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EMC

Rechner für die Wirksamkeit der Abschirmung

Berechnen Sie die Wirksamkeit der elektromagnetischen Abschirmung von leitfähigen Gehäusen

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Formel

SE=A+R=8.686×(t/δ)+20×log10(∣1+η0/ηs∣/2)SE = A + R = 8.686×(t/δ) + 20×log₁₀(|1+η₀/η_s|/2)

Referenz: MIL-STD-285, Schulz et al.

SE— Gesamtwirksamkeit der Abschirmung (dB)
A— Absorptionsverlust (dB)
R— Reflexionsverlust (dB)
δ— Tiefe der Haut (m)
t— Dicke des Schildes (m)
σ— Leitfähigkeit (S/m)
μ_r— Relative Permeabilität

Wie es funktioniert

Der Shielding Effectiveness Calculator berechnet die elektromagnetische Dämpfung für leitfähige Gehäuse — unerlässlich für die EMV-Konformität (CISPR 32, FCC Part 15), die Immunität medizinischer Geräte (IEC 60601-1-2) und militärische Spezifikationen (MIL-STD-461G). Die Techniker von EMC nutzen dies, um die für den Schutz empfindlicher Elektronik erforderliche Abschirmung von 40-80 dB zu erreichen.

Gemäß Henry Otts „EMC Engineering“ und MIL-HDBK-419A ist die Abschirmwirkung SE = A + R + B, wobei A für den Absorptionsverlust, R für den Reflexionsverlust und B für die Reflexionskorrektur steht (vernachlässigbar, wenn A > 10 dB). Absorptionsverlust A = 8,686 x t/delta, wobei t die Dicke und delta = sqrt (2/ (omega x mu x sigma)) die Hauttiefe ist. Bei 1 GHz beträgt die Tiefe der Kupferhaut 2,1 µm; ein 1 mm dickes Kupferblech liefert A > 400 dB.

Reflexionsverlust R = 20 x log10 (Z0/4Zs), wobei Z0 = 377 Ohm (freier Raum) und Zs = sqrt (Omega x mu/sigma) die Abschirmungsimpedanz ist. Kupfer bei 1 GHz hat Zs = 0,026 Ohm, was R = 20 x log10 (377/ (4 x 0,026)) = 67 dB ergibt. Der Gesamt-SE-Wert für Kupfer übersteigt 100 dB — aber echte Gehäuse haben Öffnungen.

Laut Ott dominieren Blenden bei Ausfall der Abschirmung. Ein einzelner Schlitz der Länge L reduziert SE auf etwa 20 x log10 (lambda/ (2L)) bei Frequenzen, bei denen L > lambda/2 ist. Ein 10 cm langer Schlitz (f_cutoff = 1,5 GHz) bietet nur 0 dB Abschirmung bei 1,5 GHz und negativer SE (Resonanzverstärkung) darüber. CISPR 32 Klasse B erfordert einen Grenzwert von 40 dBuV/m — die Gehäuseöffnungen müssen so bemessen sein, dass sie einen Spielraum von über 20 dB bieten.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Designgehäuse aus Aluminium (sigma = 3,77e7 S/m, mu_r = 1) mit 2 mm Wandstärke für eine Abschirmung von 40 dB bei 1 GHz. Maximale Länge des Lüftungsschlitzes?

Lösung pro Ott:

  1. Hauttiefe bei 1 GHz: delta = sqrt (2/ (2 x pi x 1e9 x 4 x pi x 1e-7 x 3,77e7))) = 2,6 um
  2. Absorptionsverlust: A = 8,686 x 0,002/2,6e-6 = 6680 dB (Wand ist kein limitierender Faktor)
  3. Reflexionsverlust: Zs = sqrt (2 x pi x 1e9 x 4 x pi x 1e-7/3.77e7) = 0,032 Ohm; R = 20 x log10 (377/ (4 x 0,032)) = 66 dB
  4. Gehäuse SE ohne Blenden: >100 dB
  5. Für 40 dB bei 1 GHz mit Aperturen: SE_Aperture = 20 x log10 (lambda/ (2L)); lambda = 0,3 m bei 1 GHz
  6. 40 = 20 x log10 (0,3/ (2L)); 100 = 0,3/ (2L); L = 1,5 mm maximale Schlitzlänge
  7. Für 20 Lüftungsschlitze: Verwenden Sie einen Wabenwellenleiter-Beyond-Cutoff-Filter (5-mm-Zellen liefern >60 dB bei 1 GHz)
Ergebnis: 2 mm Aluminium sorgen für eine Materialstärke von >100 dB, für 40 dB müssen die Schlitze jedoch <1,5 mm sein. Verwenden Sie zur Belüftung einen Wabenfilter.

Praktische Tipps

  • ✓Blendengröße auf maximal Lambda/20 — pro Ott ergibt das einen Spielraum von 26 dB gegenüber der Lambda/2-Resonanz. Bei 1 GHz (Lambda=30 cm) beträgt die maximale Apertur 15 mm; bei 3 GHz beträgt die maximale Apertur 5 mm.
  • ✓Verwenden Sie an allen Nähten leitfähige Dichtungen — EMI-Dichtungen (BeCu-Fingerstock, leitfähiger Schaum) halten den Kontaktwiderstand von <10 mohm aufrecht, der für 40+ dB SE gemäß MIL-HDBK-419A erforderlich ist.
  • ✓Platzieren Sie EMI-Filter an den Kabeleinführungen — Durchgangskondensatoren liefern 40-60 dB; PI-Filter liefern 60-80 dB. Der Filter muss für eine korrekte Bodenreferenz mit dem Gehäuse verbunden werden.

Häufige Fehler

  • ✗Unter der Annahme, dass das Material SE dem Gehäuse SE entspricht, liefert das Material 60-100 dB und mehr, aber Öffnungen (Nähte, Belüftung, Displays) begrenzen die tatsächlichen Gehäuse in der Regel auf 20-60 dB. Laut Ott kann eine einzelne unbehandelte Naht den SE-Wert auf <10 dB reduzieren.
  • ✗Verwendung der Gleichstromleitfähigkeit für Hochfrequenzberechnungen — der Hauteffekt begrenzt den Strom auf die Oberfläche; Oberflächenbeschaffenheit (Oxidation, Farbe) kann zu einem Verlust von 10—20 dB führen. Verwenden Sie den gemessenen Oberflächenwiderstand oder geben Sie eine leitfähige Oberfläche an.
  • ✗Kabeldurchdringungen werden ignoriert — ungefilterte Kabel dienen als Schlitzantennen in abgeschirmten Gehäusen. Gemäß MIL-STD-461G müssen alle Kabel an der Eingangsstelle gefiltert werden oder es müssen abgeschirmte/gefilterte Stecker verwendet werden.

Häufig gestellte Fragen

Kupfer (Sigma = 5,8e7 S/m) und Aluminium (Sigma = 3,77e7 S/m) sind am gebräuchlichsten und liefern >80 dB Material-SE über 100 kHz. Verwenden Sie zur magnetischen Abschirmung unter 100 kHz Mu-Metall (mu_r = 20.000-100.000), das durch Umleitung des Magnetflusses 40-60 dB erreicht. Laut Ott entspricht 0,5 mm Kupfer aufgrund der höheren Leitfähigkeit dem von 1 mm Aluminium.
Absorptionsverlust A = 8,686 x t/delta. Wenn t >> delta (typisch für Metalle über 1 MHz), erhöht sich SE um 8,7 dB pro Hautdicke. Bei 1 MHz beträgt die Kupferhauttiefe 66 µm; 1 mm Kupfer sorgt für eine Absorption von 130 dB. Bei 1 GHz ist Delta = 2,1 µm; selbst 0,1 mm Kupfer bieten eine Absorption von >400 dB — Blenden dominieren immer.
Ja, signifikant — gemäß MIL-HDBK-419A verursacht nichtleitender Lack einen Verlust von 20-40 dB an den Nahtstellen, indem er den Kontaktwiderstand erhöht. Lösungen: (1) Abdecken der Kontaktflächen vor der Farbe; (2) leitfähige Farbe (mit Nickel oder Kupfer gefüllt) verwenden; (3) Verchromung oder leitfähige Eloxierung für Aluminium spezifizieren. Alleine Oberflächenoxidation kann zu einem Verlust von 10 dB führen.
1—10 GHz stellen aus folgenden Gründen die größte Herausforderung dar: (1) Öffnungen praktischer Größe (> 5 mm) nähern sich der Resonanz an; (2) Übergänge zwischen Kabel und Stecker weisen erhebliche Leckagen auf; (3) die Kontaktimpedanz der Dichtung erzeugt Schlitze. Gemäß CISPR 32 reichen die Strahlungsgrenzwerte bis zu 6 GHz. Oberhalb von 10 GHz erleichtert eine kleinere Wellenlänge die Apertursteuerung. Unterhalb von 100 kHz nimmt der Reflexionsverlust ab — eine magnetische Abschirmung ist erforderlich.
Gemäß MIL-STD-461G: (1) Überlappung der Nähte um 1/4 Wellenlänge bei höchster Frequenz (7,5 mm bei 10 GHz); (2) Durchgehend leitfähige Dichtungen verwenden — BeCu-Fingerstock für abnehmbare Paneele, leitfähiger Schaum für permanente Nähte; (3) Platzieren Sie die Verbindungselemente in Lambda-/20-Intervallen; (4) Stellen Sie einen Kontaktwiderstand von <2,5 Mohm über die gesamte Nahtlänge sicher. EMI-Dichtungen kosten 2-10 $ pro Meter, bieten aber eine Verbesserung von 20-40 dB gegenüber blanken Metallkontakten.

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