщують усере­дині багатошарової плати. При використанні суціль­них металевих шарів значно зменшуються власний індуктивний опір шин напруги живлення, загальна площа протікання струмів від різних вузлів та збіль­шується взаємна ємність між шинами напруги жив­лення.

Застосування екранів в апаратурі зв’язку. При проходженні потужних сигналів у ланцюгах апарату­ри зв’язку остання стає джерелом електромагнітних полів, які, перетинаючи інші ланцюги апаратури зв’язку, можуть наводити в них додаткові перешкоди. Джерелами електромагнітних перешкод можуть бути потужні промислові установки, транспортні ко­мунікації, двигуни і т.д. Пристрої, чутливі до статич­них магнітних полів (наприклад, магнітні елементи з розімкненим магнітопроводом), можуть нестійко працювати навіть від таких слабких полів, як магніт­не поле Землі.

Екрани включаються в конструкцію для ослаб­лення небажаного електромагнітного поля, що створює перешкоди. Можливі два варіанти захисту. У першому випадку екранована апаратура зв’язку розміщується всередині екрану, а джерело пере­шкод поза ним, у другому – екранується джерело пе­решкод, а апаратура, що захищається від пере­шкод, розташовується поза екраном. Перший варі­ант зазвичай використовують для захисту від зов­нішніх перешкод, другий – від внутрішніх.

За принципом дії розрізняють електростатичне, магнітостатичне та електромагнітне екранування.

Електростатичне екранування застосовується при внутрішніх перешкодах. Екранувальний ефект полягає в шунтуванні на корпус більшої частини па­разитної ємності, що є між джерелом наведень та приймачем. З метою покращення екранування особливо чутливих до перешкод сигнальних провід­ників (наприклад, для передачі синхроімпульсів) сигнальні та заземлені екранні провідники чергують таким чином, щоб проти сигнальної лінії, що прохо­дить з одного боку плати, завжди була заземлена лі­нія з іншого боку плати. При цьому кожна сигнальна лінія буде оточеною трьома заземленими лініями, в результаті чого досягається не тільки ефективне ек­ранування сигнальної лінії від зовнішніх перешкод, але і від внутрішніх наведень.

Екранування застосовується також для проводів вхідних та вихідний ліній, при цьому найчастіше ви­являється достатнім екранувати лише вхідний лан­цюг. Для усунення гальванічної перешкоди від зем­ляної шини екрани проводів необхідно заземлювати тільки в одній точці. При виконанні ліній передачі друкованим способом вводяться додаткові доріжки, що екранують сигнальну лінію, причому ці доріжки з’єднані з шиною нульового потенціалу.

Магнітостатичне екранування. Задача екрану­вання полягає в зменшенні або повному усуненні ін­дуктивного зв’язку між джерелом і приймачем пере­шкоди. Якщо магнітний потік перетинає контур, утворений провідником, то у контурі наводиться пе­решкода. Для повного усунення або зменшення на­пруги перешкоди, що наводиться в контурі, необхід­но:

• помістити контур у екран
• орієнтувати його так, щоб магнітні силові лінії поля не перетинали контур, а проходили вздовж нього
• зменшити площу контуру.

Магнітні екрани виконують з феромагнітних та немагнітних металів. Феромагнітні матеріали з ве­ликою магнітною проникністю мають малий магніт­ний опір, в результаті чого лінії магнітного поля бу­дуть шунтовані матеріалом екрану, і апаратура все­редині екрану не піддаватиметься впливу магнітно­го поля. Магнітне екранування тим ефективніше, чим більша магнітна проникність екрану і чим товщій екран.

При виборі матеріалу екрана необхідно пам’ята­ти, що магнітна проникність зі збільшенням частоти поля зменшується, і це впливає на ефективність ек­ранування. Феромагнітні матеріали ефективно за­хищають апаратуру в діапазоні частот від 0 до 10 кГц.

Дія екрана з немагнітного металу заснована на витісненні зовнішнього магнітного поля з внутрі­шнього простору вузла або системи. Зовнішнє змін­не магнітне поле створює індукційні вихрові струми в екрані, магнітне поле яких спрямоване назустріч зовнішньому полю всередині екрану. У екранів з не­магнітних металів ефективність екранування підви­щується з збільшенням товщини та провідності ма­теріалу екрану.

Магнітне поле частотою вище 10 МГц досить на­дійно екранується, якщо на діелектричний кожух на­носиться мідне або срібне покриття товщиною не більше 100 мкм. Товщина немагнітного екрану може у кілька разів перевищити товщину феромагнітного екрану, що забезпечує на фіксованій частоті однако­ве ослаблення. Використання феромагнітного ма­теріалу дозволяє значно зменшити масу екрану. При екрануванні магнітного поля заземлення екрана не обов’язково, оскільки воно не впливає на якість ек­ранування. Однак перед тим як застосовувати екра­нування, необхідно проаналізувати можливості більш простих і недорогих заходів з протидії пере­шкодам. Наприклад, зменшення площі контуру, що перетинається силовими лініями магнітного поля, досягають укладанням ізольованих сигнальних про­відників безпосередньо по поверхні заземлених монтажних шин.

Електромагнітне екранування охоплює діапазон частот від 1 кГц до 1 ГГц. Дія електромагнітного ек­рану заснована на відбитті електромагнітної енергії на межах діелектрик-екран та її затуханні в товщі екрану. Затухання в екрані пояснюється тепловими втратами на вихрові струми в матеріалі екрану, від­биття – невідповідністю хвильових параметрів мате­ріалу екрану та навколишнього середовища.

Для нижньої границі частотного діапазону пер­шорядне значення набуває відбиття, для верхньої границі – поглинання електромагнітної енергії у по­лосі частот від 1 кГц до 1 ГГц. Електромагнітне екра­нування виконується як немагнітними, так і магніт­ними металами. Немагнітні метали високої провід­ності можна ефективно використовувати в низько­частотній частині спектру, феромагнітні матеріали високої магнітної проникності та електричної про­відності – у всьому частотному діапазоні електро­магнітного поля. Товщина екрану має бути якомога більшою.

Для частот менше 1 МГц хороші результати дають мідні та алюмінієві екрани, а при частотах вище 1 МГц – екрани зі сталі. Однак найкращі ре­зультати можна отримати при застосуванні багато­шарових екранів – з шарів магнітних і немагнітних металів, що послідовно чергуються. Можливі різні варіанти матеріалів таких шарів: мідь – пермалой – мідь, пермалой – мідь, мідь – сталь – мідь та ін.

Введення повітряних проміжків між шарами (20­40% від сумарної товщини екрану) покращує ефек­тивність екранування. При захисті апаратури від зовнішнього поля матеріал з низькою магнітною проникністю поміщають назовні, з високою – всере­дину. Якщо екран захищає від джерела електромаг­нітного поля, то матеріал з низькою магнітною про­никністю має бути внутрішнім шаром, а з високою – зовнішнім. Параметри деяких немагнітних матеріа­лів для екранування наведені у табл. 1, а феромаг­нітних матеріалів для екранування – у табл. 2.

Таблиця 1. Немагнітні матеріали для екранування

Таблиця 2. Феромагнітні матеріали для екранування

Аналізуючи дані табл. 1, 2, можна зробити такі висновки. З немагнітних матеріалів з позицій мінімальної вартості і маси найкращими властивостями володіє магній, але він легко кородує, а шар оксиду, що утворюється, погіршує контакт екрану з корпу­сом виробу. Цинк дешевший за мідь, має меншу щільність, але він дуже м’який порівняно з іншими металами. Латунь за своїми параметрами займає середнє положення у ряді матеріалів, але завдяки відмінним антикорозійним властивостям та стабіль­ності опору електричного контакту її можна реко­мендувати для широкого застосування як матеріал екрану. В апаратурі зв’язку поширені екрани зі сталі та пермалою. Сталеві екрани з малою початковою магнітною проникністю забезпечують мале, але по­стійне екранування у діапазоні від низьких частот до приблизно 10 кГц. Екрани з пермалоїв з високою по­чатковою проникністю дозволяють отримати ефективне екранування, але у вузькому діапазоні частот від нуля до кількох сотень герц. Зі збільшенням ча­стоти зростають вихрові струми екрану, які витіс­няють магнітне поле з товщі екрану і зменшують його магнітопровідність, а це знижує ефективність екранування у цілому.

ВИСНОВКИ

У статті розглянуто різні типи перешкод в апара­турі зв’язку і конструктивні методи їх ослаблення. Крім розглянутих методів існують методи ослаблен­ня перешкод шляхом канального кодування, шляхом відновлення інформативних сигналів, шляхом підви­щення перешкодостійкості апаратури зв’язку, деякі з яких будуть розглянуті у наступних публікаціях.