Militärische Abschirmung

Jul 04, 2023

Abschirmungen zur Kontrolle elektromagnetischer Störungen sind ein Grundbestandteil der modernen Elektronik und spielen in militärischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Interne Designpraktiken können viel dazu beitragen, EMI in kommerzieller und industrieller Elektronik zu kontrollieren, aber die Möglichkeiten sind begrenzt. Die EMI-Anforderungen in der Militärelektronik sind so hoch, dass gute interne Designpraktiken unzureichend sind – in der Regel ist eine Abschirmung erforderlich.

Die Abschirmungstheorie wird in einer Reihe guter Bücher und Militärdokumente ausführlich behandelt. Unsere Erfahrung zeigt jedoch, dass die meisten Probleme mit der EMI-Abschirmung nicht durch Analyse, sondern vielmehr durch sorgfältige Beachtung der Grundlagen gelöst werden. Wir werden diese Grundlagen behandeln und die detaillierte Analyse den Referenzen überlassen.

Die Anforderungen an die Abschirmung variieren je nach Design und Umgebung, aber die typischen Anforderungen an die Abschirmungswirksamkeit (SE) liegen bei militärischen Designs typischerweise bei etwa 80 dB. Wenn man bedenkt, dass 80 dB ein Faktor von 10.000 sind, sehen wir, dass eine sehr gute Abschirmung erforderlich ist, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die gute Nachricht ist, dass Sie Ihr Ziel mit minimalem Aufwand erreichen, wenn Sie die Grundlagen sorgfältig befolgen.

Die Auswahl der Abschirmmaterialien ist sicherlich ein Faktor beim Design, aber tatsächlich muss man bei den Öffnungen und Drahtdurchführungen sehr gute Arbeit leisten, bevor die SE des Materials überhaupt ins Spiel kommt. Wir erleben selten Fälle, in denen die SE des Materials für die Hochfrequenzabschirmung nicht ausreicht. Wir befassen uns mit den Materialien und gehen dann zum eigentlichen Kern der Abschirmung über – Öffnungen und Durchdringungen.

ABSCHIRMMATERIALIEN

Beginnen wir mit dem Material. Der SE des Materials ist eine Funktion sowohl der Leitfähigkeit als auch der Permeabilität, bei der Hochfrequenzabschirmung dominiert jedoch die Leitfähigkeit. Offensichtlich sorgt eine hohe Leitfähigkeit für eine gute Abschirmung, aber wie funktioniert das?

Wir werden versuchen, es einfach zu halten.

Bei der Hochfrequenzabschirmung ist die Leitfähigkeit des Materials der dominierende Faktor. Einige häufig verwendete Abschirmmaterialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Leitfähigkeit von Abschirmmaterialien

Die Dicke des Abschirmmaterials spielt eine sehr geringe Rolle – dies ist auf den „Skin-Effekt“ zurückzuführen – mit zunehmender Frequenz wird der Strom an die Oberfläche gedrängt.

Die Hauttiefe ergibt sich aus:

δ = 1 ∕ √ π * f * μo * σ

Dies ist die Tiefe, in der die Stromdichte auf 1/e = 1/2,7182 fällt. Der größte Teil des Stroms wird bis auf eine Hauttiefe der Oberfläche gebündelt, sodass zusätzliche Dicke kaum von Bedeutung ist. Tabelle 2 zeigt die Eindringtiefe einiger gängiger Materialien. Wie man sehen kann, beginnt die Eindringtiefe selbst bei Netzfrequenzen zu einem Faktor zu werden. Sobald die Frequenz ein MHz erreicht, ist die Eindringtiefe so gering, dass es unwahrscheinlich ist, dass eine zusätzliche Materialdicke eine Rolle spielt.

Tabelle 2: Hauttiefe einiger Materialien (Zoll)

Wie zu erwarten ist, eignet sich Kupfer hervorragend als Abschirmung, aber Aluminium ist nicht weit dahinter. Tatsächlich ist die Abschirmwirkung dieser Materialien so gut, dass wir es uns leisten können, Materialien mit geringerer Leitfähigkeit zu wählen. Stahl beispielsweise hat etwa ein Sechstel der Leitfähigkeit von Kupfer und bietet dennoch eine hervorragende Abschirmung. Selbst Edelstahl, so schlecht er leitend ist, reicht für die meisten Fälle noch aus.con

Das Fazit ist, dass Sie Ihr Material weitgehend unabhängig von EMI auswählen können. Wählen Sie aus anderen Gründen als EMI – Gewicht, Haltbarkeit, Materialverträglichkeit, Korrosion usw.

Wenn Korrosionsschutz erforderlich ist, muss die Beschichtung an den Passflächen an der Naht leitfähig sein – eine Metallbeschichtung funktioniert einwandfrei. Sogar Konversionsbeschichtungen sind in der Regel akzeptabel, solange eine ausreichende Kontaktoberfläche vorhanden ist, um den relativ hohen Oberflächenwiderstand zu überwinden.

Tabelle 3: Leitfähige Oberflächen

Beachten Sie, dass selbst leitfähige Beschichtungen auf Kunststoff geeignete Abschirmmaterialien darstellen können – der Schlüssel liegt in einem leitfähigen Abschluss an den Nähten. Zunehmend sehen wir, dass Kunststoffe im militärischen Umfeld verwendet werden, insbesondere bei tragbarer Ausrüstung, wobei das Gewicht ein wesentlicher Faktor ist. Auch hier reicht die Abschirmwirkung der dünnen Beschichtung für die meisten militärischen Abschirmungsanforderungen aus. Der Schlüssel liegt in der Konstruktion, um eine ausreichende Kontaktfläche an den Passflächen zu erreichen.

Die Abschirmung von Magnetfeldern erfolgt grundsätzlich auf eigenständiger Basis – ein dominierender Faktor für die Netzfrequenzen. Die gängigen Abschirmmaterialien Kupfer und Aluminium sind grundsätzlich transparent für Magnetfelder – Sie benötigen ein dickes, durchlässiges Material, um Netzfrequenzen abzuschirmen – Stahlblech oder eine der hochpermeablen Legierungen. Dies ist ein Fall, in dem das interne Design, insbesondere die Verwendung von Techniken zur Magnetfeldunterdrückung, der Verwendung von Gehäuseabschirmmaterialien vorgezogen wird.

KABELABSCHIRMMATERIALIEN

Der Einsatz abgeschirmter Kabel ist in der Militärelektronik weit verbreitet. Die Kabelabschirmung kann aus einem Geflecht oder einer leitfähigen Folie bestehen. Folie kann im Prinzip eine bessere Abschirmung als Geflecht sein, aber in der Praxis ist Folie nicht robust genug, um einer Biegung standzuhalten – was den Nutzen in taktischen Umgebungen einschränkt. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, Folie angemessen am Steckergehäuse anzuschließen. Aus diesem Grund wird am häufigsten ein Geflecht verwendet, auch wenn es bei höheren Frequenzen zu lecken beginnt.

Unter etwa 10 MHz ist fast jedes Geflecht ausreichend. Darüber hinaus beginnt das Geflecht undicht zu werden. Ein engeres Geflecht hilft, aber doppelte Abschirmungen sind viel besser, vorzugsweise wenn beide Kabelleiter entlang der gesamten Kabelstrecke in engem Kontakt stehen. Eine Kombination aus Geflecht und Folienschirm ergibt eine gute Abschirmung, aber stellen Sie sicher, dass die Folie der vorgesehenen Umgebung standhält.

In vielen Fällen ist eine einzelne Abschirmung ausreichend, wir möchten jedoch für alle Fälle ein doppelt abgeschirmtes Kabel als Backup während des Testens zur Verfügung haben.

ÖFFNUNGEN IM GEHÄUSE

Nachdem wir nun das Material der Abschirmung ausgewählt haben, müssen wir uns den Öffnungen in der Abschirmung zuwenden, darunter Lüftungsöffnungen, Displays und insbesondere Nähte an den Passflächen.

Für eine gute Abschirmung hängt SE von der Größe der Öffnungen ab. SE ist gegeben durch:

SE = 20 * log (λ/2L),

Wobei λ = 300/f (MHz) und L die längste Abmessung der Öffnung ist.

Bei kleinen Öffnungen haben wir kein Problem, aber bei Nähten am Bezug stellen wir fest, dass die Öffnungen zu einem großen Problem werden.

Bei den meisten militärischen Anwendungen ist es nicht praktikabel, die Befestigungselemente nahe genug beieinander anzubringen, um den Abschirmungsanforderungen gerecht zu werden. Nehmen wir als Beispiel an, wir hätten eine Öffnung von 10 cm und eine Frequenz von 100 MHz (λ = 3 Meter).

SE = 20 * log(3/.1) = 23 dB, was niedriger ist als allgemein gewünscht.

Sofern Sie bei der Gestaltung der Passflächen nicht sehr sorgfältig vorgehen, müssen Sie zum Verschließen der Öffnungen eine EMI-Dichtung verwenden.

Alle EMI-Dichtungen sorgen für eine flexible leitfähige Abdichtung zwischen den beiden Passflächen. Um zu funktionieren, müssen die Passflächen außerdem leitend sein und die Dichtung muss im Wesentlichen einen vollständigen Abschluss bieten. Bei der Auswahl des Dichtungsmaterials muss die Materialverträglichkeit berücksichtigt werden. Herstellerhandbücher bieten Hinweise zur Dichtungsauswahl.

Tabelle 4: Gängige Dichtungstypen

Der Schlüssel zur Wirksamkeit der Dichtung liegt in der leitfähigen Abdichtung, die Lücken auf ein Minimum beschränkt. Einfach ausgedrückt: Wenn die Dichtung schließt, funktioniert es. Wenn die Dichtung nicht schließt, funktioniert es nicht. Das Dichtungsmaterial sollte so gewählt werden, dass der Verschluss gewährleistet ist, und hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter der Steifigkeit des Gehäuses, Platzbeschränkungen sowie Umweltfaktoren und Materialkompatibilität.

Andere Öffnungen, einschließlich Belüftung und Bildschirme, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Typischerweise erfolgt die Belüftung durch den Einsatz leitfähiger Siebe oder perforierter Platten – Wabenplatten sind sogar noch besser, reichen aber in den meisten Fällen mehr als nötig aus. Bildschirme müssen möglicherweise mit einer leitfähigen transparenten Beschichtung wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder sogar einem leitfähigen Bildschirm bedeckt werden. ITO ist ein schlechter Leiter, aber im Allgemeinen immer noch ausreichend – stellen Sie jedoch sicher, dass der leitfähige Abschluss des Gehäuses am Umfang aufrechterhalten wird.

Beschichtete Kunststoffe erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. In früheren Zeiten war es schwierig, die Nähte leitend zu schließen. Dieses Problem wurde von der Mobilfunkindustrie durch eine von mehreren Entwicklungen gelöst. Eine davon ist die Form-in-Place-Dichtung: Eine dünne Raupe wird mithilfe einer numerischen Steuerung auf die Oberfläche aufgetragen (wie beim Auspressen von Zahnpasta). Nach dem Aushärten bildet es eine gut leitende, flexible Schicht, die sich zur Anbindung an die Gegenfläche eignet. Damit dies funktioniert, müssen die Oberflächen steif genug sein, um sicherzustellen, dass die Oberflächen kontinuierlich zusammenpassen.

SCHILDURCHDRINGUNGEN

Der letzte zu berücksichtigende Faktor sind die Durchdringungen der Abschirmung – dazu gehören auch Daten- und Stromkabel. Einfach ausgedrückt: Alle Ströme auf dem Kabel fließen durch die Abschirmung, egal wie gut die Abschirmung ist. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, diesen Zustand zu verhindern: Kabelabschirmung oder Filterung (Abbildung 1). Die Kabelabschirmung verhindert, dass Ströme die Abschirmung durchdringen. Die Filterung lässt die Ströme auf den Draht fließen, filtert sie jedoch zur Gehäusegrenze hin. Im Allgemeinen müssen Hochgeschwindigkeitsdatenkabel abgeschirmt sein. Stromleitungen und Niederfrequenz-Datenkabel können gefiltert werden.

Abbildung 1: Schilddurchdringungen

Das Prinzip ist einfach: Dies ist der häufigste Grund für ein Versagen der Abschirmung und daher ein Thema, das es wert ist, eingehend untersucht zu werden.

Der Schlüssel zum Filtern liegt in der sorgfältigen Terminierung der Filterkondensatoren. Um wirksam zu sein, muss der Filter unmittelbar an der Gehäusegrenze montiert werden, wobei die Filterkondensatoren eine niederohmige Verbindung zur Gehäuseerde haben. Der Filter kann sich in der Trennwand oder im Kabelanschluss befinden, muss jedoch über eine niederohmige Verbindung zum Gehäuse verfügen. Dabei ist zu beachten, dass zwischen dem Kondensator und dem Gehäuse mehrere metallische Verbindungen vorhanden sein können. Insbesondere muss die Zuleitungsinduktivität im Nebenschlusspfad unbedingt eliminiert werden.

Für die meisten Anwendungen benötigen Sie einen Tiefpassfilter. Ob ein einfacher C- oder L-Filter oder ein Pi-Filter, hängt von der benötigten Dämpfung ab. T-Filter sind ebenfalls gut, aber in Filterarrays nicht weit verbreitet.

Bei abgeschirmten Kabeln muss der Kabelschirm gut am Gehäuse angeschlossen sein. Auch hierfür sind eine Reihe metallischer Verbindungen erforderlich, darunter Kabelschirm zum Endgehäuse, Endgehäuse zum Stecker, Stecker zum Gegenstecker, Gegenstecker zur Schottwand. Wenn eine dieser Verbindungen nicht über den gesamten Umfang niederohmig ist, versagt die Abschirmung. Konkret muss die Kabelabschirmung umlaufend bis zum Umfang des Steckverbinders abgeschlossen werden, typischerweise am Kompressionsring für Steckverbinder im Militärstil. Pigtail-Verbindungen sind nicht akzeptabel. Die Leitfähigkeit um den gesamten Umfang muss bis zur Trennwand aufrechterhalten werden. Die Steckverbinder sind so konzipiert, dass sie miteinander verbunden werden können. Auch die Verbindung zwischen Stecker und Schott muss vollständig sein – achten Sie insbesondere auf die Leitfähigkeit an den Passflächen. Besorgniserregend sind Farben, Gummidichtungen und nichtleitende Beschichtungen.

Abbildung 2: Kabelschirmanschluss

Militärkabel sind oft komplex und bestehen aus einer Kombination aus einzeln abgeschirmten Leitungen (z. B. geschirmtes Twisted-Pair), Spannungsversorgung mit Filtern und abgeschirmten Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen. Eventuell liegt ein abgeschirmtes Übergeflecht vor. Jeder davon muss einzeln korrekt abgeschlossen werden. Schauen wir uns das genauer an.

Zunächst muss der Außenschirm des Kabels umlaufend am Kompressionsring befestigt werden – eine Pigtail-Erdung ist nicht akzeptabel. Die Abschirmung muss an beiden Enden geerdet werden – eine Einzelpunkterdung ist für die Hochfrequenzabschirmung ungeeignet.

Zweitens ist es bei mehreren Abschirmungen nicht möglich, jede Abschirmung umlaufend abzuschließen. In diesem Fall sollte jede Abschirmung auf möglichst kurzem Weg am Kompressionsring geerdet werden. Im Extremfall, wenn viele innere Abschirmungen vorhanden sind, müssen die Abschirmungen möglicherweise leitend mit benachbarten Kabelabschirmungen verbunden werden, um einen leitenden Kontakt herzustellen.

Drittens müssen die abgeschirmten Niederfrequenzkabel möglicherweise an einem einzigen Punkt geerdet werden. Somit stellt die äußere Abschirmung (manchmal auch Übergeflecht genannt) die Hochfrequenzabschirmung dar, während die innere Abschirmung die Erdschleife des Signals unterbricht.

Viertens muss möglicherweise eine Mischung aus Abschirmungsanschlüssen und Filtern vorhanden sein. Steckverbinder im Militärstil werden einer solchen Mischung gerecht.

Ein letzter Hinweis: Bei der Fehlerbehebung bei EMI-Problemen stellen wir fest, dass sich Kabelabschlüsse meist an der Wurzel befinden. Leider sind selbst professionell konfektionierte Kabel von renommierten Unternehmen oft falsch konfektioniert – öffnen Sie das Gehäuse, prüfen Sie, ob sich darin interne Pigtails befinden, und entfernen Sie diese.

ZUSAMMENFASSUNG Die Abschirmung militärischer Projekte erfordert erhebliche Sorgfalt – die gute Nachricht ist, dass das Buch geschrieben wurde und wenn Sie sich an die Regeln halten, erhalten Sie eine gute Abschirmung. Die Auswahl des Abschirmungsmaterials ist nicht entscheidend – die meisten Abschirmungsmaterialien sind für die Aufgabe ausreichend. Auch leitfähige Beschichtungen sorgen oft für eine ausreichende Abschirmung. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für eine gute Abschirmung:

Befolgen Sie diese Grundregeln und Sie erhalten auch ohne aufwändige Analyse einen guten Schutzschild.

Daryl und Bill sind beide diplomierte Elektroingenieure, registrierte professionelle Ingenieure und NARTE-zertifizierte EMV-Ingenieure. Gemeinsam verfügen sie über mehr als 80 Jahre Branchenerfahrung. Weitere Informationen und Ressourcen finden Sie auf der Website unter www.emiguru.com.

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