Schermatura: assorbimento, riflessione e aperture
Efficacia di schermatura, assorbimento 8,69 t/δ e riflessione dimostrati con esempi sul rame, campi magnetici a bassa frequenza, fessure e cavi che attraversano lo schermo.
Uno schermo è un involucro conduttivo che separa la sorgente dalla vittima: il contenitore metallico di un apparecchio, la calza di un cavo, una lamina sopra un circuito sensibile. Funziona in due modi, riflettendo l’onda e assorbendola, e i calcoli mostrano che anche una lamina sottilissima basterebbe per la maggior parte dei campi. Il problema vero sono le aperture: fessure, giunzioni e cavi che attraversano lo schermo. In questa lezione vediamo l’efficacia di schermatura, l’assorbimento e la riflessione con le loro dimostrazioni ed esempi, il caso difficile dei campi magnetici a bassa frequenza, e le aperture.
L’efficacia di schermatura
L’efficacia di schermatura è il rapporto, in decibel, tra il campo senza schermo e quello con lo schermo:
![\[ SE = 20\log_{10}\frac{E_{senza}}{E_{con}} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-52536003c1d6ac70be63fc8e3b3cd41d_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Secondo la teoria di Schelkunoff si scompone in tre termini: 
, riflessione, assorbimento e un termine di correzione per le riflessioni multiple dentro lo schermo, trascurabile quando l’assorbimento supera una decina di decibel.
L’assorbimento
Dentro un buon conduttore il campo si attenua esponenzialmente con la profondità, con la lunghezza caratteristica detta spessore di penetrazione (lezione sull’effetto pelle di Campi elettromagnetici):
![\[ \delta = \frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-fda23b659b3682f60abac82f18f567bf_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Teorema. Uno schermo di spessore 
introduce un assorbimento di
![\[ A = 8{,}69\,\frac{t}{\delta}\ \text{dB} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-2a51493f01b0a15a0a39693eb056221f_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. Attraversando lo spessore l’ampiezza del campo si riduce del fattore 
. In decibel: 
. ∎
Esempio. Rame, 
S/m: a 1 MHz 
µm, e una lamina di 0,1 mm assorbe circa 13 dB; a 100 MHz 
µm e la stessa lamina assorbe circa 130 dB. L’assorbimento cresce con la radice della frequenza: alle alte frequenze anche un sottile strato metallico depositato su una plastica è sufficiente.
La riflessione
Un’onda che arriva su una superficie con impedenza diversa dalla propria viene in gran parte riflessa (lezione sulle onde piane). L’onda nel vuoto ha impedenza 
Ω, il metallo un’impedenza piccolissima, 
.
Teorema. Per 
la riflessione vale
![\[ R = 20\log_{10}\frac{|Z_w|}{4|Z_s|} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-1040436901503f754c833e4cc4c25155_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. Il coefficiente di trasmissione del campo elettrico da un mezzo di impedenza 
a uno di impedenza 
è 
. Entrando nel metallo vale 
; uscendone, 
. Il prodotto è 
, e il suo inverso in decibel dà la formula. ∎
Esempio. Rame a 1 MHz: 
Ω, 
dB. Con l’assorbimento, uno schermo di rame anche sottile dà più di 120 dB contro un’onda piana: molto più di quanto serva.
Il caso difficile: campi magnetici vicini
Vicino a una sorgente magnetica (una spira, un trasformatore) l’impedenza d’onda è molto più bassa di 377 Ω, e la riflessione si riduce di conseguenza; a bassa frequenza anche l’assorbimento è piccolo, perché 
è grande (a 50 Hz nel rame è circa 9 mm). Un trasformatore di rete non si scherma con una lamina di rame. Servono:
- materiali ad alta permeabilità (leghe ferro-nichel come il mu-metal), che offrono alle linee di campo un percorso preferenziale e le deviano attorno alla zona da proteggere;
- o, meglio, la riduzione della sorgente e della spira vittima (lezione sull’accoppiamento).
Al contrario i campi elettrici vicini, ad alta impedenza, si schermano facilmente: basta una superficie conduttiva collegata a massa.
Le aperture
In pratica uno schermo non è mai chiuso: ci sono fessure di ventilazione, giunzioni tra pannelli, display, connettori. Una fessura si comporta come un’antenna a fessura (lezione sulle antenne ad apertura), e la grandezza che conta è la sua dimensione massima, non l’area. Per una fessura lunga 
, minore di mezza lunghezza d’onda:
![\[ SE \approx 20\log_{10}\frac{\lambda}{2L} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-cfd79c7c09d92d4b352a526e0c86fcb1_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Esempio. Una fessura di 10 cm a 1 GHz (
cm) lascia una schermatura di soli 3,5 dB; a 100 MHz, 23,5 dB. Lo spessore e il materiale dello schermo diventano irrilevanti: conta la fessura. Molti fori piccoli schermano molto meglio di una fessura della stessa area, perché ciascuno ha una dimensione massima piccola.
Le regole che ne derivano:
- giunzioni con contatti frequenti (viti ravvicinate, guarnizioni conduttive), a distanza molto minore di
alla frequenza più alta di interesse; - ventilazione con griglie di fori piccoli o con nidi d’ape, che si comportano come guide d’onda sotto la frequenza di taglio;
- ogni cavo che attraversa lo schermo va filtrato nel punto di passaggio, oppure la sua calza va collegata allo schermo su tutta la circonferenza (a 360°). Un cavo non filtrato porta fuori il disturbo e lo irradia, vanificando lo schermo: è l’errore più comune. Una calza collegata con un codino di filo (pigtail) perde gran parte dell’efficacia alle alte frequenze, perché il codino ha induttanza.
