9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

141

АЛГОРИТМ РАСЧЁТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ

ДЛЯ НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ

Д.

В.

ЕМСКИЙ

ОССИЯ

М.

А.

АФИШЕВ

ОССИЯ

Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет), info@miem.edu.ru

Аннотация. Излагается алгоритм программы расчета неоднородных экранов, которая позволяет

оценивать эффективность экранирования электродинамических экранов, состоящих из сплошных

металлических участков, участков с круглыми отверстиями и прямоугольными щелями. В основе ме-

тода расчета лежит коэффициентный метод оценки потерь на отражение и поглощения неоднород-

ных участков.

Abstract. The algorithm of the program of calculation of non-uniform shield which allows estimating effi-

ciency of shielding of the electrodynamic shield consisting of continuous metal sites, sites with round aper-

tures and rectangular cracks is stated.

При сложившейся практике необходимые ха-

рактеристики ЭМС могут быть получены различны-

ми конструкторскими и схемотехническими метода-

ми. Одним из вариантов конструкторских методов

является экранирование. За последнее время акту-

альность этой проблемы значительно выросла из-за

всё возрастающих требований к помехозащищенно-

сти аппаратуры. Но создание электромагнитного

экрана существенно повышает стоимость изделия,

увеличивает его массу и расход материалов. Поэтому

важно во время проектирования аппаратуры рассчи-

тывать значение эффективности экранирования с

возможно высокой точностью.

Существующие методики ориентированы в пер-

вую очередь на оценку эффективности экранирова-

ния для бесконечно протяженного экрана или для

модели корпуса без каких-либо неоднородностей. В

этих случаях полученные значения эффективности

экранирования оказываются многократно завышен-

ными, если расчет ведется для толщин материалов,

превышающих на порядок и более толщину скин-

слоя для расчетной частоты. В реальном корпусе

всегда имеются те или иные неоднородности в виде

аппретур, что приводит к еще большим расхождени-

ям между расчетными значениями эффективности

экранирования и реальными значениями.

При расчете неоднородных экранов необходимо

учитывать различные типы отверстий, крепёжные

элементы, что сильно ухудшает эффективность эк-

ранирования. В результате большинство экранов не

оптимизировано. Экраны получаются значительно

толще, чем это в действительности необходимо, а

эффективность экранирования может быть меньше

заданной, к примеру, из-за диаметра отверстия. Для

оптимизации конструкции экрана, с точки зрения

эффективности экранирования, необходимо приме-

нять при проектировании элементы CALS-

технологий. А именно стандартизировать значения,

получаемые с помощью аналитических формул рас-

чета эффективности экранирования и передавать их

в трехмерную модель экрана. Изменение значений

входных параметров и получение оптимальных зна-

чений эффективности экранирования в расчетной

программе влечёт за собой изменение реальных га-

баритных значений экрана и элементов экрана [1].

Главная проблема современных CALS-

технологий заключается в обеспечении единообраз-

ного описания и интерпретации данных, независимо

от места и времени их получения в общей системе,

имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структу-

ра проектной, технологической и эксплуатационной

документации, языки её представления должны быть

стандартизированными. Тогда становится реальной

успешная работа над общим проектом разных кол-

лективов, разделённых во времени и пространстве и

использующих разные CAD/CAM/CAE-системы [2].

Предлагается программа для расчёта эффектив-

ности экранирования для неоднородных электромаг-

нитных экранов, построенная по следующему алго-

ритму: вводим исходные данные такие как, расстоя-

ние от источника до экрана, частоту электромагнит-

ного излучения и описание конструкции экрана. Эк-

ран может быть однородным, с круглыми отверстия-

ми, с прямоугольными отверстиями и смешанный.

Далее задаются параметры экрана: материал, толщи-

ну, геометрические параметры отверстий, их число,

зазор проводящего материала между отверстиями.

При выборе материала экрана из базы данных, авто-

матически определяется относительная магнитная

проницаемость и удельная проводимость материала.

Также после того как ввелись все параметры, авто-

матически определяется число отверстий на один

квадратный сантиметр и площадь одного отверстия.

В зависимости от исходных данных, программа

строит графическую модель экрана для визуального

контроля конструкции. По команде «Расчет» опреде-

ляется эффективность экранирования для заданного

типа экрана. Дополнительно строится график зави-

симости эффективности экранирования от частоты

электромагнитного излучения. После произведённо-

142

го расчёта можно менять исходные данные и видеть

изменение эффективности экранирования в большую

или меньшую сторону как функцию изменяемого

параметра [3].

Для выполнения поставленной задачи, в качест-

ве языка программирования был выбран С++ Builder.

В работе реализована автоматизированная мето-

дика по расчету эффективности экранирования не-

однородного экрана, оптимизирована конструкция

экрана и достигнуто оптимальное соотношение це-

на/эффективность экранирования.

Намечена следующая перспектива развития

программного продукта:

• усовершенствование вычислительных процедур,

• развитие базы данных по материалам,

• построение экспертной системы,

• создание сетевой версии продукта,

• представление 3-D модели экрана.

Литература

1. Экранирование технических средств и экра-

нирующие системы / Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б.,

Степанов П.В. – 2010 г. – 470 с.; ил. – (Библиотека

ЭМС)

2. Сафонов А.А., Демский Д.В. Автоматизиро-

ванная методика построения 3-d модели электромаг-

нитного экрана с учётом требуемой эффективности

экранирования // Научно-техническая конференция

студентов, аспирантов и молодых специалистов

МИЭМ. Тезисы докладов. – М.~: МИЭМ, 2009. – С.

196.

3. Свидетельство о государственной регистра-

ции программы для ЭВМ №2010617918, расчёт эф-

фективности экранирования электромагнитных эк-

ранов (SE Calculator).

143

МАГНИТОЭКРАНИРОВАННАЯ КАМЕРА НА ОСНОВЕ РУЛОННЫХ

МАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

П.

А.

УЗНЕЦОВ

ОССИЯ

С.

А.

АННИНЕН

ОССИЯ

О.

В.

АСИЛЬЕВА

ОССИЯ

С.

А.

УДОШНИКОВ

ОССИЯ

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», e-mail: mail@crism.ru

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Аннотация. Представлены результаты испытаний макетного образца магнитоэкранированной каме-

ры, в конструкции которой использованы экраны из лент аморфных магнитомягких сплавов МАР-

1К. Показано, что в разработанной конструкции с внешним диаметром 500 и внутренним 300 мм

уровень магнитного поля Земли может быть снижен более чем в 1000 раз. Полученные результаты

позволяют обеспечить проведение измерений по калибровке магниточувствительного оборудования,

а также по влиянию гипомагнитных полей на биологические объекты.

Abstract. The results of testing the magnetically shielded box sample produced on the basis of amorphous

soft-magnetic alloys flat rolls shields MAR-1K are presented. It is shown that in this construction the Earth’s

magnetic field level can be lowered in more than 1000 times. The obtained results make it possible to pro-

vide magnetically sensitive experiments and investigations of feeble magnetic fields influence on biological

objects.

Введение

Известно, что магнитные поля воздействуют на

химические, физические и биологические процессы,

происходящие в веществе. Благодаря эффектам упо-

рядочения или разупорядочения, обработка материа-

лов в сильных или слабых магнитных полях приво-

дит к существенным изменениям их свойств. Созда-

ние высоких магнитных полей за счет использования

сверхпроводников в настоящее время не представля-

ется сложной задачей. Наиболее сложной и трудоем-

кой с научной точки зрения задачей в настоящее

время является создание камер или комнат

(Magnetically Shielded Rooms – MSR) со слабыми или

нулевыми магнитными полями, значения индукции

магнитного поля в которых в сотни и тысячи раз

меньше поля Земли, т.е. составляют значения на

уровне 50нТл и менее.

В настоящее время магнитоэкранированные

комнаты созданы в Германии, Японии, США (в Рос-

сии такого рода комнаты отсутствуют). Например, в

PTB (Берлин, Германия) создана магнитоэкраниро-

ванная комната, ослабляющая внешнее магнитное

поле в 10

раз [1]. При этом внешние габариты ком-

наты 15х15 м, а внутреннее рабочее пространство

2х3 м. Следует отметить, что все MSR созданы на

основе широко распространенных магнитомягких

сплавов пермаллоевого класса – µ-metal (российский

аналог – сплав 79НМ). В настоящее время освоен

промышленный выпуск аморфных и нанокристалли-

ческих магнитомягких сплавов, магнитные свойства

которых (начальная и максимальная магнитная про-

ницаемость) существенно выше их кристаллических

аналогов. В связи с этим данные сплавы являются

наиболее перспективными для создания на их основе

MSR.

Одной из проблем в использовании лент аморф-

ных и нанокристаллических сплавов заключается в

том, что ширина ленты находится в диапазоне от

нескольких миллиметров до нескольких десятков

сантиметров. При этом толщина ленты составляет 20

– 30 мкм. Тогда как в практике создания MSR тол-

щина листов µ-metal составляет несколько милли-

метров при длине и ширине до 100 см. Сам объем

комнаты может достигать значений в 10…100 м

Для создания таких комнат необходимо использо-

вать широкий длинный рулонный материал, в кото-

ром ленты аморфных и нанокристаллических магни-

томягких сплавов надежно скреплены друг с другом.

В работе представлены результаты исследова-

ний по созданию магнитоэкранированной камеры,

обеспечивающей ослабление магнитного поля Земли

более чем в 1000 раз.

Методика испытаний

В качестве материала для изготовления камеры

использовался экран марки МАР-1К [2], изготовлен-

ный на основе лент аморфного сплава АМАГ-172,

промышленно выпускаемого в России на ОАО

«НИИМЭТ». В данной конструкции экрана ленты

укладываются внахлест с перекрытием не менее

толщины самой ленты и надежно скрепляются с по-

мощью полимерного связующего. Химический со-

став сплава отвечает следующей формуле

1,5

. Толщина и ширина ленты

составляет 20 мкм и 20 мм, соответственно. Толщина

и ширина экрана составляет 80 мкм и 500 мм, соот-

144

ветственно. Этот сплав обладает высокими значе-

ниями начальной и максимальной магнитной прони-

цаемости. Так начальная магнитная проницаемость

составляет 13000, а максимальная – 700000.

Измерения магнитных свойств выполнялись на

магнитоизмерительной установке МК-3Э, предна-

значенной для автоматического измерения магнит-

ных характеристик кольцевых образцов магнитомяг-

ких материалов по методике ГОСТ 8.377-80.

Измерение магнитного поля выполнялось с по-

мощью феррозондового магнитометра НВ0204.4А,

производства НПО «ЭНТ». Для выполнения измере-

ний цилиндр располагался на столе в горизонталь-

ном положении и ориентировался поперек магнитно-

го поля Земли (ось цилиндра перпендикулярна на-

правлению поля). Датчик закреплялся на оси цилин-

дра, и производилось измерение индукции магнитно-

го поля. Отдельно измерялись две составляющие

поля – продольная (вдоль оси цилиндра) и попереч-

ная (поперек оси).

В ходе экспериментов было установлено, что

собственный ноль датчиков несколько смещен, что

вносило существенную погрешность при измерении

малых полей. Для учета смещения собственного ну-

ля датчика, производились измерения с поворотом

датчика на 180

вокруг своей оси. При этом фикси-

ровалась разница показаний, равная двойной вели-

чине поля по данному направлению. Коэффициент

экранирования вычислялся как отношение внешнего

поля (50 мкТл) к полю внутри цилиндра.

Расчет эффективности экранирования произво-

дился в приближении бесконечного цилиндрическо-

го экрана методом конечных элементов с помощью

программного пакета ELCUT (версия 5.4.0.557) [3],

позволяющего моделировать двумерные магнитные

поля. Для задания магнитных свойств экрана в рас-

чете используются измеренные кривые намагничи-

вания ленты аморфного сплава.

Разработка камеры

Для начала был рассчитан самый простой вари-

ант экранированной камеры диаметром 300 мм –

бесконечный цилиндрический одинарный экран в

однородном поле индукцией 50 мкТл. Под одинар-

ным экраном понимается экран, состоящий из не-

скольких слоев листового экранирующего материала

МАР-1К, нанесенных вплотную друг к другу. Ре-

зультаты расчета КЭ для такого экрана в зависимо-

сти от числа слоев МАР-1К представлены на рисунке

1, из которого следует, что использование одинарно-

го экрана не позволяет добиться КЭ более 1000 при

приемлемом числе слоев экранирующего материала.

100

150

200

250

0 50 100 150 200

Число слоев рулонного материала

КЭ

Рис. 1. Коэффициент экранирования для одинарного

экрана диаметром 300 мм.

В соответствии с классической теорией магнит-

ного экранирования [4] эффективное увеличение КЭ

возможно при использовании двойного экрана, со-

стоящего из двух многослойных одинарных экранов

разного диаметра, вложенных один в другой. Была

проведена серия расчетов двойных экранов и иссле-

дована зависимость КЭ такой системы от толщины

одинарных экранов и величины зазора между ними.

На рис. 2 показана зависимость расчетной вели-

чины КЭ двойного экрана от общего числа слоев

экранирующего материала, нанесенного на оба ци-

линдра. Диаметр внутреннего цилиндра – 300 мм,

диаметр внешнего цилиндра – 500 мм, т.е. зазор ме-

жду цилиндрами составляет 100 мм. Жирной сплош-

ной линией показан вариант с одинаковым числом

слоев на внутреннем и внешнем цилиндрах. Тонкие

штриховая и сплошная линии – количество слоев на

внешнем цилиндре фиксировано (равно 5 и 10 соот-

ветственно), а на внутреннем – меняется. Видно, что

увеличение толщины внутреннего экрана при фик-

сированном внешнем, дает лучший результат, чем

одновременное наращивание толщины обоих экра-

нов.

На рис. 3 показана зависимость КЭ двойного эк-

рана от величины зазора между ними. При этом диа-

метр внутреннего цилиндра фиксировался равным

300 мм, а диаметр внешнего – изменялся. Штриховая

линия – на внешнем и внутреннем цилиндрах по 10

слоев рулонного материала, сплошная линия – на

внешнем 10, а на внутреннем 20 слоев.

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40

Общее число слоев рулонного материала

КЭ

Рис.2. Зависимость коэффициента экранирования от

общего числа слоев экрана.

145

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150

Зазор между цилиндрами, мм

КЭ

Рис. 3. Зависимость коэффициента экранирования от

зазора между цилиндрами.

Из рис. 2 и 3 видно, что КЭ более 1000 достига-

ется при общем числе слоев экрана равном 30. При

этом за основу был выбран следующий вариант: 10

слоев на внешнем цилиндре, 20 слоев на внутреннем,

зазор между ними 100 мм.

Изготовление и испытание камеры

На основании проведенных расчетов была изго-

товлена магнитоэкранированная камера, состоящая

из двух вложенных цилиндров: внешнего, высотой

700 мм и диаметром 500 мм и внутреннего, высотой

500 мм и диаметром 300 мм. Один торец каждого

цилиндра наглухо закрыт, другой закрывается с по-

мощью съемной крышки. В глухом торце цилиндров

имеются 3 отверстия для ввода внутрь камеры изме-

рительных датчиков и размагничивающей обмотки.

Внешний вид готовой камеры представлен на рис. 4.

По мере изготовления экранирующих цилинд-

ров, проводились послойные контрольные измерения

их КЭ. Результаты измерений представлены в табли-

це 1. Измерения проводились с открытым торцом

(без крышки). КЭ вычислялся по поперечной состав-

ляющей, являющейся основной для внешнего поля.

Рис 4. Внешний вид готовой магнитоэкранированной

камеры.

Таблица 1. Коэффициент экранирования для одинар-

ных цилиндрических многослойных экранов.

Диаметр 300 мм Диаметр 500 мм

Кол-во

слоев

Расчет

Измерение

Расчет

Измерение

1 5 4.7 2 2.5

2 75 30 15 –

3 84 101 74 –

4 91 164 79 22

5 96 305 84 75

6 101 435 89 165

7 104 – 92

8 107 770 96

9 109 1050 99

Как видно из табл. 1, реальный КЭ одинарных

экранов значительно превосходит расчетную вели-

чину. По этой причине количество слоев экрана, не-

обходимого для достижения заданного уровня экра-

нирования (КЭ=1000), может быть уменьшено. Так

для двойной камеры с 9 слоями экрана на внутрен-

нем цилиндре и с 6 слоями на внешнем, поперечное

поле на оси цилиндров составляет 27 нТл, что соот-

ветствует КЭ=1800.

Для проверки однородности поля внутри двой-

ной камеры и определения области эффективного

экранирования, были произведены замеры поля при

удалении от оси цилиндров. По результатам измере-

ний построена зависимость КЭ от расстояния до оси

камеры, представленная на рис. 5, из которой следу-

ет, что во всей области, доступной измерению, КЭ

выше 600. При этом радиус области экранирования

более 1000 составляет приблизительно 100 мм.

500

1000

1500

2000

0 50 100 150

Расстояние от оси цилиндра, мм

КЭ

Рис. 5. Зависимость КЭ от расстояния до оси

камеры.

Предложенная нами цилиндрическая конструк-

ция экрана такова, что она наиболее эффективно ра-

ботает в поперечном (перпендикулярном оси цилин-

дра) внешнем поле. В продольном поле КЭ на поря-

док ниже, что подтверждается расчетами и измере-

ниями. Поэтому при эксплуатации гипомагнитной

камеры ее необходимо ориентировать так, чтобы ось

цилиндра была перпендикулярна направлению

внешнего поля. Именно для такой ориентации про-

изводились контрольные измерения КЭ.

146

Выводы

Разработана и рассчитана конструкция магни-

тоэкранированной камеры, обеспечивающей КЭ по-

ля Земли более 1000. По разработанной конструкции

изготовлен действующий образец магнитоэкраниро-

ванной камеры.

Проведены измерения поля внутри камеры, ис-

следована однородность поля, определены размеры

эффективной рабочей зоны внутри камеры. Показа-

но, что область эффективного экранирования (более

1000) внутри камеры имеет диаметр 200 мм, что со-

ставляет 40 % от общего диаметра камеры.

Реальный коэффициент экранирования рулон-

ного материала значительно превосходит расчетную

величину, полученную с использованием измерен-

ной кривой намагничивания аморфной ленты. Такое

расхождение может быть связано с тем, что из-за

наличия магнитного гистерезиса, материал экрана

находится не на основной кривой намагничивания.

Благодарности

Авторы выражают благодарность К. А. Трухано-

ву (Институт медикобиологических проблем РАН) за

участие в разработке конструкции экранированной

камеры, постановку задачи и техническую поддержку.

Литература

1. J. Bork, H.-D. Hahlbohm, R. Klein, and A. Schnabel

The 8-layered magnetically shielded room of the PTB:

Design and construction // Proceedings of 12-th Interna-

tional Conference on Biomagnetism, Helsinki University

of Technology, Espoo, Finland, 2001, pp. 970-973.

2. Патент РФ «Магнитный и электромагнитный эк-

ран» П.А. Кузнецов, Б.В. Фармаковский,

А.Ю. Аскинази, Я.В. Орлова, Т.В. Песков (Россия). –

№2324989 от 20.05.2008.

3. ELCUT. Моделирование двумерных полей мето-

дом конечных элементов. Версия 5.4. Руководство

пользователя – Производственный кооператив ТОР,

СПб, 2006

4. Ю.Я. Реутов, Классические магнитные экраны,

ИФМ УрО РАН, 2006

147

NUMERICAL SIMULATION AND MEASUREMENT RESULTS FOR

SHIELDING PROPERTIES OF AN AIRCRAFT SHELL

LEKSII

KOBLIKOV

KRAINE

OLODYMYR

NIAZIEV

KRAINE

Research and Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,

e-mail: oleksii.skoblikov@gmail.com; tc22@i.ua

Abstract. The paper provides results of numerical simulation for the lightning-caused impulse magnetic

field, penetrating a thin-wall cylindrical electromagnetic screen. The screen has finite size and contains

various structural inhomogeneities. The simulation results are compared with the values obtained during a

measurement campaign. It is shown, that the difference between them does not exceed 20%.

Introduction

Electromagnetic compatibility (EMC) of the

shipboard electronic equipment proved to be crucial for

reliable operation of the aircraft. The stability of the

equipment against the destructive influence of external

electromagnetic fields plays particularly important role

in achieving EMC.

Electromagnetic shielding is traditionally used as

the most universal and reliable method for defending

shipboard equipment from the negative impact of

external electromagnetic fields. In practice it is

reasonable to use both equipment cover and aircraft shell

for the screening purposes. Implementing such an

approach usually invokes the necessity to estimate

protective properties of such a shield, being irradiated by

electromagnetic field with the specified amplitude-time

parameters (ATP).

It is known [1-4] that the strength of the magnetic

field penetrating inside an electromagnetic screen is

mainly dependent on the inhomogeneities in the shield

structure, their shape, size and orientation in respect of

the vector of the external magnetic field, rather than on

the thickness of the screen and its conductive material

properties.

The estimation of the protective properties of

electromagnetic screens can be efficiently performed via

a computer simulation, which nowadays provides quite a

variety of methods for modeling physical processes.

These methods are usually classified into two groups:

• analytical methods, e. g. [5-6];

• numerical methods, such as [7-8].

The major benefits, drawbacks and requirements for

each group of methods are listed in [9]. Based on the

experience in practical utilization of analytical and

numerical methods for solving the problems of shielding

magnetic field, we have developed a hybrid method [10],

which comprises the main pros of the both groups of

techniques.

In this paper we provide the results of the

comparison between the ATP of magnetic field inside an

inhomogeneous screen, estimated by numerical and

hybrid methods and obtained during the measurement

campaign.

Electromagnetic screen

Both simulation and experimental studies are performed

on a model of an aircraft (rocket), which is a thin-wall

cylinder (Fig. 1). The diameter of the cylinder is 0,9 m,

its length equals 3 m and the thickness of its wall equals

1,5 mm. The model is made of aluminum alloy AMz,

whose conductivity is

= 2,7x10

[Sm/m]. The side

surface of the cylinder contains a rectangular orifice

(main orifice) 0,4х0,35 m. In order to vary the shape and

the number of the studied orifices, we use 3 nozzles

(Fig. 2).

Fig. 1. Linear dimensions of the studied screen.

Fig. 2. Nozzles for the main orifice.

The studied object is disposed in impulse magnetic

field, which is produced by a strip line (Fig. 3). The strength

of the homogeneous magnetic field (when the studied object

is absent) equals 380 [А/m], the time parameters of the field

are 2/50 µs (Fig. 4). The chosen ATP are typical for the case

of indirect influence of a descending negative lightning on

an aircraft, flying in the proximity of its channel [11].

148

Fig. 3. The experimental installation.

Fig. 4. The oscillogram of the external magnetic field

(without studied object).

Numerical model

The numerical computation is performed with the

Finite Element Method (FEM), implemented in

COMSOL Multiphysics v 3.5 software [12]. The

problem is solved in 3D → AC/DC Module → Quasi-

Statics, Magnetic → Induction currents → Transient

analysis mode.

As one attempts to mesh this model, he/she quite

likely encounters the typical problem of the numerical

methods: in order to obtain a stable solution, it is

necessary to create a fine mesh, having at least several

levels within the tiniest structure, which in our case is

the wall of the cylindrical screen. Such a requirement

leads immediately to the significant growth of the

dimensions of freedom (DoF) of the model, and as the

result, increases the demands to the computational

resources. In current model the thickness of the cylinder

wall equals 1,5 mm, which is 2000 times smaller than the

biggest linear size of the object (3 m). In case of such a

small ratio the automatic meshing tool performs very

inefficiently. The amount of RAM, necessary for

meshing exceeds 8 Gb, typically available a desktop PC.

The numerical calculations themselves will require even

much RAM, which makes the problem solvable just on

powerful servers or computational clusters. In order to

make the computation feasible for a desktop PC, the two

approaches are utilized:

1. Inhomogeneous mesh. Looking deeper into the

problem, one can see that various objects and physical

processes within the model do not require equal spatial

resolution in terms of the mesh nodes concentration per

volume unit. For example, the magnetic field in open

space (the surrounding air) varies much slower than

within the conductive material of the electromagnetic

screen, which is caused by skin-effect. The thickness of

the skin-layer for AMz and the equivalent frequency,

corresponding the time parameters of the impulse equals

= 2,995x10

-3

[m]. Taken this into account we produced

more detailed mesh within the thin cover of the

electromagnetic screen and placed much less mesh nodes

in the surrounding air (Fig. 5).

Fig. 5. The meshed 3D model of the studied object.

2. Iterative solver. The solvers of this type introduce

much lower demands to the RAM, but lengthen the

solution time, compared to the direct solvers. This effect

is achieved by several tricks, e.g. by saving the

intermediate solutions on the hard drive instead of

keeping them in the RAM. In our model we used

GMRES solver with the Vanka preconditioner.

Being utilized simultaneously, the two described

approaches enabled us to solve the problem on a desktop

with 8 Gb RAM. The magnetic field was observed in

four control points inside the screen (Fig. 6). The typical

graph for ATP obtained by the numerical method is

shown at the Fig. 7.

Fig. 6. Location of the control points inside the screen.

149

Fig. 7. The typical oscillogram of the penetrating

magnetic field (numerical simulation, MK-0, CP1).

The maximal values of the impulse magnetic field,

obtained from the numerical model, are given in the

table 1.

Hybrid model

The impulse magnetic field, penetrating inside the

inhomogeneous conductive electromagnetic screen is the

overlapping of the fields, seeping the homogeneous

walls and those, leaking into the structural

inhomogeneities. The two mentioned groups of fields

have different ATP, which makes separate estimation

with analytic formulas more convenient. On the final

step those two groups of fields are to be summed at each

control point and every moment in time.

The hybrid method, developed for the rough

estimation of ATP of the magnetic field penetrating

inside the inhomogeneous screen is based on the

“Method of replacing the real orifices with the

equivalent elliptic ones” [13], which is practically

implemented in the «Screening Orifices Analytics»

software [14]. The distinctive feature of the method is

the necessity to pre-calculate the tangential component

of magnetic field on the surface of the equivalent

homogeneous screen. Such a pre-calculation is

performed with the help of the FEM, which enables the

hybrid method to be used for a wide variety of real 3D

screens of different shape.

The method can be applied only for magnetic field

penetrating through the inhomogeneities in the screen

structure. Therefore in case, when the main orifice is

covered with the homogeneous nozzle (MK-A), hybrid

method fails to calculate magnetic field inside the

screen.

Table 1 contains the maximal values of the impulse

magnetic field inside the studied screen, obtained by the

hybrid method for different nozzles. The ATP of the

magnetic field, leaking in through structural

inhomogeneities is similar to the ATP of the external

field (see Fig. 4).

Experimental results

During the measurement campaign the studied

object was places between the plates of the strip line,

generating homogeneous impulse magnetic field (see

Fig. 3). The sensor was located exactly in the control

points where the penetrating magnetic field was

homogeneous enough in respect of the sensor size.

Table 1 lists the measured results. The typical

oscillogram of the penetrating magnetic field is shown

on the Fig. 8.

Fig. 8. The typical oscillogram of the penetrating

magnetic field (MK-0, CP1).

Conclusion

Based on the results given in table 1, one can

clearly see the dependency of the difference between the

computed and measured values on the location of the

control point. Such an effect is caused by the error in

measurements due to the significant inhomogeneity of

the penetrating field in the proximity of an orifice.

The carried out comparative analysis shows that the

computation of the penetrating impulse magnetic field

with such a dimensions ratio can be done quite precisely

by the FEM – the difference between the computed and

measured results does not exceed 20%, which is close to

the measurement error.

Unlike the FEM, the hybrid method has shown

higher errors (up to 50%). This is caused by the fact, that

magnetic field is much more sensitive to the shape of the

inhomogeneities, compared to electric field. Therefore,

currently hybrid method cannot be widely implemented

for estimating magnetic field inside an inhomogeneous

screen. However its further development appears to be

reasonable as the hybrid method is not sensitive at all to

the ratio between the minimal and maximal sizes within

a model. A numerical method, in contrast, will demand

significantly higher amounts of RAM, which for some

complex screens might be impossible to fulfill.

The next steps in the development of the hybrid

method should involve the implementation of the strict

formulas instead of quite a generic one, estimating just

the magnetic field along the radius, intersecting the

screen cover in the center of the main orifice. The

improved mathematical apparatus should decrease the

error.

150

Table 1. The results of computations and measurements for the maximal values of the penetrating field

Magnetic field

Measurements

Numerical simulation

Hybrid simulation

Point

Value, А/m

Difference, %

Value, А/m

Difference, %

МК

0 (without nozzle)

21,0

19,2

14,2

45,3

109,5

+5,7

79,6

26,8

288,0

+16,7

269,4

6,4

17,4

4,6

10,6

36,7

МК

А (homogeneous screen)

2,0

1,6

2,0

1,6

МК

В (square orifice)

3,45

2,06

40,2

1,278

50,7

18,2

19,74

+8,5

11,7

15,9

МК

С (chink)

3,79

2,9

23,4

1,599

31,4

21,9

23,8

+8,7

11,539

14,2

If the hybrid method still provides better

prediction than the measured values, it is still possible

to introduce some safety factor which will guarantee a

slightly worse prediction than the real tension of the

penetrating magnetic field.

References

1. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И.

Радиоэлектронные средства и мощные

электромагнитные помехи / Под ред. В.И.

Кравченко. – М.: Радио и связь, 1987. – 256 с., ил.

2. Ивкин В.Г., Трифонов Е.Е. Методы и

средства защиты от помех в электрофизических

установках. – Л.: Препринт Г – 0533 НИИ ЭФА,

1982. – 44 с.

3. Уилльямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем

и установок. – М.: Издательский Дом

"Технологии", 2004. – 508 с.

4. Уайт Д. Электромагнитная совместимость

радиоэлектронных средств и непреднамеренные

помехи: Пер. с англ. / Вып. 3 / Под ред.

А.Д. Князева. – М.: Сов радио, 1979. – 464 с.

5. Каден Г. Электромагнитные экраны в

высокочастотной технике и технике электросвязи /

Пер. с нем. В.М. Лаврова. – М.-Л.: ГЭИ, 1957. –

327 с., ил.

6. Шваб А.Й. Электромагнитная совмести-

мость. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 423 с., ил.

7. Вычислительные методы в электродинамике

/ Под ред. Р. Митры. – М.: Мир, 1997. – 485 с., ил.

8. Численные методы теории дифракции / Сб.

статей. Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 200 с., ил.

9. Скобликов А.Ю. Результаты моделирования

процесса проникновения электрического поля

внутрь структурно-неоднородного электромагнит-

ного экрана // «Электротехника и электромеха-

ника» Научно-практический журнал. – Харьков:

НТУ «ХПИ». – 2011.

10. Скобликов А.Ю., Князев В.В. Гибридный

метод расчета влияния структурных

неоднородностей электромагнитного экрана на его

защитные свойства // 20-я Международная

Крымская конференция «СВЧ-техника и

телекоммуникационные технологии»

(КрыМиКо’2010). Севастополь, 13-17 сентября

2010 г. : материалы конф. – Севастополь: Вебер. –

2010. – С. 918-919.

11. Кравченко В.И. Молния. Электромагнит-

ные факторы и их поражающее воздействие на

технические средства. — Харьков: Изд-во —

«HTMT». 2010. — 292 c.

12. http://www.comsol.com/

13. Скобликов А.Ю. Методика оценки влияния

структурных неоднородностей электромагнитного

экрана на его защитные свойства // «Электро-

техника и электромеханика» Научно-практический

журнал. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2010. – No4 – С.

44-48.

14. А. с. №33865 Украина, Компьютерная

программа аналитического расчета влияния

структурных неоднородностей электромагнитного

экрана на его экранирующие свойства «Screening

Orifices Analytics» / А.Ю. Скобликов, В.В. Князев,

24.06.2010.