Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată
Contribuții privind conceperea și testarea
materialelor hibride pentru ecranarea
electromagnetică în construcții
-REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT -
Conducător ştiinţific: Doctorand:
Prof.dr.ing. CRISTINA MIHAELA SCHREINER Ing. ȘTEFAN CRISTIAN MACOVEI
IAȘI, 2017
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
2
CUPRINS
INTRODUCERE ............................................................................................................. 6
Capitolul 1. STANDARDE PRIVIND EXPUNEREA LA CÂMPURI ELECTROMAGNETICE ........................ 9
Capitolul 2. PROIECTAREA ŞI REALIZAREA SISTEMELOR DE ECRANARE CU CONFIGURAŢII
PERSONALIZATE ŞI PROPRIETĂŢI ELECTROMAGNETICE PREDEFINITE ...................................... 31
2.1. Principii teoretice privind proiectarea de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate
şi proprietăţi electromagnetice predefinite ............................................................................. 31
2.2 Parametrii anizotropici ..................................................................................................... 32
2.3 Tipuri de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţile lor
electromagnetice predefinite .................................................................................................. 32
2.4 Forma constructivă a sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţi
electromagnetice predefinite .................................................................................................. 34
2.5 Eficacitatea ecranării (EE) ............................................................................................... 35
2.6 Modelarea matematică a sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţi
electromagnetice predefinite .................................................................................................. 36
CAPITOLUL 3. MODELAREA STRUCTURILOR SISTEMELOR DE ECRANARE CU AJUTORUL SOFWARE-ULUI
PROFESIONAL DE PROIECTARE GRAFICĂ SOLIDWORKS ......................................................... 38
3.1 Prezentarea programului SolidWorks ............................................................................... 38
3.2 Modelarea structurilor sistemelor de ecranare cu ajutorul sofware-ului profesional de
proiectare grafică ................................................................................................................... 39
3.3 Prezentarea în detaliu a sistemelor de ecranare realizate cu ajutorul sofware-ului
profesional de proiectare grafică ............................................................................................ 41
CAPITOLUL 4. OPTIMIZAREA PROPRIETĂŢILOR DE ECRANARE ELECTROMAGNETICĂ PRIN ADAPTAREA
DIMENSIUNILOR ȘI A ARHITECTURII SISTEMELOR DE ECRANARE .............................................. 44
4.1 Optimizarea proprietăţilor mecanice ............................................................................... 44
4.2 Optimizarea proprietăţilor termice ................................................................................... 75
4.3 Concluzii ......................................................................................................................... 85
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
3
CAPITOLUL 5. REALIZAREA MODELELOR EXPERIMENTALE DE SISTEME DE ECRANARE CU
CONFIGURAŢII PERSONALIZATE ŞI PROPRIETĂŢI ELECTROMAGNETICE PREDEFINITE, UTILIZÂND
STRUCTURI COMPOZITE NANOCONDUCTIVE SUB FORMĂ DE FILME DE DIFERITE GROSIMI DE PÂNĂ LA
4 MM ....................................................................................................................... 88
5.1 Alegerea straturilor absorbante în sistemele de ecranare cu configuraţii personalizate ...... 88
5.2 Transmisia și reflexia undelor la frontiera unui material .................................................. 89
5.3 Propagarea undelor în absorbanţi ..................................................................................... 93
5.4 Reducerea reflexiei ......................................................................................................... 95
5.5 Tipuri de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate .............................................. 96
5.5.1 Ecranul Salisbury ............................................................................................................ 96
5.5.2 Straturile Jaumann ........................................................................................................... 98
5.5.2.1 Proiectarea planului maxim ........................................................................................... 98
5.5.2.2 Proiectarea Chebyshev (cu riplu-egal)............................................................................ 99
5.5.2.3 Metoda gradientului ..................................................................................................... 100
5.6 Circuit echivalent pentru sistemele de ecranare absorbante............................................. 101
5.7 Metode numerice utilizate pentru optimizarea sistemelor de ecranare cu configuraţii
personalizate ....................................................................................................................... 102
5.8 Descrierea unor metode de optimizare a sistemelor de ecranare cu configuraţii
personalizate ....................................................................................................................... 103
5.8.1 Metoda diferenţelor finite în domeniul timp (FDTD) ...................................................... 103
5.8.2 Metoda momentelor (MOM) .......................................................................................... 106
5.8.3 Exemplu de optimizare a sistemelor de ecranare folosind tehnici numerice ..................... 107
5.9 Proiectarea optima a sistemelor de ecranare absorbante în bandă largă ce au integrate
structuri metalice rezistive .................................................................................................. 110
5.10 Definirea procedurilor de testare pentru omologare și recomandări tehnice pentru
aplicaţiile intersectoriale propuse ........................................................................................ 113
5.10.1 Aplicaţiile intersectoriale propuse ................................................................................ 113
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
4
5.10.2 Definirea procedurilor de testare electromagnetică ........................................................ 114
5.10.3 Definirea procedurilor de testare pentru construcţii ....................................................... 118
CAPITOLUL 6. REALIZAREA STANDULUI PENTRU TESTAREA EFICACITĂŢII DE ECRANARE
ELECTROMAGNETICĂ ÎN SECTORUL DE CONSTRUCŢII .......................................................... 121
6.1 Proceduri de testare a eficacităţii de ecranare electromagnetică ..................................... 121
6.1.1 Testarea gradului de absorbție (eficacitatea ecranării) - Principii .................................... 122
6.1.2 Măsurători în medii de testare controlate ........................................................................ 122
6.1.3 Măsurători în spaţiu liber în domeniul frecvenţă ............................................................. 123
6.1.4. Sistem de măsurare concentrat în câmp deschis ............................................................. 125
6.1.5 Măsurători în spaţiu liber în domeniul timp .................................................................... 126
6.1.6 Configurarea măsurătorilor ............................................................................................ 127
6.1.7 Îmbunătățirea măsurătorilor preliminare ......................................................................... 127
6.1.7.1 Măsurătorile pentru un panou cu structură Salisbury .................................................... 127
6.1.7.2 Eliminarea reflexiilor parazite ...................................................................................... 127
6.1.7.3. Eliminarea difracției ................................................................................................... 128
6.2 Procedura și standul utilizat pentru testarea eficacităţii de ecranare electromagnetică în
sectorul de construcţii .......................................................................................................... 128
6.2.1 Configurarea de referință pentru antenele horn pentru frecvenţe de peste 1 GHz ............. 128
6.2.2 Procedura de măsurare pentru înaltă frecvență ................................................................ 129
6.2.3 Efectuarea de măsurători preliminare .............................................................................. 131
6.2.4 Sisteme de măsurare a eficacităţii ecranării electromagnetice.......................................... 131
6.3 Modele experimentale pentru ecranarea electromagnetică în sectorul de construcţii ....... 133
CAPITOLUL 7. TESTAREA PROPRIETĂŢILOR DE ECRANARE ELECTROMAGNETICĂ ALE MODELELOR
EXPERIMENTALE........................................................................................................ 143
7.1 Testarea proprietăţilor complexe ale modelelor experimentale de sisteme de ecranare
utilizate pentru ecranarea electromagnetică ......................................................................... 143
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
5
7.1.1 Testarea proprietăţilor mecanice ..................................................................................... 143
7.1.2 Testarea proprietăţilor termice ....................................................................................... 147
7.1.3 Testarea proprietăţilor de ecranare electromagnetică ...................................................... 149
Concluzii finale şi contribuții personale ......................................................................... 166
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
6
MULȚUMIRI
Adresez distinse mulţumiri doamnei prof. univ. dr. ing. cristina mihaela schreiner pentru
sprijinul şi înţelegerea acordată pe parcursul celor trei ani de studii doctorale, ce m-au format din
punct de vedere ştiinţific prin realizarea prezentei teze.
Mulțumesc mult si colegilor de la S.C. All Green S.R.L., cu care am colaborat şi care mi-
au asigurat sprijinul logistic pentru majoritatea măsurătorilor şi testelor efectuate.
De asemenea mulțumesc mult şi familiei care m-a susținut pe perioada acestor studii şi
mai ales mulțumesc sotiei mele Andreea cu care m-am consultat în tehnoredactarea acestei teze.
Simularea proprietăților materialelor utilizate în cadrul tezei s-a realizat cu sprijinul
proiectului NANO-REV-EM-ASAM, PROGRAMUL OPERAŢIONAL COMPETITIVITATE
2014-2020, ID P_37_757, cod my SMIS: 104089, contract nr. 119/16.09.2016.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
7
INTRODUCERE
În zilele noastre, în fiecare zi suntem preocupați de dispozitivele IT, cum ar fi PDA-uri,
telefoane mobile, laptop-uri, etc., atât direct, cât și indirect. Aceste dispozitive pot fi folosite
pentru a trimite sau pentru a primi informații la sau de la distanță mare. Din acest motiv,
dispozitivele noastre pot fi, de asemenea, în timpul lucrului deranjate în acest mediu
electromagnetic. Eliminarea sau atenuarea perturbațiilor se poate face prin ecranarea zonei
sensibile. Un design excelent al unei camere sau structuri de clădire poate oferi o eficacitate de
ecranare excelentă (SE). Utilizarea de materiale, care oferă proprietăți de ecranare mai bune,
poate crește SE sau reduce semnalele perturbatoare.
Electrosmogul se referă la toate radiațiile electromagnetice create de om și prezente în
mediul nostru înconjurător. Electrosmogul a devenit o preocupare majora și de sănătate
publică. Scopul nostru este de a crea un mediu de viață sau de muncă sănătos și sigur, atunci nu
putem realiza acest lucru fără a lua măsuri preventive împotriva electrosmogului.
Câmpurile de radiofrecvență (RF) sunt câmpuri de înaltă frecvență și sunt emise de
sisteme wireless, cum ar fi turnuri de celule, routere Wi-Fi și telefoane mobile. Numărul de
dispozitive wireless pe care le folosim este în creștere în mod dramatic.
Reducerea sau atenuarea câmpurilor electromagnetice de frecvență radio se realizează
prin îndepărtarea sursei sau cu ajutorul aplicațiilor de ecranare. Îndepărtarea sursei este cel mai
eficient mod, dar nu este întotdeauna posibil. De exemplu, mutarea telefoanelor mobile sau a
routerelor wireless departe de zonele de expunere prelungită, cum ar fi birouri sau dormitoare.
Ecranarea câmpurilor electromagnetice RF este realizată prin aplicarea diferitelor
materiale conductoare de electricitate la suprafețe. O varietate de materiale diferite sunt
disponibile pentru câmpuri de ecranare, cum ar fi ochiuri de plasă de sârmă, materiale textile,
filme, acoperiri și foi speciale de metal. Eficacitatea materialelor de ecranare este dată de
procentajul de reducere dintre valorile înregistrate înăinte și după și este exprimată profesional în
dB de reducere. Gradul de reducere depinde de frecvențele și câmpurile prezente, infiltrările de
proiectare a construcției și fezabilitate.
Un număr mare de materiale de ecranare RF de consum sunt acum disponibile pe piață.
Pentru a proteja cu succes o clădire împotriva câmpurilor electromagnetice, este important să se
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
8
obțină o serie de date cum ar fi: ce tip de câmpuri sunt prezente, care sunt frecvențele și
amplitudinea și care este obiectivul de design.
Teza este structurată pe 7 capitole, precedate de o Introducere şi la final un capitol cu
Concluzii finale şi contribuții personale.
Capitolul 1 - Standarde privind expunerea la câmpuri electromagnetice, în care sunt
prezentate recomandările 1999/519/EC din 12 iulie 1999 privind reducerea expunerii publicului
la câmpuri electromagnetice (0 - 300 GHz) și a Directivei 2013/35/UE a Parlamentului
European și a Consiliului din 26 iunie 2013 privind cerințele minime de sănătate și securitate cu
privire la expunerea lucrătorilor la riscuri ce sunt generate de către câmpurile electromagnetice.
Capitolul 2 – Proiectarea şi realizarea sistemelor de ecranare cu configuraţii
personalizate şi proprietăţi electromagnetice predefinite, unde sunt prezentate principiile
teoretice privind proiectarea de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţi
electromagnetice predefinite, parametrii anizotropici, tipuri de sisteme de ecranare cu
configuraţii personalizate şi proprietăţile lor electromagnetice predefinite, forma constructivă a
sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţi electromagnetice predefinite,
eficacitatea ecranării (EE) și modelarea matematică a sistemelor de ecranare cu configuraţii
personalizate şi proprietăţi electromagnetice predefinite.
Capitolul 3 – Modelarea structurilor sistemelor de ecranare cu ajutorul sofware-ului
profesional de proiectare grafică solidworks, în acest capitol este prezentat programul
SolidWorks, modelarea structurilor sistemelor de ecranare cu ajutorul acestui sofware și sunt
prezentate în detaliu sistemele de ecranare realizate cu ajutorul sofware-ului profesional de
proiectare grafică.
Capitolul 4 Optimizarea proprietăţilor de ecranare electromagnetică prin adaptarea
dimensiunilor și a arhitecturii sistemelor de ecranare, în acest capitol sunt prezentate
simularile de optimizare pentru o serie de proprietăți ale celor 2 plăci cu ajutorul software-ului
SolidWorks.
Capitolul 5 – Realizarea modelelor experimentale de sisteme de ecranare cu
configuraţii personalizate şi proprietăţi electromagnetice predefinite, utilizând structuri
compozite nanoconductive sub formă de filme de diferite grosimi de până la 4 mm, în acest
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
9
capitol este stabilit modul de alegere al straturilor absorbante în sistemele de ecranare cu
configurații personalizate, este analizată transmisia și reflexia undelor la frontiera unui material,
propagarea undelor în absorbanţi, reducerea reflexiei, sunt analizate tipurile de sisteme de
ecranare cu configuraţii personalizate, este prezentat circuitul echivalent pentru sistemele de
ecranare absorbante și câteva metode numerice utilizate pentru optimizarea sistemelor de
ecranare cu configuraţii personalizate, sunt descrise unele metode de optimizare a sistemelor de
ecranare cu configuraţii personalizate, este prezentată proiectarea optimă a sistemelor de
ecranare absorbante în bandă largă ce au integrate structuri metalice rezistive și sunt definite
procedurile de testare pentru omologare și recomandări tehnice pentru aplicaţiile intersectoriale
propuse.
Capitolul 6 – Realizarea standului pentru testarea eficacităţii de ecranare
electromagnetică în sectorul de construcţii, unde sunt prezentate procedurile de testare a
eficacităţii de ecranare electromagnetică, procedura și standul utilizat pentru testarea eficacităţii
de ecranare electromagnetică în sectorul de construcţii și cele 2 modele experimentale. Primul
model experimental are în structura sa un panou semiconductiv de pe care s-a aplicat o placă de
polistiren cu grosimea de 50 mm lipită cu adeziv poliuretanic aplicat sub formă de cordoane şi
puncte. Peste suprafaţa exterioară a polistirenului s-a aplicat cu gletiera cu dinţi, un strat de masă
de şpaclu din mortar adeziv. În stratul de masă de şpaclu proaspăt, a fost aplicată plasa metalică.
După aplicarea plasei metalice s-a aplicat, tot cu gletiera cu dinţi, un nou strat de masă de şpaclu
din mortar adeziv, care a înglobat total plasa metalică. Iar cel de-al doilea model experimental
are în structura sa un panou semiconductiv pe care s-a aplicat vată minerală de 100 mm grosime
şi pe care se ataşează o folie metalizata de aluminiu.
Capitolul 7 – Testarea proprietăţilor de ecranare electromagnetică ale modelelor
experimentale, în acest capitol sunt testate proprietăţile complexe de ecranare electromagnetică
ale modelelor experimentale de sisteme de ecranare, proprietăţile mecanice, proprietăţile termice
și proprietăţile de ecranare electromagnetică pentru cele 2 modele experimentale.
Teza de doctorat se încheie prin trasarea Concluziilor finale şi a contribuţiilor
personale.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
10
CAPITOLUL 1. STANDARDE PRIVIND EXPUNEREA LA CÂMPURI
ELECTROMAGNETICE
Expunerea la câmpuri electromagnetice este condiționată de respectarea recomandărilor
1999/519/EC din 12 iulie 1999 privind reducerea expunerii publicului la câmpuri
electromagnetice (0 - 300 GHz) și a Directivei 2013/35/UE a Parlamentului European și a
Consiliului din 26 iunie 2013 privind cerințele minime de sănătate și securitate cu privire la
expunerea lucrătorilor la riscuri ce sunt generate de către câmpurile electromagnetice.
1. Recomandarea 1999/519/EC [1] definește termenul de câmpuri
electromagnetice care include cămpurile statice, câmpurile de foarte joasă
frecvenț ă (în engleza: Extremely Low Frequency ELF) ș i câmpurile de radio
frecvenț ă (RF) inclusiv microunde, din domeniul de frecvenț ă de la 0 Hz la
300 GHz.
În această recomandare nu se dau restricţii cantitative referitoare la
câmpurile electrostatice. Cu toate acestea se recomandă să se evite contactul
(perception) cu sarcinile electrice superficiale şi descărcările în scânteie
care produc stress şi discomfort.
2. Cea de-a doua directivă este Directiva 2013/35/UE[2] a Parlamentului European și a
Consiliului din 26 iunie 2013, aceasta stabilește cerințele minime obligatorii de sănătate și
securitate cu privire la expunerea indivizilor la riscurile generate de câmpurile electromagnetice.
Această directivă definește mărimile fizice la care se referă expunerea la câmpuri
electromagnetice pentru o mai bună înțelegere, și anume: intensitatea câmpului electric (E),
curentul în membre (IL), curentul de contact (IC), sarcina electrică (Q), intensitatea câmpului
magnetic (H), inducţia magnetică (B), iensitatea de putere (S), energia de absorbţie specifică
(SA) și rată specifică de absorbţie a energiei (SAR).
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
11
CAPITOLUL 2. PROIECTAREA ŞI REALIZAREA SISTEMELOR DE
ECRANARE CU CONFIGURAŢII PERSONALIZATE ŞI PROPRIETĂŢI
ELECTROMAGNETICE PREDEFINITE
2.1. Principii teoretice privind proiectarea de sisteme de ecranare cu configuraţii
personalizate şi proprietăţi electromagnetice predefinite
Sistemele de ecranare sunt folosite într-o gamă largă de aplicaţii pentru a elimina
radiaţiile parazite sau nedorite care ar putea afecta funcţionarea unui sistem. Aceste sisteme pot
fi folosite la exterior pentru a reduce reflexia de la anumite obiecte şi de asemenea pot fi folosite
la interior pentru a reduce oscilaţiile provocate de cavităţile rezonante. De asemenea, sistemele
de ecranare pot fi folosite pentru a realiza un spaţiu liber prin eliminarea reflexiilor dintr-o
cameră izolată fonic. [3]
Sistemele de ecranare pot avea diferite forme fizice, inclusiv elastomeri flexibili, spume,
materiale epoxidice rigide sau materiale termoplastice. Ele pot fi făcute pentru a rezista la
condiţii atmosferice extreme.
În general, sistemele de ecranare au în structura lor un material de umplere în interiorul
unei matrice de material. Materialele de umplere au unul sau mai mulţi constituenţi care
îndeplinesc proprietăţile de ecranare ale sistemelor şi materialul matricei, care este ales pentru
proprietăţile sale fizice (rezistenţă, temperatură, intemperii). Parametrii ce caracterizează
sistemele de ecranare sunt permitivitatea electrică şi permeabilitatea magnetică. Permitivitatea
este o măsură a efectului produs de material sub acţiunea câmpului electric, iar permeabilitatea
este o măsură a efectului materialului produs de componenta magnetică a undei
electromagnetice.
2.2 Parametrii anizotropici
Cele mai multe materiale de umplutură ale sistemelor de ecranare sunt de formă sferică
ceea ce determină parametrii izotropici, astfel propagarea şi atenuarea în material sunt
independente de direcţie. Pentru materialele de umplutură care nu sunt sferice parametrii sunt
anizotropici, caz în care valorile permitivităţii şi permeabilităţii trebuie să fie exprimate cu un
tensor 3x3 de forma următoare:
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
12
333231
232221
131211
(5)
2.3 Tipuri de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate şi proprietăţile lor
electromagnetice predefinite
a) Sistemele de ecranare pentru spaţiu liber pot fi împărţite în 2 categorii mari: sisteme
de ecranare absorbante pentru atenuarea reflexiilor şi sisteme de ecranare absorbante pentru
atenuarea pierderilor în inserţii.
b) Sisteme de ecranare pentru bandă îngustă de frecvenţe
Orice material omogen cu un singur strat va rezona atunci când grosimea acestuia este
egală cu 1/4 din valoarea lungimii de undă. Undele incidente sunt reflectate parţial de suprafaţa
frontală a materialului în timp ce o parte a undelor sunt transmise. Aceste unde care sunt
transmise se propagă apoi prin partea din spate a sistemelor de ecranare absorbante moment în
care se produce reflexia totală şi se propagă înapoi prin faţa frontală a sistemului de ecranare
absorbant.
Unda
Eliminarea reflexiei
Absorbant
Figura 1. Principiul sistemului de ecranare pentru bandă îngustă de frecvenţe
Cel mai utilizat tip de sistem de ecranare pentru bandă îngustă de frecvenţe este sistemul
de ecranare Salisbury.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
13
c) Sisteme de ecranare pentru bandă largă de frecvenţe
Sunt sisteme de ecranare multistrat, cel mai utilizat fiind sistemul de ecranare Jaumann.
Un absorbant Jaumann extinde conceptul de ecran Salisbury cu mai multe straturi. Mai multe
plăci rezistive, separate prin dielectrici cu pierderi reduse, permit obţinerea performanţelor de
bandă largă. În general într-un sistem de ecranare Jaumann, rezistivitatea plăcilor scade din faţă
spre spate.
Unda
Eliminarea reflexiei
Absorbant
Figura 2. Principiul sistemului de ecranare pentru bandă largă de frecvenţe
2.4 Forma constructivă a sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate şi
proprietăţi electromagnetice predefinite
Sistemele de ecranare magnetice utilizează un material de umplere cu proprietăţi
feromagnetice. Acesta oferă sistemului de ecranare o permeabilitate ridicată şi pierderi
magnetice mari. Avantajele includ capacitatea de a comprima foarte mult lungimea de undă
datorită permeabilităţii ridicate. Dezavantajele sistemelor de ecranare magnetice includ greutatea
şi costul.[6]
Sistemele de ecranare magnetice pot avea mai multe forme, inclusiv elastomeri de silicon,
uretan, nitril şi neopren. Materialul matricei este în general ales pentru proprietăţile sale fizice.
Sistemele de ecranare magnetice sunt, de asemenea, disponibile într-o formă epoxi rigidă.
Acestea sunt uşor de prelucrat şi sunt în general utilizate în aplicaţii de încărcătură grea.
2.5 Eficacitatea ecranării (EE)
Eficacitatea ecranării descrie capacitatea de a preveni transmiterea undelor
electromagnetice de la exterior spre interior sau vice versa.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
14
1010 /log20/log20 HHEEEE (6)
unde 0E şi 0H sunt intensitatea câmpului electric şi respectiv, a câmpului magnetic în orice
punct din spaţiu în care nu există materiale de ecranare. 1E şi 1H sunt intensitatea câmpului
electric şi respectiv, a câmpului magnetic în care există materiale de ecranare în acelaşi loc. În
primul rând, 0E , 0H , 1E şi 1H sunt măsurate. Apoi EE a materialului este calculată la o anumită
frecvenţă, utilizând formula 6.
Conform teoriei de ecranare a Schelkunoff, atunci când placa de ecranare este infinită şi
direcţia de undă incidentă este verticală, EE este definită ca:
RBAEE (7)
2.6 Modelarea matematică a sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate şi
proprietăţi electromagnetice predefinite
Parametrii S echivalenţi pentru structuri cu straturi multiple pot fi determinaţi cu ajutorul
unei matrici cu parametrii ABCD.
Determinarea parametrilor ABCD ai matricei se poate face din parametrii S folosind
următoarele ecuaţii:
21
21122211
2)1(1
SSSSSA
(8)
21
211222110 2
)1)(1(S
SSSSZB (9)
21
21122211
0 2)1)(1(1
SSSSS
ZC (10)
21
21122211
0 2)1)(1(1
SSSSS
ZD (11)
Se pot calcula matrici cu parametri ABCD pentru o structura multistrat compusă din două
sau mai multe straturi individuale. Parametrii ABCD pot fi convertiţi în parametrii S, astfel
putându-se determina parametrii S ai structurii multistrat.
DCZZBADCZZBA
S
00
0011 /
/(12)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
15
DCZZBAS
0021 /
2 (13)
DCZZBADCZZBA
S
00
0022 /
/ (14)
DCZZBABCADS
0012 /
)(2 (15)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
16
CAPITOLUL 3. MODELAREA STRUCTURILOR SISTEMELOR DE
ECRANARE CU AJUTORUL SOFWARE-ULUI PROFESIONAL DE
PROIECTARE GRAFICĂ SOLIDWORKS
3.1 Prezentarea programului SolidWorks
Programul SolidWorks este o platformă completă de proiectare 3D care permite
generarea, validarea, transferul și managementul produselor și integrează instrumente puternice
în care se includ modelarea pieselor, ansamblurilor și desenelor de execuție, simularea
comportării sub acțiunea unor diverse încărcări (mecanice, termice ș.a.), predicția costurilor,
randarea imaginilor, animația și managementul datelor de produs.
Această platformă asigură următoarele avantaje;
- modelarea solidelor 3D: crearea și editarea pieselor 3D; desenelor de execuție și
ansamblurilor; acestea se vor actualiza rapid în concordanță cu modificările pieselor.
- posibilități pentru proiectarea ansamblurilor mari: generarea și managementul
proiectelor ce au dimensiuni foarte mari, lucrând fie în modul detaliat, fie în varianta
simplificată.
- modelarea suprafețelor avansate: crearea și editarea geometriilor complexe pentru solide
sau suprafețe care includ suprafețe cu curbură continuă (C2) sau stilizate.
- modelarea de repere din tablă: generarea de la zero sau conversia unei piese 3D la o
carcasă de metal cu desfășurarea obținută automat.
- modelarea pieselor sudate: proiectarea rapidă a structurilor sudate care conțin gusee,
plăci, elemente structurale standardizate, capace, inclusiv o bibliotecă predefinită de elemente
structurale.
- proiectarea matrițelor: proiectarea pieselor componente ale sculelor și a matrițelor
necesare producerii acestora, chiar și miezuri și cavități, înclinări a suprafețelor de separare;
- proiectarea traseelor de conducte/țevi: generarea sistemelor în format 3D, chiar și trasee
de țevi și conducte utilizand tabele de componență (BOM) complete.
- proiectarea unor trasee electrice, importarea informatiilor referitoare la conexiunile electrice,
generarea traseelor electrice obținand tabele de componență (BOM) complete.
Programul oferă o bibliotecă cu o gamă largă de materiale și proprități ale acestora.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
17
CAPITOLUL 4. OPTIMIZAREA PROPRIETĂŢILOR DE ECRANARE
ELECTROMAGNETICĂ PRIN ADAPTAREA DIMENSIUNILOR ȘI A
ARHITECTURII SISTEMELOR DE ECRANARE
4.1 Optimizarea proprietăţilor mecanice
Pornind de la serviciile de cercetare privind proiectarea cu software specializat a
structurii sistemelor de ecranare cu configuraţii personalizate am instalat pe un calculator
sofware-ul profesional de proiectare SolidWorks şi am simulat optimizarea pentru o serie de
proprietăţi.
Figura 1. Utilizare software specializat de optimizare a structurii sistemelor de ecranare
A.1 Descrierea modelelor
Placa 1
Pe baza modelelor experimentale de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate şi
proprietăţi electromagnetice predefinite prezentate în detaliu în etapa anterioară s-a modelat
Placa 1, placă ce are în structura sa: un panou semiconductiv, placă de polistiren, un strat de
ciment, plasă metalică, strat de ciment de fixare, finisaje glet.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
18
Figura 2. Model Placa 1
Model Information
Solid Bodies
Document Name and Reference Treated
As Volumetric Properties Document Path
Boss-Extrude1
Solid
Body
Mass:0.0345 kg
Volume:1.5e-005 m^3
Density:2300 kg/m^3
Weight:0.3381 N
C:\Desktop\Placi\Placa
1\Glet.SLDPRT
Split Line1
Solid
Body
Mass:0.0364 kg
Volume:3.5e-005 m^3
Density:1040 kg/m^3
Weight:0.35672 N
C:\Desktop\Placi\Placa 1\Panou
semiconductiv (negru).SLDPRT
LPattern5
Solid
Body
Mass:0.0354514 kg
Volume:4.54505e-006
m^3
Density:7800 kg/m^3
Weight:0.347423 N
C:\Desktop\Placi\Placa 1\Plasa
metalica.SLDPRT
Boss-Extrude1
Solid
Body
Mass:0.045 kg
Volume:4.5e-005 m^3
Density:1000 kg/m^3
Weight:0.441 N
C:\Desktop\Placi\Placa
1\Polistiren.SLDPRT
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
19
Boss-Extrude1
Solid
Body
Mass:0.023 kg
Volume:1e-005 m^3
Density:2300 kg/m^3
Weight:0.2254 N
C:\Desktop\Placi\Placa 1\Strat
ciment 1.SLDPRT
Split Line1
Solid
Body
Mass:0.023 kg
Volume:1e-005 m^3
Density:2300 kg/m^3
Weight:0.2254 N
C:\Desktop\Placi\Placa 1\Strat
ciment 2.SLDPRT
Placa 2
Pe baza modelelor experimentale de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate şi
proprietăţi electromagnetice predefinite s-a modelat Placa 2, placă ce are în structura sa: un
panou semiconductiv, vată de sticlă cu folie metalizată de Al.
Figura 3. Model Placa 2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
20
Model Information
Solid Bodies
Document Name and
Reference Treated As Volumetric Properties
Document Path/Date
Modified
Split Line1
Solid Body
Mass:0.0027 kg
Volume:1e-006 m^3
Density:2700 kg/m^3
Weight:0.02646 N
C:\Desktop\Placi\Placa
2\Aluminiu.SLDPRT
Split Line1
Solid Body
Mass:0.0364 kg
Volume:3.5e-005 m^3
Density:1040 kg/m^3
Weight:0.35672 N
C:\Desktop\Placi\Placa
2\Panou semiconductiv
(negru).SLDPRT
Boss-Extrude1
Solid Body
Mass:0.1 kg
Volume:0.0001 m^3
Density:1000 kg/m^3
Weight:0.98 N
C:\Desktop\Placi\Placa
2\Vata de
sticla.SLDPRT
A.2 Încovoiere cu reazem pe două laturi opuse Placa 1 Date: 16 aprilie 2016
Designer: Solidworks
Study name: Incovoiere cu reazeme
Analysis type: Static
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
21
Figura 4. Încovoiere cu reazem pe două laturi opuse-placa 1
Study Properties
Study name Incovoiere cu reazeme
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks Flow
Simulation Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document
(C:\Desktop\Placi\Placa 1)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
22
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Study Results
Name Type Min Max Stress1 VON: von Mises Stress 346.42 N/m^2
Node: 17950
9.27572e+006 N/m^2
Node: 21662
Figura 6. Placa 1-Incovoiere cu reazeme-Stress-Stress1
Name Type Min Max
Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm Node: 6386
0.0230483 mm Node: 19092
Figura 7. Placa 1-Incovoiere cu reazeme-Displacement-Displacement1
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
23
Name Type Min Max Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 1.04986e-007
Element: 2175
0.00429769
Element: 9105
Figura 8. Placa 1-Incovoiere cu reazeme-Strain-Strain1
Placa 2 Date: 16 aprilie 2016
Designer: Solidworks
Study name: Incovoiere cu reazeme
Analysis type: Static
Figura 9. Încovoiere cu reazem pe două laturi opuse-placa 2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
24
Study Properties
Study name Incovoiere cu reazeme
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks
Flow Simulation Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document (C:\Desktop\Placi\Placa 2)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Celsius
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
25
Study Results
Name Type Min Max Stress1 VON: von Mises Stress 2485.78 N/m^2
Node: 69450
1.46682e+008 N/m^2
Node: 3358
Figura 11. Placa 2-Incovoiere cu reazeme-Stress-Stress1
Name Type Min Max Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm
Node: 1
0.728938 mm
Node: 25633
Figura 12. Placa 2-Incovoiere cu reazeme-Displacement-Displacement1
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
26
Name Type Min Max Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 4.45113e-007
Element: 4364
0.0198283
Element: 44002
Figura 13. Placa 2-Incovoiere cu reazeme-Strain-Strain1
A.3 Încovoiere cu reazem pe întreaga suprafață
Placa 1 Date: 22 aprilie 2016
Designer: Solidworks
Study name: Incovoiere
Analysis type: Static
Figura 14. Încovoiere cu reazem pe întreaga suprafață Placa 1
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
27
Study Properties
Study name Incovoiere
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from
SolidWorks Flow Simulation
Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document (C:\Desktop\Placi\Placa 1)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
28
Results
Name Type Min Max Stress1 VON: von Mises Stress 159.858 N/m^2
Node: 182474
3.85242e+006 N/m^2
Node: 165784
Figura 16. Placa 1-Incovoiere-Stress-Stress1
Name Type Min Max Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm
Node: 34744
0.00677984 mm
Node: 128796
Figura 17. Placa 1-Incovoiere-Displacement-Displacement1
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
29
Name Type Min Max Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 4.21929e-010
Element: 115812
0.00245856
Element: 67914
Figura 18. Placa 1-Incovoiere-Strain-Strain1
Placa 2 Date: 22 aprilie 2016
Designer: Solidworks
Study name: Incovoiere
Analysis type: Static
Figura 19. Încovoiere cu reazem pe întreaga suprafață Placa 2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
30
Study Properties
Study name Incovoiere
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from
SolidWorks Flow Simulation Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SolidWorks document (C:\Desktop\Placi\Placa 2)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Celsius
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
31
Study Results
Name Type Min Max Stress1 VON: von Mises Stress 166.07 N/m^2
Node: 26477
1.92685e+006 N/m^2
Node: 55936
Figura 21. Placa 2-Incovoiere-Stress-Stress1
Name Type Min Max
Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm
Node: 1
0.0393065 mm
Node: 56151
Figura 22. Placa 2-Incovoiere-Displacement-Displacement1
Name Type Min Max Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 1.42227e-008
Element: 4562
0.00742346
Element: 56236
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
32
Name Type Min Max
Figura 23. Placa 2-Incovoiere-Strain-Strain1
4.2 Optimizarea proprietăţilor termice
S-au testat proprietăţilor termice pentru plăcile simulate cu ajutorul software-ului
specializat (placa 1 şi placa 2), iar ulterior am instalat sofware-ul profesional de proiectare şi am
simulat optimizarea proprietăţilor termice pentru placa 1 şi placa 2.
Proiectare Placa 1 Date: 4 noiembrie 2015
Designer: Solidworks
Study name: Influenta termica
Analysis type: Thermal(Steady state)
Study Properties
Study name Influenta termica
Analysis type Thermal(Steady state)
Mesh type Solid Mesh
Solver type FFEPlus
Solution type Steady state
Contact resistance defined? No
Result folder SolidWorks document
(C:\Users\User\Desktop\Placi\Placa 1)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
33
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Celsius
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Study Results
Name Type Min Max Thermal TEMP: Temperature 35.83 Celsius
Node: 6420
70.029 Celsius
Node: 18230
Figura 24. Placa 1-Influenta termica-Thermal-Thermal
Placa 2 Date: 24 aprilie 2016
Designer: Solidworks
Study name: Influenta termica
Analysis type: Thermal(Steady state)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
34
Figura 25. Placa 2-Influența termică
Model Information
Solid Bodies
Document Name and
Reference Treated
As Volumetric
Properties Document Path/Date Modified
Split Line1
Solid
Body
Mass:0.0027 kg
Volume:1e-006
m^3
Density:2700
kg/m^3
Weight:0.02646 N
C:\Desktop\Placi\Placa
2\Aluminiu.SLDPRT
Dec 01 15:01:29 2014
Split Line1
Solid
Body
Mass:0.0364 kg
Volume:3.5e-005
m^3
Density:1040
kg/m^3
Weight:0.35672 N
C:\Desktop\Placi\Placa 2\Panou
semiconductiv (negru).SLDPRT
Dec 01 15:01:29 2014
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
35
Boss-Extrude1
Solid
Body
Mass:0.1 kg
Volume:0.0001
m^3
Density:1000
kg/m^3
Weight:0.98 N
C:\Desktop\Placi\Placa 2\Vata de
sticla.SLDPRT
Dec 01 15:01:29 2014
Study Properties
Study name Influenta termica
Analysis type Thermal(Steady state)
Mesh type Solid Mesh
Solver type FFEPlus
Solution type Steady state
Contact resistance defined? No
Result folder SolidWorks document (C:\Desktop\Placi\Placa 2)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Celsius
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
36
Study Results
Name Type Min Max Thermal1 TEMP: Temperature 19.9841 Celsius
Node: 2930
70 Celsius
Node: 26327
Figura 27. Placa 2-Influenta termica-Thermal-Thermal 1
4.3 Concluzii
Optimizarea rezistenței la încovoiere cu rezemare pe două laturi opuse
Modelul a fost creat prin blocarea deplasărilor a două muchii opuse ale plăcii și aplicarea
pe mijlocul feței opuse a unei încărcări uniform repartizate de 200 N.
Rezultatele modelului sunt exprimate prin starea de tensiuni (criteriul von Mises) și
deformații. Sunt redate deformația maxima (în centrul plăcii), reacțiunile (pe muchiile blocate) și
tensiunea maxima (conform criteriului von Mises). Rezultatele sunt redate în tabelul de mai jos:
Tabel 1 Valori obţinute la încovoiere cu rezemare pe două laturi opuse
Varianta Tensiunea echivalentă maximă (von
Mises), MPa
Deplasarea maximă, mm
Placa 1 9,27 0,023 Placa 2 146,7 0,729
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
37
Din analiza rezultatelor obținute se constată că tensiunea maximă cea mai redusă este
pentru Placa 1, urmată de varianta 2 (cu valori comparabile). Deformația maxima cea mai redusă
se obține la placa 1.
Optimizarea rezistenței la încovoiere cu rezemare pe întreaga suprafață
Simularea a fost creată prin blocarea deplasărilor tuturor nodurilor (rezultate din
discretizarea modelului) unei fețe a plăcii și aplicarea pe mijlocul feței opuse a unei încărcări
uniform repartizate de 200 N.
Ca și la testul anterior, rezultatele modelului sunt exprimate prin starea de tensiuni (criteriul von
Mises) și deformații. Sunt redate deformația maxima (în centrul plăcii), reacțiunile (pe muchiile
blocate) și tensiunea maximă (conform criteriului von Mises). Rezultatele sunt redate în tabelul
de mai jos:
Tabel 2 Valori obţinute la încovoiere cu rezemare pe întreaga suprafață
Varianta Tensiunea echivalentă
maximă (von Mises), MPa
Deplasarea maximă, mm
Placa 1 3,85 0,007 Placa 2 1,93 0,04
Comportarea la încovoiere a plăcilor când sunt rezemate pe întreaga suprafață este mult
mai bună, iar dispersia valorilor atât în cazul tensiunilor maxime cât și pentru deformații este
mult mai redusă. Dacă tensiunile sunt comparabile (minima este 1,93 MPa, iar maxima este 3,85
MPa), deformațiile sunt sensibil diferite (minima este 2,4 m, iar maxima este 40 m). Placa 1
are comportamentul cel mai bun după acest criteriu.
Optimizarea rezistenței la solicitarea termică, cu încălzirea unei fețe.
Simularea a fost creată prin încărcarea uniformă a unei fețe a plăcii la temperatura
uniformă de 70 ºC, temperatura mediului considerându-se 15 ºC. S-a urmărit repartizarea
temperaturii în placă, în special temperatura pe fața opusă încărcării termice.
Pentru modelarea și verificarea la solicitări mecanice și termice a celor cinci variante de
plăci a fost utilizată platforma software SolidWorks. Verificarea prin analiză cu element finit s-a
realizat cu instrumentul SolidWorks Simulation.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
38
La încovoiere, așa cum era și de așteptat, la rezemarea plăcilor pe întreaga suprafață
rezultatele (tensiuni și deformații maxime) au fost mult mai bune decât în cazul rezemării pe
muchiile opuse. Comportamentul cel mai bun s-a observant la Placa 1.
Comportarea termică a celor 2 plăci a fost realizată prin supunerea la o temperatură de 70
ºC a unei fețe, și asigurarea unei temperaturi exterioare de 15 ºC.
În urma analizei comportamentului celor 2 plăci la testele de simulare se constată că cele
mai bune rezultate au fost obținute la Placa 1.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
39
CAPITOLUL 5. REALIZAREA MODELELOR EXPERIMENTALE DE
SISTEME DE ECRANARE CU CONFIGURAŢII PERSONALIZATE ŞI
PROPRIETĂŢI ELECTROMAGNETICE PREDEFINITE, UTILIZÂND
STRUCTURI COMPOZITE NANOCONDUCTIVE SUB FORMĂ DE
FILME DE DIFERITE GROSIMI DE PÂNĂ LA 4 MM
5.1 Alegerea straturilor absorbante în sistemele de ecranare cu configuraţii
personalizate
În alegerea unui strat absorbant corespunzător trebuie avut în vedere reducerea grosimii
necesare pentru materialele de tranziţie. Acest strat absorbant se refera la un strat absorbant de
tranziţie între mediul de incidență și mediul de absorbţie. Stratul de tranziţie are valori ale
grosimii şi impedanţei, care sunt între cele două impedanţe alese (de exemplu, mediul de
absorbţie şi de incidenţă). Ideea este ca, impedanţa de la primul şi al doilea strat să fie egală cu
impedanţa mediului de incidenţă. Acest lucru se realizează atunci când grosimea stratului ales
este un sfert din lungimea de undă, iar , 312 ZZZ (1)
5.2 Transmisia și reflexia undelor la frontiera unui material
În continuare se prezintă o procedură simplă de calcul a reflectivităţii suprafeţei unui
material multistrat. Fiecare strat este definit de trei parametrii: grosime, permitivitate complexă şi
permeabilitate, figura 2. O relaţie recursivă este folosită pentru a calcula gradul de reflexie la aer
/ interfaţa absorbantă. Straturile sunt numerotate de la 1 la n începând cu primul strat de lângă
stratul perfect conductor, iar interfeţele sunt numerotate de la 0 la n începând de la stratul perfect
conductor / prima interfaţă a stratului. Formula recursivă, exprimată mai jos, începe prin
calcularea reflectivităţii interfeţei i = 1, 2, 3, ... .n, unde, la interfaţa n se obţine coeficientul de
reflexie din întregul absorbant.
11
11
21
21~1
~
ii
ii
tjkii
tjkii
i ee
pentru 0i (1)
Unde ik este componenta vectorului de undă normal la interfaţă,
iiii fk 2sin2 (2)
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
40
i~ este coeficientul de reflexive de la interfaţa i, și depinde de polarizare astfel încât:
11
11~
iiii
iiiiTEi kk
kk
pentru 0i (3)
iiii
iiiiTMi kk
kk
11
11~
pentru 0i (4)
Pentru stratul perfect conductor/interfaţa primului strat,
1~ / TMTEi pentru 0i (5)
Absorbanţii sunt utilizaţi pentru a elimina energia electromagnetică nedorită. În spaţiul
liber acest lucru se obţine prin prezența unei impedanţe a undei de intrare egală cu impedanţa
spaţiului liber (377 Ω). La interfaţa materialului, undele incidente, reflectate şi refractate trebuie
să se supună condiţiei de frontieră pentru ca suma câmpurilor E şi H a undelor să fie continuă.
Necesitatea continuităţii amplitudinilor conduce la ecuaţiile lui Fresnel. Continuitatea de fază
conduce la Legea lui Snell. Reflexia de la o interfaţă dielectrică depinde de polarizare. Există
două stări de polarizare definite. Polarizarea paralelă apare atunci când vectorul câmpului
electric este paralel cu planul de incidenţă. Planul de incidenţă este definit de vectorul
perpendicular pe material şi de direcţia de propagare a undei incidente. Polarizarea
perpendiculară se produce atunci când vectorul câmpului electric este perpendicular pe planul de
incidenţă.
5.3 Propagarea undelor în absorbanţi
Pentru undele care se propagă într-un material pot fi scrise două ecuaţii, astfel:
tEH
* legea lui Amper(26)
tHE
* legea lui Faraday(27)
Diferenţierea fiecărei ecuaţie în funcţie de t se obţine:
2
2**
2
2
tE
xE
(28)
2
2**
2
2
tH
xH
(29)
Dacă se presupune că E şi H sunt funcţii de x şi t:
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
41
xtjeEE 0 (30)
xtjeHH 0 (31)
unde
jj ** (32)
și
frecventa*2*2 (33)
Extinderea dă:
)2
(2
0
xtjxeeEE (34)
Un α diferit de zero determină o atenuare exponenţială a undei. Complexul exponenţial
duce la o perioadă de timp de:
1T (35)
şi o perioadă de spaţiu (lungime de undă)
2 (36)
Pentru toate materialele cu β > 1 lungimea de undă va fi comprimată în interiorul
dielectricului faţă de spaţiul liber cu un factor β. Pentru un material cu pierderi mici, o
aproximare foarte bună pentru β este:
** (37)
5.4 Reducerea reflexiei
În încercarea de a minimiza reflexia de la o suprafaţă este util să se ia în considerare
ecuaţii fizice care să reprezinte procesul de reflexie. Există trei condiţii care au ca rezultat o
reflexie minimă.
Prima ecuaţie este aceea care descrie coeficientul de reflexie la o interfaţă.
0
0
0
0
ZZZZ
rM
M
M
M
(38)
unde r este coeficientul de reflexie şi η admitanţa mediului de propagare (indicele 0 este pentru
spaţiul liber şi M pentru substrat). Admitanţa în această ecuaţie poate fi înlocuită cu impedanţa
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
42
intrinsecă (Z = 1/η). Coeficientul de reflexie scade la zero când 0 M . Impedanţa intrinsecă a
spaţiului liber este dată de relaţia:
ohmHEZ 377
0
00
(39)
unde E şi H sunt vectorii electrici şi magnetici de câmp şi μo respectiv εo sunt permeabilitatea şi
permitivitatea spaţiului liber. Astfel, un material cu o impedanţă de 377 ohmi nu va reflecta
microunde în cazul în care mediul de incidență este spaţiul liber.
Impedanţa intrinsecă poate fi, de asemenea, obţinută în cazul în care permitivitatea
electrică şi permeabilitatea magnetică sunt egale. Acest lucru dă a doua condiţie care duce la un
minim a coeficientului de reflexie. În acest caz, se poate scrie ecuaţia:
1
1
0
0
ZZZZ
rM
M
(40)
Impedanţa intrinsecă normalizată este:
*
*
0 r
rM
ZZ
(41)
Unde 0
*
ir si
0
*
ir
Exponenţii principali reprezintă componentele reale, respectiv componentele imaginare
ale numerelor complexe. Dacă mediul incident este spaţiul liber şi gradul de reflexie este zero,
atunci rezultă că **rr . În cazul în care ambele părţi reale şi imaginare ale permitivităţii şi
permeabilităţii sunt egale, coeficientul de reflexie este zero.
A treia condiţie este că atenuarea undei să se propage în mediul de absorbţie. Puterea
undei se dezintegrează exponenţial cu distanţa, x, având factorul e-αx. α este constanta de
atenuare a materialului şi poate fi exprimată ca:
baba 14
12200 tan
21sin (42)
unde **rrrra si
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
43
rrrrb **
Pentru a obţine o atenuare mare într-o grosime mică, α trebuie să fie mare, ceea ce
implică faptul că r , *r , r ,
*r trebuie să fie mari. Se observă aici că această condiţie trebuie
să fie în concordanță cu prima condiţie (ecuaţia 38), caz în care valorile mari ale permitivităţii şi
permeabilităţii duc la un coeficient de reflexie mare.
5.5 Tipuri de sisteme de ecranare cu configuraţii personalizate
5.5.1 Ecranul Salisbury
Ecranul Salisbury este, un absorbant rezonant, cu toate acestea, spre deosebire de alte
sisteme absorbante rezonante acesta nu se bazează pe permitivitatea şi permeabilitatea stratului
principal. Ecranul Salisbury constă dintr-o folie rezistivă plasată la o distanță de un multiplu
impar dintr-un sfert din lungimea de undă în faţa unui suport metalic (conductiv), de obicei,
separate printr-un strat de aer.
Un material cu permitivitate mare poate înlocui stratul de aer. Aceasta scade grosimea
golului necesar în detrimentul lăţimii de bandă. În cazul în care rezistenţa foliei este de 377 ohmi
/ unitatea de suprafaţa, apare adaptarea de impedanţa. Dacă în locul unui ecran electric este
plasat un strat magnetic pe suprafaţa metalică, rezultă un dispozitiv mai subţire. Lăţimea de
bandă a ecranului Salisbury de -20 dB la frecvenţa de rezonanţă este de aproximativ 25%. [7]
Grosimea optimă a ecranului Salisbury se poate calcula atunci când rezistenţa foliei este
egală cu impedanţa spaţiului liber (Z0). Grosimea stratului absorbant este dată de relaţia
următoare:
0
1Z
d (43)
Unde este conductivitatea foliei rezistive. Două aproximări sunt făcute în ceea ce
priveşte stratul rezistiv: Prima este atunci când stratul este subţire ( *01 dk , unde 0k este
0/2 şi d este grosimea stratului rezistiv, iar a doua aproximare este atunci când pierderea în
strat provine de la conductivitate şi . Pentru dispozitivele practice aceste aproximări ar
putea să nu fie realiste deoarece pot apărea schimbări ale valorii frecvenţei de rezonanţă la valori
mai mici decât grosimea foliei rezistive, sau valoarea este crescută.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
44
Acest lucru poate fi demonstrat cu ajutorul unui model al liniei de transmisie cu un circuit
RLC reprezentând ecranul Salisbury. Grosimea foliei rezistive pentru o absorbţie optimă are o
relaţie inversă conductivităţii foliei.[9]
Lăţimea de bandă a ecranelor Salisbury poate fi maximizată printr-o reflexie maximă
acceptabilă. Rezistenţa optimă a foliei poate fi calculată la 377 ohmi / mp pentru cel mai mic
grad de reflexie, în timp ce rezistenţa optimă, Rsopt, pentru o anumită limită de reflexie este dată
de relaţia:
cutoff
cutoffsopt ZR
11
0 (44)
în cazul în care cutoff este reflexia maxima acceptata. Analitic se poate demonstra că lăţimea de
bandă scade cu creşterea permitivităţii stratului de spaţiere.
5.5.2 Straturile Jaumann
Straturile Jaumann reprezintă o soluţie de a creşte lăţimea de bandă a ecranului Salisbury,
cea mai simplă formă a unui dispozitiv Jaumann. Din punct de vedere matematic se poate dovedi
faptul ca un dispozitiv format din două folii rezistive echidistante în faţa planului conductiv
produce două minime de reflexie, sporind astfel lăţimea de bandă.
Straturile rezistive pot fi realizate din carbon sub formă de praf (25%) într-un fenol-
formaldehidă, celuloză sau polivinil cu spumă de polietilenă ca element de distanţiere. Straturile
rezistive produc un control mai bun al grosimii şi rezistenţei. Un dispozitiv cu şase straturi poate
fi capabil să determine o scădere de aproximativ 30 dB a gradului de reflexie cuprinsă între 7-15
GHz.[8,11]
Optimizarea absorbanţilor Jaumann este complexă datorită numărului de parametri
implicaţi, care creşte pe măsură ce creşte numărul de straturi. Pentru proiectarea absorbanţilor
Jaumann se folosesc proceduri empirice şi tehnici de optimizare numerice.
Două tehnici analitice pot fi utilizate pentru optimizarea straturilor absorbante Jaumann
până la o structură de trei straturi rezistive. Aceste tehnici sunt numite proiectarea planului
maxim sau creşterea binomială, şi proiectarea Chebyshev (cu riplu-egal) după forma curbei
reflexiei.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
45
5.6 Circuit echivalent pentru sistemele de ecranare absorbante
Îmbunătăţirea lăţimii de bandă şi atenuarea absorbanţilor rezonanţi (structurile Jaumann
şi Salisbury) se realizează prin utilizarea de materiale adecvate. Ecranul Salisbury şi straturile
Jaumann au fost inițial proiectate folosind folii pur rezistive. Înlocuirea foliilor rezistive cu
materiale care conţin, de asemenea, capacitanţa şi inductanţa oferă avantaje pentru absorbanţii de
bandă largă. Materialele rezistiv-capacitive pot fi realizate sub formă de polimeri conductivi
acoperiţi cu fibre şi materialele rezistiv-inductive obţinute cu ajutorul unor bobine metalice
elicoidale turnate într-un strat dielectric. Cu toate acestea, domeniul circuitului analogic
absorbant, în general, se referă la materialele în care folia rezistivă a fost înlocuită cu materiale
cu pierderi mici depuse în modele geometrice pe o folie subţire fără pierderi.
Grosimea materialului cu pierderi determină rezistenţa efectivă şi forma, geometria şi
spaţierea dintre modelele care controlează efectiv inductanţa şi capacitanța. Aceste materiale
arată îmbunătăţiri ale reflectivităţii şi performanţa lăţimii de bandă, şi au tendinţa de a determina
realizarea de absorbanţi cât mai subţiri.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
46
CAPITOLUL 6. REALIZAREA STANDULUI PENTRU TESTAREA
EFICACITĂŢII DE ECRANARE ELECTROMAGNETICĂ ÎN SECTORUL
DE CONSTRUCŢII
6.1 Proceduri de testare a eficacităţii de ecranare electromagnetică
Ecranarea este o metodă foarte des utilizată pentru a asigura compatibilitatea
electromagnetică, protecția echipamentelor electronice și a oamenilor împotriva emisiilor
electromagnetice. Scăderea nivelului emisiilor electromagnetice și creșterea imunității la
câmpurile electromagnetice se obține prin folosirea ecranelor. Ecranul este folosit pentru a izola
unele locuri de o sursă externă de interferențe electromagnetice sau pentru a preveni perturbațiile
electromagnetice de la sursa internă. Pot fi folosite materiale metalice cu calităţi
electromagnetice bine cunoscute pentru ecranare. De asemenea există multe materiale plastice
care pot fi utilizate pentru ecranare în combinaţie cu un strat conductor sau cu conductori
încorporaţi care asigură ecranare. În ultima perioadă se urmăreşte realizarea de panouri de
ecranare ce au în structura lor materiale obţinute în urma reciclării adecvate a deşeurilor și care
sunt mai ușoare și mai flexibile, acoperite cu folii sau straturi de absorbție. Aceste materiale
datorită flexibilității lor și a prețului de cost scăzut sunt ideale pentru protecția împotriva
efectelor nedorite ale radiațiilor electromagnetice asupra instrumentelor și a oamenilor. Pentru
măsurarea ecranării și a proprietăţilor de absorbție s-au dezvoltat mai multe metode de măsurare
care sunt utilizate pentru diverse domenii. Fiecare metodă este folosită în funcţie de durata de
timp de desfăşurare și fiabilitatea de a măsura panouri de ecranare și de absorbție care operează
într-o gamă largă de frecvențe.[40,41]
Atenuarea energiei electromagnetice poate fi caracterizată prin eficacitatea ecranării (EE)
și pierderea de inserție (PI). Capacitatea unui panou de a reduce câmpurile electromagnetice
poate fi definită cantitativ ca o atenuare sau un raport E0/E1 (exprimat în dB) dintre intensitatea
câmpului electromagnetic măsurat fără și cu materialul de încercat plasat între sursa de câmp și
receptor:
][log201
0 dBEEEEdB
unde E0 și E1 sunt intensitatea câmpului electric fără și cu materialul de încercat plasat între
sursa de câmp și receptor.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
47
6.1.1 Testarea gradului de absorbție (eficacitatea ecranării) - Principii
Măsurarea eficienței de ecranare la nivelul unui panou este foarte importantă, deoarece
complexitatea structurii și diversitatea de materiale folosite în structura unui panou pot determina
cerințe excesive de resurse informatice.
În cazul testării proprietăților de ecranare, măsurătorile pentru materiale se pot face:
- În medii de testare controlate,
- În spaţiu liber
- În domeniul frecvenţă,
- În domeniul timp.
Metodele de testare și câteva indicații pentru realizarea unor panouri sunt prezentate în
continuare.
6.2.2 Procedura de măsurare pentru înaltă frecvență
Procedura de măsurare presupune utilizarea unei antene de transmisie poziționată de o
parte a panoului de ecranare și o antenă de recepție poziționată de cealaltă parte a panoului, și
măsurarea intensităţii semnalului recepționat. Procedurile detaliate sunt aceleași pentru antenele
dipol și antenele horn.
A. Configurare antenei de transmisie
Este necesară polarizarea orizontală și polarizarea verticală.
Distanța orizontală dintre pozițiile antenei de transmisie nu trebuie să fie mai mare de 2,6
m. Dacă măsurarea de referință a fost realizată la o distanță mai mică de 2 m, apoi spațierea
orizontală maximă trebuie să fie mai mică de 1,3 m. Centrul antenei trebuie să fie poziționat la o
jumătate din înălțimea peretelui, pentru pereţi cu o înălţime mai mică sau egală cu 3 m. Dacă
înălțimea unui perete este mai mare de 3 m, atunci se folosesc mai multe poziții verticale pentru
antena de transmisie.
Distanța verticală nu trebuie să fie mai mare de 2,0 m, iar antena să fie centrată în cadrul
fiecărui segment vertical. Dacă măsurarea de referință a fost realizată la o distanță mai mică de 2
m, separarea verticală maximă trebuie să fie mai mare de 1 m. Antena de transmisie se
poziționează la cel puțin 1,7 m, mai puțin grosimea scutului, de la suprafața de măsurare, și se
menține o distanţă de cel puțin 0,3 m faţă de podea. În cazul în care limitările de spațiu fizice au
dus la o măsurare de referință la mai puțin de 2 m, antena de transmisie trebuie poziționată la
distanța de referință de minus 0,3 m.[36]
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
48
B. Stabilirea locaţiei antenei de recepţie și prelevarea datelor
Antena de recepţie va acoperi prin poziționare toate direcțiile posibile de recepţie și
polarizare, pentru a obține cel mai bun răspuns receptat. Cel mai mare răspuns al antenei de
recepţie se înregistrează pentru determinarea eficacităţii de ecranare. Trebuie să fie menținută o
distanţă minimă de 0,3 m de la suprafața de ecranare la cel mai apropiat punct al antenei.
C. Echipamentele în procedura de testare în spaţiu liber a eficacităţii de ecranare
electromagnetică pentru sectorul de construcţii sunt:
Generator de semnal 8257 PSG, domeniul de frecvenţă: de la 250 kHz până la 40 GHz
Analizor de spectru E7405A, domeniu de frecvenţe: de la 9 kHz până la 26.5 GHz, de la
1 Hz până la 5 MHz (inclusiv 200 Hz, 9 kHz, 120 kHz, 1 MHz), +12.5 dBm TOI, interval
dinamic: -150 dBm to +30 dBm.
Antene Horn, domeniul de frecvenţă: 1GHz - 18GHz; putere maximă: 300 W; VSWR <
1.5 : 1; impedanţă: 50 Ω, conector N.
6.2.3 Efectuarea de măsurători preliminare
Măsurătorile preliminar au fost efectuate pentru diferite niveluri de putere la ieșirea
generatorului (0dBm, -10dBm, -20dBm), într-un domeniu de frecvență de la 1 GHz până la 10
GHz, pentru ambele feţe ale panourilor de ecranare.
6.2.4 Sisteme de măsurare a eficacităţii ecranării electromagnetice
A. La nivel de microstructura
Sistem de măsurare cu antene şi analizor de spectru. Proba se aşează între cele două
antene.
Figura 14. Măsurarea reflexiei şi transmisiei unui material tip ecran.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
49
B. Standul pentru testarea eficacităţii de ecranare electromagnetică în sectorul de
construcţii
Figura 15. Imagine ansamblu stand de testare
6.3 Modele experimentale pentru ecranarea electromagnetică în sectorul de
construcţii
S-au realizat 2 modele experimentale.
Model experimental 1
Acest model experimental are în structura sa un panou semiconductiv de pe care s-a
aplicat o placă de polistiren cu grosimea de 50 mm lipită cu adeziv poliuretanic aplicat sub formă
de cordoane şi puncte. Peste suprafaţa exterioară a polistirenului s-a aplicat cu gletiera cu dinţi,
un strat de masă de şpaclu din mortar adeziv. În stratul de masă de şpaclu proaspăt, a fost
aplicată plasa metalică. După aplicarea plasei metalice s-a aplicat, tot cu gletiera cu dinţi, un nou
strat de masă de şpaclu din mortar adeziv, care a înglobat total plasa metalică.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
50
Figura 16. Panou semiconductiv Figura 17. Aplicare adeziv poliuretanic pe placa de
polistiren
Figura 18. Aplicarea adezivului poliuretanic Figura 19. Aplicare plăcii de polistiren pe panoul
semiconductiv
Figura 20. Aplicare stratului de mortar Figura 21. Finalizarea procesului de aplicare a stratului
adeziv de protecţie de mortar adeziv de protecţie cu gletiera cu dinţi
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
51
Figura 22. Aplicare sita metalica pe stratul de Figura 23. Aplicare stratului de mortar adeziv de
mortar adeziv finisare
Figura 24. Model experimental 1 - Aplicare glet finisaj
Model experimental 2
În acest caz modelul experimental are în structura sa un panou semiconductiv pe care s-a
aplicat vată minerală de 100 mm grosime şi pe care se ataşează o folie metalizata de aluminiu.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
52
Figura 25. Panou semiconductiv Figura 26. Aplicare plăci vată minerală
Figura 27. Aplicare adeziv poliuretanic sub forma de Figura 28. Folie aluminiu aplicată peste vata
cordoane minerală
Figura 29. Modelul experimental cu folie aluminiu aplicată peste vata minerală
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
53
CAPITOLUL 7. TESTAREA PROPRIETĂŢILOR DE ECRANARE
ELECTROMAGNETICĂ ALE MODELELOR EXPERIMENTALE
7.1 Testarea proprietăţilor complexe ale modelelor experimentale de sisteme de
ecranare utilizate pentru ecranarea electromagnetică
Testarea proprietăţilor de ecranare electromagnetică presupune efectuarea mai multor
categorii de teste:
- teste de anduranţă mecanică,
- teste de anduranţă termică,
- teste de atenuare a câmpurilor electromagnetice.
Testele au fost efectuate pentru:
- Modelul experimental 1 - acest model experimental are in structura sa un panou
semiconductiv pe care s-a aplicat o placa de polistiren cu grosimea de 50 mm lipită cu adeziv
poliuretanic aplicat sub formă de cordoane şi puncte. Peste suprafaţa exterioară a polistirenului s-
a aplicat cu gletiera cu dinţi, un strat de masă de şpaclu din mortar adeziv. În stratul de masă de
şpaclu proaspăt, a fost aplicată plasa metalică. După aplicarea plasei metalice s-a aplicat, tot cu
gletiera cu dinţi, un nou strat de masă de şpaclu din mortar adeziv, care a înglobat total plasa
metalică.
- Modelul experimental 2 - în acest caz modelul experimental are in structura sa un panou
semiconductiv pe care s-a aplicat vată minerală de 100 mm grosime şi pe care se ataşează o folie
metalizata de aluminiu.
7.1.1 Testarea proprietăţilor mecanice
Testarea proprietăţilor mecanice a presupus determinarea rezistenţei la penetrare şi a
rezistenţei la impact. Aceste teste au fost efectuate după consultarea standardelor SR EN 13498 –
Determinarea rezistenţei la penetrare a sistemelor compozite de izolare termică la exterior
(ETICS), respectiv SR EN 13497 – Determinarea rezistenţei la impact a sistemelor compozite de
izolare termică la exterior (ETICS).
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
54
Rezistenţa la penetrare
Figura 1. Standul de testare a rezistentei la penetrare
Figura 2. Testarea rezistentei la penetrare
Figura 3. Testarea rezistentei la penetrare Figura 4. Testarea rezistentei la penetrare
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
55
Rezistenţa la impact
Figura 5. Testarea rezistentei la impact cu greutăţi Figura 6. Testarea rezistentei la impact
de 0,5kg şi 1kg
Figura 7. Model experimental 2 - Testarea rezistentei la impact
7.1.2 Testarea proprietăţilor termice
Pentru materialele termoizolante utilizate la realizarea modelelor experimentale 1 şi 2,
placă polistiren celular şi respectiv placă termoizolantă rigidă din vată minerală bazaltică,
determinarea conductivității termice şi a rezistenţei termice s-a efectuat în condiţii de laborator,
cu echipamentul tip HLC A 90 – aparat cu o singură probă cu configuraţie simetrică.
Metoda de încercare utilizată este conform standardului SR EN 12667:2002 “Performanţa
termică a materialelor şi produselor de construcţie. Determinarea rezistenţei termice prin metoda
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
56
plăcii calde gardate şi prin metoda cu termofluxmetru. Produse cu rezistenţă termică medie şi
mare” .
Încercarea a presupus:
- aducerea epruvetelor de încercat la masă constantă;
- poziţionarea epruvetelor în aparatul de încercat şi pornirea aparatului;
- înregistrarea automată a grosimii, rezistenţei termice şi a conductivităţii termice a
materialului testat.
După determinarea conductivităţii termice şi a rezistenţei termice a plăcilor termoizolante
din alcătuirea modelelor experimentale nr. 1 şi nr. 2, s-a evaluat conductivitatea termică şi
rezistenţa termică a acestor alcătuiri, în mod indirect, prin calcul. Calculul s-a efectuat în
conformitate cu metoda de calcul din standardul armonizat SR EN ISO 6946:2008 “Părţi şi
elemente de construcţie. Rezistenţă termică şi coeficient de transmisie termică. Metodă de
calcul”. Această metodă de calcul este normată în România prin Normativul C107/3 – Partea a
3–a “Normativ privind calculul performanţelor termotehnice ale elementelor de construcţie ale
clădirilor”.
Valorile conductivităţii termice de calcul ale materialelor din alcătuirile probelor sunt
conform valorilor termice tabelare din standardul armonizat SR EN ISO 10456:2008 “Materiale
şi produse pentru construcţii. Proprietăţi higrotermice. Valori tabelare de proiectare şi proceduri
pentru determinarea valorilor termice declarate şi de proiectare”, cu excepţia valorilor
conductivităţii termice pentru produsele termoizolante din polistiren celular şi vată minerală
bazaltică, pentru care s-au utilizat valorile obţinute în urma determinărilor de laborator, cu
echipamentul tip HLC A 90.
Valorile obţinute sunt prezentate în tabelul următor:
Tabelul 1 Proba Model exp. 1 Model exp. 2
Conductivitatea
termică [W/mK] 0,041* 0,037**
*pentru placă de polistiren cu o grosime de 50 mm
**pentru vată minerala cu o grosime de 100 mm
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
57
7.1.3 Testarea proprietăţilor de ecranare electromagnetică
Măsurători 1 GHz
Măsurătorile au fost efectuate la frecvența de 1 GHz. Distanța de la antena de emisie la
probă a fost de 1 m, și de la probă la antena de recepţie a fost tot de 1 m. Înălţimea de la planul
de bază la antene a fost de 100 cm.
NOTAŢII
E – Panou semiconductiv orientat spre emitor
R - Panou semiconductiv orientat spre receptor
REF – Referinţă
Figura 9. Poziţionarea antenelor fără probă la 1GHz
Figura 10. Proba 1 – panou către emisie
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
58
Figura 11. Proba 1 – panou către recepţie
Figura 12. Proba 2 – panou către emisie
Figura 13. Proba 2 – panou către recepţie
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
59
Măsurători 10 GHz
Măsurătorile au fost efectuate la frecventa de 10 GHz. Distanta de la antena de emisie la
proba a fost de 1 m, si de la proba la antena de recepţie a fost tot de 1 m. Înălţimea de la planul
de bază la antene a fost de 100 cm.
NOTAŢII
E – Panou semiconductiv orientat spre emitor
R - Panou semiconductiv orientat spre receptor
REF – Referinţă
Figura 20. Antene la 10 GHz Figura 21 Proba 1 – panou către emisie
Figura 22. Proba 1 – panou către recepţie Figura 23. Proba 2- panou către emisie
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
60
Figura 24. Panou către receptor – proba 2
Tabelul 2. Atenuarea maximă pentru măsurătorile efectuate la 1 GHz
Panou spre
emisie
Panou spre
recepţie
Panou spre
emisie
Panou spre
recepţie
Proba 1 Proba 1 Proba 2 Proba 2
-22,1626 -24,6612 -21,2408 -22,1364
Tabelul 3. Atenuarea maximă pentru măsurătorile efectuate la 10 GHz
Panou spre
emisie
Panou spre
recepţie
Panou spre
emisie
Panou spre
recepţie
Proba 1 Proba 1 Proba 2 Proba 2
-48,2755 -35,7046 -36,6856 -42,7678
CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUȚII PERSONALE Unul din principalele obiective ale lucrarii, care constitue principala contribuție a
autorului, este dezvoltarea de strategii, metode și instrumente, cu scopul de a preveni și de a
reduce riscurile asociate expunerii la câmpurile electromagnetice.
Pe baza rezultatelor obţinute în cadrul cercetărilor întreprinse pentru pregătirea tezei de
doctorat, se pot evidenţia mai multe contribuţii punctuale originale ale autorului, sintetizate în
cele ce urmează:
1. S-au efectuat măsurători comparative pentru 2 tipuri de modele experimentale
definitive proiectate a simula ecrane electromagnetice în configuraţie Salisbury. Măsurătorile s-
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
61
au efectuat cu 2 tipuri de orientări, cu panoul semiconductiv orientat către emiţător sau către
receptor.
2. Materialele care prezintă o ecranare efectivă mai mare de 50 dB sunt încadrate în
categoria “Foarte bune”, şi asigură o performanţă de ecranare de min. 99,999%, iar materialele
care prezintă o ecranare efectivă între 40 și 50 dB sunt încadrate în categoria “Bune” şi asigura o
performanta de ecranare de min. 99,99%.
Astfel în categoria “Bune” s-au încadrat modelele experimentale 1 şi 2. Rezultate bune au
fost obţinute pentru:
- modelul experimental 1 care are în structura sa un panou semiconductiv pe care s-a aplicat o
placă de polistiren cu grosimea de 50 mm lipită cu adeziv poliuretanic aplicat sub formă de
cordoane şi puncte. Peste suprafaţa exterioară a polistirenului s-a aplicat cu gletiera cu dinţi, un
strat de masă de şpaclu din mortar adeziv. În stratul de masă de şpaclu proaspăt, a fost aplicată
plasa metalică. După aplicarea plasei metalice s-a aplicat, tot cu gletiera cu dinţi, un nou strat de
masă de şpaclu din mortar adeziv, care a înglobat total plasa metalică.
Performanţele bune au fost obţinute în cazul în care panoul semiconductiv a fost
orientat spre emitor.
- modelul experimental 2 care are in structura sa un panou semiconductiv pe care s-a aplicat vată
minerală de 100 mm grosime şi pe care s-a ataşat o folie metalizata de aluminiu.
Performanţele bune au fost obţinute în cazul în care panoul semiconductiv a fost
orientat spre receptor.
3. Prin urmare se poate constata că atenuări bune au fost obţinute în cazul măsurătorilor
efectuate cu antenele horn la frecvenţa de 10 GHz, şi anume -48,2755dB pentru modelul
experimental 1 când panoul semiconductiv este orientat spre emisie, respectiv -42,7678 pentru
modelul experimental 2 când panoul semiconductiv este orientat spre recepţie.
4. Pentru modelul experimental 2 nu s-au obţinut rezultate satisfăcătoare pentru o
utilizare individuala, dar se are în vedere combinarea modelul experimental 2 cu modelul
experimental 1, pentru a simula ecrane electromagnetice în configuraţie Jaumann. În acest fel se
aşteaptă rezultate superioare celor de la modelul experimental 1, care au fost realizat în
configuraţie Salisbury. Aceste variante se vor reanaliza în etapa următoare, când se va face şi
design-ul definitiv al configuraţiilor Salisbury şi Jaumann, respectiv optimizarea proprietăţilor de
ecranare electromagnetică prin adaptarea dimensiunilor şi a arhitecturii sistemelor de ecranare.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
62
Bibliografie 1. https://ec.europa.eu/health/sites/health/files/electromagnetic_fields/docs/emf_rec519_en.
2. http://www.justice.gov.md/file/Centrul%20de%20armonizare%20a%20legislatiei/Baza%
20de%20date/Materiale%202015/Legislatie/32013L0035.pdf
3. Henry W. Ott, "Electromagnetic Compatibility Engineering", John Wiley & Sons, 2009,
ISBN 978-0-470-18930-6
4. L. C. Wrobel; M. H. Aliabadi (2002). “The Boundary Element Method”. New Jersey:
Wiley.
5. Paul Saville; Trisha Huber; Darren Makeiff, "Fabrication of Organic Radar Absorbing
Materials" Defence R&D Canada – Atlantic, Technical Report DRDC Atlantic TR 2005-
124
6. Rozanov, K. N., Ultimate thickness to bandwidth ratio of radar absorbers," IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, No. 8, 1230{1234, 2000.
7. Chambers, B., Optimum design of a Salisbury screen screen radar absorber," Electronics
Letters, Vol. 30, No. 16, 1353-1354, 1994.
8. Munk, B. A., P. Munk, and J. Pryor, On designing jaumann and circuit analog absorbers
(CA absorbers) for oblique angle of incidence," IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol. 55, No. 1, 186-193, 2007.
9. Seman, F. C. and R. Cahill, Performance enhancement of Salisbury screen absorber using
resistively loaded spiral FSS," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 53, No.
7, 1538-1541, 2011.
10. Costa, F., A. Monorchio, and G. Manara, Analysis and design of ultra thin
electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces," IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 58, No. 5, 1551-1558, 2010.
11. Paul Saville "Review of Radar Absorbing Materials" Defence R&D Canada – Atlantic,
Technical Memorandum DRDC Atlantic TM 2005-003
12. http://www.solidworks.com/
13. R. Ciobanu, R.F. Damian, I. Casian Botez, Electromagnetic Characterization of chiral
auxetic metamaterials for EMC applications, Computer Standards & Interfaces, Volume
32, Issue 3, March 2010, Pages 101-109
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
63
14. Y. K. Hong, C. Y. Lee, C. K. Jeong, D. E. Lee, K. Kim, J. Joo, "Method and apparatus to
measure electromagnetic interference shielding efficiency and its shielding characteristics
in broadband frequency ranges", Review of Scientific Instruments, Volume 74, Issue 2,
February 2003, pp. 1098-1102
15. IEEE Std C95.1™-2005, "IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human
Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz", 2005
16. Federal Communications Commission, "Evaluating Compliance with FCC Guidelines for
Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields", OET Bulletin 65 (Edition
97-01). Supplement C (Edition 01-01), 2001
17. CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Boca Raton, USA, 2005
18. Rhim HC., Büyükoztürk O., "Electromagnetic properties of concrete at microwave
frequency range." ACI Mater J 1998;95-M25:262–71.
19. L. Ramajo, A. Cristóbal, P. Botta, J. Porto López, M. Reboredo, M. Castro, ”Dielectric
and magnetic response of Fe3O4/epoxy composites”, Composites: Part A 40 (2009) 388–
393
20. Maria Sabrina Sarto, Alessio Tamburrano, “Innovative Test Method for the Shielding
Effectiveness Measurement of Conductive Thin Films in a Wide Frequency Range”,
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 48, pp. 331-340, 2006.
21. J. A. Catrysse, M. de Goeije, W. Steenbakkers, L. Anaf, “Corelation Between Shielding
Effectiveness Measurements and Alternative Methods for the Characterization of
Shielding Materials”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.35, pp.
440-444, 1993.
22. K. Takizawa, O. Hashimoto, “Transparent Wave Absorber Using Resistive Thin Film at
V-Band Frequency”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.47,
pp. 1137-1141,1999.
23. D. R. J. White, Electromagnetic Shielding Materials and Performance, Don White
Consultants, Inc, 1980.
24. P. F. Wilson, M. T. Ma, J. W. Adams, “Techniques for Measuring the Electromagnetic
Shielding Effectiveness of Materials”, IEEE Transactions on Electromagnetic
Compatibility, vol.30, pp. 239- 259, 1988.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
64
25. C. L. Holloway, D. A. Hill, J. Ladbury, G. Koepke, R. Garzia, “Shielding Effectiveness
Measurements of Materials Using Nested Reverberation Chambers”, IEEE Transactions
on Electromagnetic Compatibility, vol.45, pp. 350-356, 2003.
26. R. T. Johnk, A. Ondrejka, S. Tofani, M. Kanda, “Time Domain Measurements of the
Electromagnetic Backscatter of Pyramidal Absorber and Metallic Plates”, IEEE
Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.35, pp. 429-433, 1993.
27. Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of
Planar Materials, ASTM D-4935-99.
28. I. K. Hong, C. Y. Lee, C. K. Jeong, D. E. Lee, K. Kim, and J. Joo, “Method and
apparatus to measure electromagnetic interference shielding efficiency and its shielding
characteristics in broadband frequency ranges”, Rev. Sci. Instrum., vol.74, pp. 1098-
1102, 2003.
29. Subedi, P. and I. Chatterjee, "Dielectric mixture model for asphalt-aggregate mixtures"
Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol. 28, No. 2, 1993
30. Wilson, P. F. and M. T. Ma, Techniques for measuring the electromagnetic shielding
effectiveness of materials: Part 11-Neareld source simulation, IEEE Transactions on
Electromagnetic Compatibility, 251-259, Vol. 30, No. 3, Part 2, Aug. 1988.
31. Szabo, Z. and P. Fiala, “Characterisation and testing shielding fabrics," PIERS Online,
Vol. 5, No. 7, 609-612, 2009.
32. Z. Szabo, Comparison of Diferent Methods for Measurement of Shielding Fabrics
Properties, PIERS Proceedings, Marrakesh, MOROCCO, March 20-23, 2011.
33. Adrien Deline, Denis Labrousse, Olivier Fabrègue, Christian Vollaire, Jérôme Grando,
Gérald André, Characterization of Shielding Efficiency for Power Electronics Frequency
Domain, Journal of Electromagnetic Analysis and Applications, 4, 85-95, 2012.
34. Dvurechenskaya, N., Zielinski, R. J., Advantages and disadvantages of the free-space
arch method used for investigation of shielding materials at low gigahertz frequencies. In
Proc. EMC Europe 2011, York, UK. 2011.
35. Marvin, A.C., Dawson, L., Flintoft, I.D., Dawson, J.F., A method for the measurement of
shielding effectiveness of planar samples requiring no sample edge preparation or
contact. IEEE Trans. Electromag. Compatib., vol. 51, no. 2, pp. 255-262, 2009.
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
65
36. Bury, M., Yashchyshyn, Y., Pulse Response of UWB Antenna: Meaning and Simple
Measurement Procedure. In Proc. Antennas and Propagation, 2007. EuCAP 2007. The
Second European Conference on, pp.1-6, 2007.
37. Nadezhda Dvurechenskaya, Paweł R. Bajurko, Ryszard J. Zieliński, Yevhen
Yashchyshyn, Measurements of shielding effectiveness of textile materials containing
metal by the free-space transmission technique with data processing in the time domain,
Metrol. Meas. Syst., Vol. XX, No. 2, pp. 217–228, 2013.
38. Hong, Y. K. et al.: ‘Method and apparatus to measure electromagnetic interference
shielding efficiency and its shielding characteristics in the broadband frequency ranges’,
Rev. Sci. Instrum., vol. 74, no. 2, pp. 1098–1102, Feb. 2003.
39. Devrim D. Soyaslan, Investigation of Test Instruments for EM Shielding Effectiveness of
Conductive Fabrics and Their Composites, Journal of Safety Engineering, 2(2): 39-44.
2013
40. Kim, M.S., Kim, H.K., Byun, S.W., Jeong, S.H., Hong, Y.K., Joo, J.S., Song, K.T., Kim,
J.K., Lee, C.J., Lee, J.Y., “PET Fabric/Polypyrrole Composite With High Electrical
Conductivity for EMI Shielding”, Synth. Metals, Vol. 126, pp. 233-239, 2002.
41. Cheng, K.B., Ramakrishna, S., Lee, K.C., “Development of conductive knitted fabric
reinforced thermoplastic composites for electromagnetic shielding applications”, J
Thermoplast Compos Mater, Volume. 13, Issue. 5, pp. 378-389, 2000.
42. Rui, W., Fang H., Yizao W., Yu Q.i., “Preparation and Characterization of A Kind of
Magnetic Carbon Fibers Used As Electromagnetic Shielding Materials’’, Journal of
Alloys and Compounds, Vol. 514, pp. 35-39, 2012.
43. Christopher, J. K., Denver, M., “Composite Electromagnetic Interference Shielding
Materials for Aerospace Applications’’, Composite Structures, Vol. 91, pp. 467–472,
2009.
44. Davide, M., Carmelo, A., Roberto, P., Ramon, B.M., Susanna, L., Mario, M.,
“Nanostructured Composite Materials for Electromagnetic Interference Shielding
Applications’’, Acta Astronautica, Vol. 69, pp. 747–757, 2011.
45. J. A. Catrysse, M. de Goeije, W. Steenbakkers, L. Anaf, “Corelation Between Shielding
Effectiveness Measurements and Alternative Methods for the Characterization of
Contribuții privind conceperea și testarea materialelor hibride pentru ecranarea electromagnetică în construcții
66
Shielding Materials”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.35, pp.
440-444, 1993.
46. K. Takizawa, O. Hashimoto, “Transparent Wave Absorber Using Resistive Thin Film at
V-Band Frequency”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47,
pp. 1137-1141, 1999.
47. R. T. Johnk, A. Ondrejka, S. Tofani, M. Kanda, “Time Domain Measurements of the
Electromagnetic Backscatter of Pyramidal Absorber and Metallic Plates”, IEEE
Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.35, pp. 429-433, 1993.
48. Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of
Planar Materials, ASTM D-4935-99.
49. I. K. Hong, C. Y. Lee, C. K. Jeong, D. E. Lee, K. Kim, and J. Joo, “Method and
apparatus to measure electromagnetic interference shielding efficiency and its shielding
characteristics in broadband frequency ranges”, Rev. Sci. Instrum., vol.74, pp. 1098-
1102, 2003.