E.M.I. Shield e Grounding: analisi applicata ai sistemi di...

Maggio 1996

SCHERMI - 1 Copyright: si veda nota a pag. 2

E.M.I. Shield e Grounding:analisi applicata ai sistemi di

cablaggio strutturato

Tecniche di schermatura

Pier Luca [email protected]

Maggio 1996


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Obiettivi di una schermatura

Ridurre lenergia elettromagnetica incidentedallesterno su un sistema vittima

Ridurre lenergia elettromagnetica irradiatada un sistema sorgente

In condizioni normali vale la reciprocità deidue problemi (medesima efficacia dello stessoschermo in entrambi i casi)

Efficacia di una schermatura:

SEpotenza incidente

potenza trasmessadB =

10log

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Funzionamento di uno schermo

Si basa sulla combinazione di due fenomeni:

riflessione

assorbimento

La riflessione è dovuta alla discontinuità diimpedenza del mezzo attraverso cui londa

elettromagnetica si propaga (per esempio nelpassaggio dallaria al metallo)

Lassorbimento è dovuto alla capacità delmezzo (lo schermo) di dissipare lenergia

elettromagnetica dellonda che lo attraversa

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AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA







HZ

EY

onda incidente

onda riflessa

HZ

EY

barriera di metallo

HZ

EY

HZ

EY

HZ

EY

onda trasmessa

onda trasmessa attenuata

onda riflessa internamente

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onda incidente

riflessione principale

barriera di metallo

assorbimento

onda trasmessa attenuata

riflessioni secondarie

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Riflessione Diagramma dellimpedenza di unonda

elettromagnetica:

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Riflessione

Ogni metallo omogeneo è caratterizzato dauna grandezza detta impedenza intrinseca:

dove: σσ = conducibilità, µµ = permeabilità

magnetica, εε = costante dielettrica

Nellaria σσ è molto bassa, e in particolare σσ << ωεωε:

Zj

jj =+ωµ

σ ωε

Zariaaria

aria

= = = =µε

µε

π0

0

120 377Ω

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Riflessione

Per i metalli, σσ >> ωεωε, e quindi:

(σσr e µµ

r conducibilità e permeabilità relative

rispetto al rame)

Per il rame:

Zf

metallor MHz

r

( ) .Ω = ⋅⋅−3 69 10 4 µσ

Z MHz

Z GHz

Cu

Cu

= ⋅

= ⋅

−

−

3 69 10 1

3 69 10 10

4

2

. @

. @

Ω

Ω

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Riflessione

Attenuazione ottenibile nel caso di ondeelettromagnetiche ad alta impedenza

(prevalenza del campo elettrico):

(r distanza dello schermo dalla sorgente)

R dBf rr MHz

r

( ) . log= −

1417 10

3 2µσ

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Riflessione

Attenuazione ottenibile nel caso di ondeelettromagnetiche a bassa impedenza

(prevalenza del campo magnetico):

(r distanza dello schermo dalla sorgente)

R dBf r

r

MHz r

( ) . log= −

74 6 10

2

µσ

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Riflessione

Attenuazione ottenibile nel caso di ondeelettromagnetiche piane (campo lontano):

R dBfr MHz

r

( ) . log= −

1081 10

µσ

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Effetto pelle

Alle frequenze elevate la corrente tende ascorrere soltanto sulla superficie dei

conduttori

Si definisce profondità di pelle (δδ) lo spessore

di un metallo in cui scorre (1-1/e) cioè il

63.2% della corrente totale

Se lo spessore dello schermo è t >> 3δδ,

leffetto pelle è trascurabile (in 3δδ scorre il95% della corrente)

Per il rame, a 10 MHz, δδ = 0.05 mm

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Riflessioni secondarie

Se lo schermo è molto sottile e lassorbimento

non è elevato, londa riflessa internamentepuò sommarsi costruttivamente (in fase) o

distruttivamente (in controfase) con londatrasmessa in uscita dalla superficie interna

dello schermo

Tale onda, però, transita due volte attraversolo schermo, e quindi viene attenuata due volte

Il fenomeno è quasi sempre trascurabile,tranne quando lo spessore dello schermo è

inferiore a δδ E` importante considerarlo per schermature

tramite vernici

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Assorbimento

Per i metalli, lattenuazione per assorbimento

vale:

(σσr e µµ

r conducibilità e permeabilità relative

rispetto al rame)

A dB mm fMHz r r( / ) .= 1314 µ σ

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Assorbimento

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Assorbimento

Landamento dellassorbimento al crescere

della frequenza è legato alleffetto pelle: lacorrente indotta scorre soltanto sulla

superficie esterna dello schermo, e nonpenetra allinterno

Alle basse frequenze schermi di spessore

inferiore a 0.2 mm non presentanoassorbimento significativo, e lunico effetto di

schermatura è dovuto alla riflessione, cherichiede unelevata conducibilità

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Efficacia della schermatura

A frequenze elevate è importante

lassorbimento introdotto da uno schermometallico conduttore

A frequenze basse, per onde

elettromagnetiche ad alta impedenza, è

importante la riflessione introdotta da unoschermo metallico, che presenta impedenza

intrinseca molto bassa

A frequenze basse, per onde

elettromagnetiche a bassa impedenza,lattenuazione ottenibile non è molto elevata

(è il caso di coppie vicine di conduttori)

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Effetto combinato di assorbimento e riflessione per schermo in rame

da 25 µµm alla distanza di 1 m - (a) foglio continuo, (b) treccia

Efficacia della schermatura

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Considerazioni pratiche

Quanto visto finora vale per schermiinfinitamente lunghi o per involucricompletamente sigillati. Nella pratica isistemi sono molto più imperfetti.

Dal punto di vista del cablaggio strutturatointeressano in particolare le tecniche direalizzazione di cablaggi in cavo schermato:

schermature dei cavi

connettori

geometria del sistema

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Impedenza di trasferimento

Anche per i cavi schermati si può definire lagrandezza efficacia della schermatura

Poichè il conduttore (o i conduttori)allinterno dello schermo si comportano daantenna ricevente, la definizione diventa:

SE dBV

V

E

E

H

H

indotta senza schermo

indotta con schermo

senza schermo

con schermo

senza schermo

con schermo

( ) log

log log

= =

= =

20

20 20

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La SE così definita, però, non è facilmentemisurabile:

la tensione misurata dipende daiconnettori agli estremi del cavo

richiede due cavi identici, tranne che perla schermatura, disposti, in sequenza, inmodo assolutamente identico allinternodel campo elettromagnetico di prova

Per poter effettuare misure accurate eripetibili si introduce il concetto diimpedenza di trasferimento

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E` definita come rapporto tra la correnteindotta sulla superficie esterna dello schermoe la tensione che si sviluppa sulla superficieinterna:

ZV

Iti

s

( )Ω ∆∆

=

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Metodo di misura:

Nota: il valore di Zt è normalizzato rispetto ad

uno schermo di 1 m di lunghezza

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Poiché la tensione indotta è proporzionale aZ

t, minore è Z

t, migliore è il cavo

A frequenze inferiori a 100 KHz èpraticamente uguale alla resistenza dello

schermo in corrente continua

A seconda del tipo di schermo, può dipendere

moltissimo dalla storia del cavo (es. piegheraddrizzate, ecc.)

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Relazione tra SE e Zt

Ammettendo alcune semplificazioni, si ha:

dove: Z01

(ΩΩ ) è limpedenza caratteristica

della linea schermata rispetto a terra, Ztx

è

limpedenza di trasferimento (ΩΩ /m) delloschermo, e l (m) è la lunghezza

SE dB Z Z ltx( ) log log( )= − ⋅20 2001

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Tipi di schermature per cavi

La schermatura in un cavo è sempre ilrisultato di un compromesso tra i seguenti

fattori:

efficacia dello schermo

efficacia nella trasmissione dei segnali

robustezza meccanica alla trazione

flessibilità e robustezza allinstallazione

stabilità delle caratteristiche nel tempo

maneggevolezza, facilità di installazione

facilità di manutenzione

costo

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Tipi di schermature per i cavi

- coppie schermate singolarmente- coppie schermate a gruppi- schermatura unica per tutto il cavo

schermi

quantità tipo materiali

filo di drain

strato singolo

multistrato

strati in contatto elettrico

strati isolati

- tubo rigido- nastro longitudinale- nastro a spirale- foglio di alluminio

- treccia

accorgimenti particolari:- giunture- fessure

- sovrapposizioni- pieghe di corto circuito

omogenei:

- rame- alluminio- acciaio

- argento- mumetal- leghe amorfe

- plastiche conduttive

compositi:

- acciaio placcato in rame- alluminio placcato in rame- rame stagnato

- rame placcato argento

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Tubo metallico rigido

Impiegabile come canalina a muro

Elevata schermatura

Alle basse frequenze non si verifica leffetto

pelle, e lattenuazione è dovuta

esclusivamente alla conducibilità

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Calza a spirale

Produce campi magnetici longitudinali nei

conduttori interni

Pessime prestazioni alle alte frequenze

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Calza intrecciata (braid)

Lefficacia della schermatura dipende:

alle basse frequenze dalla resistenza incorrente continua

alle alte frequenze dalleffetto delle spireintrecciate (come per la calza a spirale) e

dalla percentuale di copertura

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Calza intrecciata

La calza intrecciata presenta sempre delle

aperture attraverso cui il campo

elettromagnetico può irradiarsi

Lalternanza dei fili della calza dalla superficieallinterno e viceversa riduce i benefici

delleffetto pelle, portando direttamente la

corrente indotta in prossimità dei conduttoriinterni

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Foglio di alluminio (foil)

Si tratta di un sottile nastro metallico avvoltolongitudinalmente o a spirale attorno ai

conduttori interni

In alternativa allalluminio si usano, talvolta,

rame, leghe magnetiche o plasticheconduttrici

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Foglio di alluminio

Il sottile foglio è fragile, e normalmente èsaldato al rivestimento del cavo o laminato su

un nastro di poliestere per fornire una

sufficiente resistenza meccanica. Nonostantequesto, può rompersi se non viene rispettato

il raggio minimo di curvatura previsto per ilcavo

La resistenza in corrente continua è elevata,ed è necessario un filo di drain per

garantire la continuità elettrica

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Foglio di alluminio

Sovrapponendo due lembi del foglio siottiene una copertura quasi totale:

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Foglio di alluminio

Si possono

utilizzare tecnichedi sovrapposizione

più sofisticate:

Zfold Belden

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Schermature combinatefoglio-calza

Ne esistono di tipi diversi

Offrono una schermatura ottimale su

unampia gamma di frequenze

foglio/calza

foglio/calza/foglio

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Linee bilanciate e sbilanciate:il ruolo dello schermo

Linee sbilanciate: lo schermo è un conduttore

attivo, porta la corrente di ritorno allasorgente

Linee bilanciate: lo schermo ha soltanto un

ruolo protettivo

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Lo schermo deve semprecircondare entrambi i conduttoriche portano il segnale

NO!

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Connettori

La terminazione dei cavi è sempre il puntodebole delle schermature

Le caratteristiche dei cavi sono normalmenteriferite ad installazioni ideali

In realtà bisogna considerare:

limpedenza del collegamento connettore-

schermo

la capacità di schermatura totale delconnettore

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Connettori

Consideriamo 0.75 m di calza di rame (3 mΩΩ/m)

Valore tipico della resistenza di contatto di una

crimpatura: 0.5 mΩΩ Valore tipico della resistenza di contatto del

connettore avvitato a mano (maschio confemmina): 3 mΩΩ

Totale (considerando le due terminazioni):

2 x (0.5+3) = 7 mΩΩ

Resistenza della calza di rame:

0.75 x 3 = 2.25 mΩΩ

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Connettori

Terminazioni improprie possono causare EMImaggiore che se non ci fosse lo schermo

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Invecchiamentodei cavi

Zt peggiora da 5

a 30 volte in 10anni, con unvalor medio di10 volte (25%,cioè 2 dB / anno)

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