Современная электроника №8/2020

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2020 Расчёт собственного импеданса ферритовых втулок в составе электрических цепей на основе измерений во временной области Часть 1 В статье предложен метод расчёта компонент комплексного сопротивления ферритовых втулок, основанный на использовании экспериментальных данных, полученных в результате измерений во временной области с применением средств измерений компании Rohde & Schwarz. Кратко рассмотрены физика работы втулок в электрических цепях, порядок определения действительной и мнимой компонент импеданса как функций частоты. Предложены аналитические функции для аппроксимации частотных зависимостей компонент комплексной магнитной проницаемости типовых ферритовых материалов и рассмотрены типовые изменения формы импульсов при их прохождении через ферритовые втулки. Николай Лемешко (nlem83@mail.ru ), Михаил Горелкин (Mikhail.Gorelkin@rohde-schwarz.com ), Павел Струнин (Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com) Введение Современный этап развития радио- электроники характеризуется суще- ственным усложнением электромаг- нитной обстановки. Это определяется увеличением пространственной плот- ности размещения технических средств (ТС), а также смещением частот помехоэмиссии в область больших значений [1], в которых ТС, как прави- ло, обладают меньшей помехоустой- чивостью. В этой связи для обеспече- ния электромагнитной совместимости (ЭМС) на практике применяется широ- кий арсенал конструкторских и схемо- технических методов, отличающихся по стоимости реализации, эффектив- ности и степени универсальности. На сегодняшний день одним из самых распространённых способов улучшения показателей ЭМС является использование ферритовых элемен- тов, которые наиболее часто представ- лены втулками различной конфигу- рации. Такие втулки размещаются на одиночных и многожильных проводах, шлейфах, а в обоснованных случаях – и на экранирующих и коаксиальных кабелях. Принцип действия феррито- вых фильтрующих элементов широко освещён в литературе, например [2], и состоит в создании повышенного пол- ного сопротивления при протекании некомпенсированных токов за счёт вза- имодействия формируемого ими маг- нитного поля с ферритом. Ферритовые втулки (ФВ) предназначены для умень- шения помехонесущих токов синфаз- ного типа, а помехи дифференциаль- ного типа ослабляются существенно хуже, что определяется почти полной компенсацией магнитных полей для встречных токов, протекающих в близ- ко расположенных проводниках. Как и любые другие технические решения, применение ферритовых элементов должно быть обоснован- ным. Обладая нелинейной зависимо- стью полного сопротивления от часто- ты, ферритовые втулки в ряде случаев способны оказывать недопустимо боль- шое влияние на полезные сигналы, в особенности цифровые, вызывая нару- шение их информационной целостно- сти. Не менее важным вопросом явля- ется сопоставление ФВ разных типов по эффективности ослабления помех в заданной полосе частот, что необхо- димо для рационального их приме- нения в технических средствах. Вви- ду этого важным вопросом практики является оценка собственных свойств ФВ, в первую очередь – зависимостей действительной и мнимой части пол- ного сопротивления от частоты [3]. Как правило, в информационных листах на ФВ отсутствует детальная информа- ция такого рода. В некоторых случаях приводится лишь зависимость полно- го импеданса от частоты. Однако неиз- вестность фазовых характеристик не позволяет решать обозначенные выше задачи. Кроме того, зачастую на кон- кретном образце ФВ отсутствует марки- ровка, что вовсе делает невозможным определение типа фильтра и получе- ние справочной информации. Таким образом, вопрос о получе- нии точной информации о собствен- ных свойствах ФВ как элементов элек- трических цепей остается открытым и настоятельно требующим решения. Физика работы ферритовых втулок в электрических цепях Согласно принятой классификации [4], ферриты, применяемые в качестве фильтрующих элементов, относят к высокочастотным материалам с поло- сой рабочих частот до 1 ГГц. Для соз- дания ФВ с охарактеризованной выше областью применения используются только магнитомягкие ферриты, что обеспечивает малые потери на пере- магничивание и сохранение больших значений относительной магнитной проницаемости μ в магнитных полях невысокой напряжённости, характер- ных для типовых синфазных помехо- несущих токов. Ферриты отличают- ся существенно меньшей индукцией насыщения по сравнению с электро- технической и специализированной сталью, причём достижение насыще- ния характеризуется падением |μ| до значения порядка единицы. Поэтому в типовом случае ФВ применяются для повышения полного импеданса в цепях со сравнительно небольшим значением некомпенсированного тока. Для фер- ритов действует ряд ограничений по воздействию повышенной температу- ры и механических напряжений, кото- рые должны учитываться при выборе условий эксплуатации [5]. Ферриты имеют структуру, во мно- гом схожую с керамикой, и являют- ся диэлектриками, но с понижен- ным электрическим сопротивлением.