Sistemas de revestimiento multicapa CEM

Nuevos sistemas de revestimiento CEM que utilizan conceptos multicapa para mejorar la eficacia del apantallamiento en el futuro en la gama de frecuencias de 2 MHz a 1,4 GHz - simulación y medición

1. introducción

Todas las carcasas metálicas técnicas, apantallamientos de cables, carcasas de conectores y chapas metálicas que utilizan revestimientos convencionales de cobre metálico tienen una gran desventaja. Aunque en la práctica se produce una buena atenuación de apantallamiento básica de las estructuras finales, no ocurre lo mismo en toda la gama de frecuencias. Según Schwab/Kürner, en la gama de frecuencias de resonancia de las geometrías prácticas, incluso con revestimientos conductores CEM, tenemos que hacer frente a "catástrofes de resonancia" [1], en las que la atenuación de apantallamiento se desploma significativamente. Todos los revestimientos CEM actuales aplicados a estructuras prácticas presentan este efecto. Este problema se explica a continuación utilizando una envolvente metálica con un revestimiento exterior metálico.Fig. 1: Atenuación de apantallamiento S de una envolvente en dB en función de la frecuencia, apantallamiento máximo a - 80 dB, atenuación de apantallamiento mínima a 0 dB [4].

Las resonancias teóricas de un recinto metálico se muestran en la Tabla 1.

Con estas auténticas "catástrofes de resonancia", la atenuación de apantallamiento se desploma hasta los 5 dB en torno a los 250 MHz. Este efecto de disminución de la atenuación de apantallamiento y de los mínimos de resonancia es una desventaja de todas las envolventes metálicas y corresponde aproximadamente a una envolvente con revestimiento de Cu de todos los proveedores. Esto significa que todas las estructuras prácticas conductoras de laca tienen la desventaja de una disminución de la atenuación de apantallamiento.

Este problema debe remediarse. En la tarea a resolver de mejorar la atenuación de apantallamiento de las estructuras de lacado conductoras, como una carcasa metálica, se plantea la siguiente hipótesis:

Utilizando una nueva variante de apantallamiento de laca multicapa con una sencilla ampliación del producto, se pueden mejorar notablemente los valores de atenuación de apantallamiento de estas nuevas estructuras técnicas (carcasas, cables, conectores, chapas parciales) del futuro.

A continuación, se propone al usuario una solución que utiliza un nuevo tipo de sistema de lacado CEM desde un punto de vista teórico y práctico.

2 Simulación teórica

El problema técnico tratado en el capítulo 1 se resolvió teóricamente mediante una simulación analítica.

Para la simulación de las multicapas de pintura se seleccionaron los siguientes valores iniciales(Tabla 2):

Fig. 2: Atenuación de apantallamiento de las dos multicapas en función del espesor de la capa a una frecuencia de 200 MHz

Para el cálculo de la atenuación de apantallamiento S [0] se aplica lo siguiente.

T es el coeficiente de transmisión total y se calcula utilizando :

_tn es el espesor de la capa respectiva y P puede determinarse como sigue:

ηn es la impedancia interna respectiva de la capa. Para determinarla, es importante saber de qué tipo de capa se trata.

Para un barniz absorbente se aplica lo siguiente:

y para un polímero de recubrimiento conductor:

σn es la conductividad eléctrica, que se puede encontrar en la Tabla 2 anterior. La permeabilidad μn [2] de todas las capas también se puede encontrar en la Tabla 2. Para la frecuencia f se eligió 2 MHz. El símbolo γn ya aparece en la fórmula (2), así como en la fórmula (4a). Representa la constante de propagación de la capa correspondiente y puede calcularse como sigue:

El último valor que falta es el coeficiente de reflexión q. Su fórmula es la siguiente:

La herramienta sirve para hacer predicciones sobre el comportamiento y las indicaciones de la multicapa, que luego se validan mediante mediciones posteriores.

Según los resultados de la simulación, el cambio de los parámetros de las capas absorbentes de pintura sólo tiene un efecto menor en la cantidad de atenuación del apantallamiento. Esto debe hacerse principalmente con las capas de polímero de barniz. Aquí, el aumento del grosor de la capa muestra una mayor mejora en el efecto de atenuación del apantallamiento que con la conductividad.

En el caso de un multicapa de dos capas, la capa absorbente debería ir en primer lugar, empezando por la fuente de interferencia, seguida de la capa de barniz del polímero conductor (véase la Fig. 3). Basándose en esto, la disposición de la figura 4 resulta para la multicapa de cuatro capas.

Sin embargo, el efecto de los absorbentes en la compensación de resonancia no puede considerarse en la simulación. Esto debe hacerse en ensayos prácticos. Aquí también influye el efecto de los absorbedores. Cuanto mayor sea, mayor deberá ser la compensación de las resonancias. Los resultados de la simulación también muestran que el efecto de atenuación del apantallamiento aumenta en proporción a la frecuencia del campo electromagnético externo.

Fig. 3: Estructura recomendada de la multicapa de dos barnices

Fig. 4: Estructura recomendada de la multicapa de cuatro barnices

3 Primeras pruebas experimentales con un nuevo tipo de revestimiento multicapa CEM

En un primer ensayo experimental, IMG ha desarrollado su propio sistema multicapa de lacado (según las especificaciones de la simulación teórica). Este sistema de lacado sugiere un efecto práctico positivo. Se utilizó un conector metálico como aplicación básica. A éste se le aplicó la laca multicapa mediante las técnicas más sencillas. El objetivo de los experimentos es comparar la emisión de interferencias del conector antiguo con la del nuevo conector con el nuevo sistema de lacado multicapa CEM. Las mediciones de la emisión de interferencias se realizaron de acuerdo con la norma VG 95373/T15 en la gama de frecuencias de 1100 MHz - 1400 MHz en la cámara anecoica electromagnética. La figura 5 muestra la curva de emisión de la intensidad de campo del conector desnudo sin revestimiento de laca, la antena sin conector y el conector con el nuevo revestimiento de laca CEM. Como resultado de la aplicación del nuevo sistema de lacado, se puede observar la intensidad de campo eléctrico emitido de la antena transmisora (curva azul). El efecto del conector con la antena transmisora se muestra en naranja y el efecto del conector con el recubrimiento multicapa se muestra en gris. La reducción de la intensidad de campo por el conector y por el conector más la multicapa de revestimiento CEM es de al menos 5 dB. Así pues, se ha demostrado experimentalmente el efecto positivo del nuevo revestimiento CEM.

Fig. 5: Emisión de intensidad de campo en un conector con y sin capas innovadoras de apantallamiento de laca y en la antena transmisora

4. resumen

El resumen presenta información de diseño sobre la configuración de capas del novedoso barniz multicapa para mejorar la atenuación del apantallamiento.

Reglas para la configuración óptima de las capas

• R1: La atenuación de apantallamiento puede mejorarse principalmente aumentando el espesor de capa de los polímeros conductores.
• R2: Se puede conseguir una mayor eficacia de apantallamiento con una multicapa de cuatro capas en la disposición absorbente - polímero conductor - absorbente - polímero conductor.
• R3: Una mejora de la multicapa de dos capas en comparación con la multicapa de cuatro capas sólo puede conseguirse aumentando el grosor de las capas.
• R4: Siempre debe tenerse en cuenta la influencia de los valores del material absorbente debido a la compensación de resonancia.

Limitación

Todas las afirmaciones realizadas en este informe son el resultado de simulaciones. Su exactitud debe verificarse mediante mediciones prácticas. Pretenden ser una recomendación para el diseño de las multicapas de dos y cuatro unidades. Los valores de atenuación de apantallamiento de este informe son puramente teóricos. Nunca podrán alcanzarse en la práctica o deberá determinarse un factor de corrección mediante ensayos prácticos. Los valores seleccionados para las capas absorbentes y el polímero conductor se han tomado de Internet y pretenden reflejar en cierta medida la realidad. Se recomienda al usuario que facilite los valores de los materiales utilizados por él para poder hacer afirmaciones sobre los mismos con el programa de simulación creado. El programa de simulación no puede tener en cuenta la aparición de posibles resonancias, ya que la simulación es un análisis teórico de campo de sistemas de placas planas. Estas resonancias deben ser compensadas principalmente por los absorbedores. El alcance de este efecto aún debe verificarse mediante mediciones prácticas. Las propiedades de los materiales, como las microestructurales, no se tienen en cuenta en el programa. Por lo tanto, al final del documento se puede afirmar que IMG ha desarrollado un concepto básico para un nuevo tipo de concepto multicapa para un sistema de revestimiento CEM, que también ha construido él mismo. En el futuro, IMG seguirá optimizando el innovador sistema de revestimiento multicapa CEM con respecto a una gama de frecuencias más amplia y una estructura de revestimiento mejorada.

Bibliografía

[0] Leute, U.: Plásticos y EMC. Compatibilidad electromagnética con plásticos conductores. Contact & Stu Volumen 678 Renningen: expert verlag (2016)
[1] Schwab; A., Kürner; W.: Compatibilidad electromagnética, 6ª edición, Springer/ VDI Verlag, (2011), ISBN 978-3-642-16610-5, p. 258.
[2] Aron Tesfalem Berhe, Frank Gräbner: Influencias en el apantallamiento. hf-praxis (2020), 3, p.34-37.
[3] Bronstein, Semendiajew, Musiol, Mühlig: Taschenbuch der Mathematik, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, (2013).
[4] Informe final MATECH "Passive Protection - New Materials New materials and technologies for effective passive electromagnetic protection to increase the reliability and environmental compatibility of electrotechnical/electronic systems and visualisation/visualisation of electromagnetic energies", proyecto BMBF de IMG (2001), 1, FZ Jülich.