Shielding of Electromagnetic Waves: Theory and Practice [1st ed.] 978-3-030-19237-2;978-3-030-19238-9

This book provides a new, more accurate and efficient way for design engineers to understand electromagnetic theory and

730 86 4MB

English Pages XVII, 87 [92] Year 2020

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Polecaj historie

Shielding of Electromagnetic Waves: Theory and Practice [1st ed.]
 978-3-030-19237-2;978-3-030-19238-9

Table of contents :
Front Matter ....Pages i-xvii
Introduction (George M. Kunkel)....Pages 1-5
Theory of Shielding (George M. Kunkel)....Pages 7-7
Generation of Electromagnetic Waves (George M. Kunkel)....Pages 9-11
Penetration of Electromagnetic Wave Through Shielding Barrier (George M. Kunkel)....Pages 13-18
Penetration of Electromagnetic Wave Through EMI Gasketed Seam (George M. Kunkel)....Pages 19-22
Radiated Field Strength from Radiating Elements (George M. Kunkel)....Pages 23-26
Optimal Use of EMI Gaskets (George M. Kunkel)....Pages 27-29
Review of Current Test Methods Used to Grade EMI Gaskets by the Industry (George M. Kunkel)....Pages 31-35
Silver Elastomeric Specification MIL-DTL-83528 (George M. Kunkel)....Pages 37-37
Shielding Effectiveness Theory of Shielding (George M. Kunkel)....Pages 39-42
Shielded Wires and Cables (George M. Kunkel)....Pages 43-45
Shielding Air Vent Materials (George M. Kunkel)....Pages 47-50
Shielding Effectiveness Testing of Space Blanket (George M. Kunkel)....Pages 51-56
Test Methods for Testing EMI Gaskets: A Review of IEEE 1302 (George M. Kunkel)....Pages 57-60
Transfer Impedance Testing of EMI Gaskets (George M. Kunkel)....Pages 61-65
Shielding Effectiveness Testing of Shielding Components: Paint, Glass, and Air Vent Materials (George M. Kunkel)....Pages 67-68
Transfer Impedance Testing of Shielded Cables, Back Shells, and Connectors (George M. Kunkel)....Pages 69-71
Back Matter ....Pages 73-87

Citation preview

George M. Kunkel

Shielding of Electromagnetic Waves Theory and Practice

Shielding of Electromagnetic Waves

George M. Kunkel

Shielding of Electromagnetic Waves Theory and Practice

George M. Kunkel Spira Manufacturing Corporation San Fernando, CA, USA

ISBN 978-3-030-19237-2    ISBN 978-3-030-19238-9 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-030-19238-9 © Springer Nature Switzerland AG 2020 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors, and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Switzerland AG The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland

Preface

In the late 1960s and early 1970s, I taught several classes in the UCLA Extension Department on Electromagnetic Interference Control. In one of my classes, I had a student with a Ph.D. degree in Physics from MIT. When I lectured on shielding, presenting the accepted theory, he informed me and the class that the theory did not comply to the basic laws of physics. During break time, I met with him for coffee to learn the details of his concerns. The next several years, I spent a considerable amount of time performing a detailed analysis and testing in the effort to confirm or deny his concerns. What I found showed me undeniably that he was right and the foundational precepts in the traditional theory on electromagnetic shielding are inaccurate. The major relevant findings are: 1. A 1.0 MHz wave (300 m long) cannot be inserted (let alone bounce back and forth) inside a 1.0-ohm barrier, 1.0 μm thick. 2. Using the theory (with the wave bounding back and forth inside the barrier), the energy leaving the barrier can exceed the energy entering the barrier by as much as 60 dB (one million times). 3. Tests have illustrated that there is not a reflection inside the barrier. Since that time over 40 years ago, I have continued to intellectually scrutinize, test, and challenge these theories. At this writing, I have spent over 50 years as a design engineer, with the first 30 years spent making my living by accepting full responsibility for the design and testing of systems. There is not a single textbook written that describes what a radiated electromagnetic (EM) wave is and how the wave is generated. The purpose of this book is to supply the engineering community with clear definitions of what an electromagnetic wave is and how the wave is generated and the physics associated with the penetration of a wave into and through a shielding barrier and through an EMI gasketed seam. Additionally, understanding the physics associated with a wave penetrating a shielding barrier and a gasketed seam in the barrier is also crucial. I believe that the engineers of the world need to understand the penetration of a wave through shielding barriers and EMI gasketed

v

vi

Preface

seams in order to properly package the electronic systems of the future. The purpose of writing this book is to correct these problems. San Fernando, CA  George M. Kunkel

Acknowledgments

Thanks to my industry colleagues and friends: Ron Brewer, Michael J. Oliver, and Douglas C. Smith for their assistance in reviewing and refining the ideas in this book. Thanks to my family Bonnie Paul, Michael Kunkel, Wendy Kunkel, and Lallie Kunkel for all their support in my work and life.

vii

Contents

1 Introduction������������������������������������������������������������������������������������������������   1 Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������   4 References����������������������������������������������������������������������������������������������������   5 2 Theory of Shielding������������������������������������������������������������������������������������   7 References����������������������������������������������������������������������������������������������������   7 3 Generation of Electromagnetic Waves ����������������������������������������������������   9 Introduction��������������������������������������������������������������������������������������������������   9 Generation of High Impedance Wave����������������������������������������������������������   9 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  11 4 Penetration of Electromagnetic Wave Through Shielding Barrier ������  13 Overview������������������������������������������������������������������������������������������������������  13 Penetration of Barrier����������������������������������������������������������������������������������  13 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  18 5 Penetration of Electromagnetic Wave Through EMI Gasketed Seam ������������������������������������������������������������������������������������������  19 Theory of Penetration����������������������������������������������������������������������������������  19 Penetration of EMI Gasketed Seam������������������������������������������������������������  19 Example: EMI Gasketed Cover ������������������������������������������������������������������  21 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  22 6 Radiated Field Strength from Radiating Elements��������������������������������  23 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  26 7 Optimal Use of EMI Gaskets��������������������������������������������������������������������  27 Equations for Predicting Maximum Screw Spacing������������������������������������  29 Reference ����������������������������������������������������������������������������������������������������  29

ix

x

Contents

8 Review of Current Test Methods Used to Grade EMI Gaskets by the Industry ������������������������������������������������������������������������������������������  31 Transfer Impedance Testing������������������������������������������������������������������������  32 Shielding Effectiveness Testing ������������������������������������������������������������������  32 Summary��������������������������������������������������������������������������������������������������  34 Conclusion ��������������������������������������������������������������������������������������������������  35 Reference ����������������������������������������������������������������������������������������������������  35 9 Silver Elastomeric Specification MIL-DTL-83528 ��������������������������������  37 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  37 10 Shielding Effectiveness Theory of Shielding��������������������������������������������  39 Analysis: Circuit Theory Versus Wave Theory��������������������������������������������  40 Summary of Results������������������������������������������������������������������������������������  42 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  42 11 Shielded Wires and Cables������������������������������������������������������������������������  43 Reference ����������������������������������������������������������������������������������������������������  45 12 Shielding Air Vent Materials��������������������������������������������������������������������  47 Honeycomb Panels��������������������������������������������������������������������������������������  47 Aluminum Honeycomb Panels��������������������������������������������������������������������  48 Honeycomb Panel Airflow Properties����������������������������������������������������������  49 Reference ����������������������������������������������������������������������������������������������������  50 13 Shielding Effectiveness Testing of Space Blanket������������������������������������  51 Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������  55 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  56 14 Test Methods for Testing EMI Gaskets: A Review of IEEE 1302����������  57 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  60 15 Transfer Impedance Testing of EMI Gaskets������������������������������������������  61 References����������������������������������������������������������������������������������������������������  65 16 Shielding Effectiveness Testing of Shielding Components: Paint, Glass, and Air Vent Materials��������������������������������������������������������  67 Test Fixture��������������������������������������������������������������������������������������������������  67 Framing Fixture ������������������������������������������������������������������������������������������  67 Theory of Operation������������������������������������������������������������������������������������  68 17 Transfer Impedance Testing of Shielded Cables, Back Shells, and Connectors������������������������������������������������������������������������������������������  69 Overview������������������������������������������������������������������������������������������������������  69 Test Outline��������������������������������������������������������������������������������������������������  70 Quality Control Test of Shielded Cable Assembly��������������������������������������  71 Reference ����������������������������������������������������������������������������������������������������  71

Contents

xi

Appendix A: Critique of MIL-DTL-83528G ��������������������������������������������������  73 Appendix B: Maxwell’s Field Equations����������������������������������������������������������  81 Appendix C: Shielding Theory Equations ������������������������������������������������������  83 Index��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  85

List of Figures

Fig. 3.1 Sending/receiving circuit above a ground plane. The wire (or PC card trace) acts as a transmitting antenna, radiating a high impedance EM wave����������������������������������  10 Fig. 3.2 Generation of an electromagnetic wave����������������������������������������������  11 Fig. 4.1 Circuit theory analog to calculate current induced into barrier������������������������������������������������������������������������������������������  14 Fig. 4.2 Penetration of EM wave through shielding barrier ����������������������������  15 Fig. 4.3 Structural illustration of a wave penetrating a barrier������������������������  15 Fig. 5.1 Wave impinged on gasketed seam������������������������������������������������������  20 Fig. 5.2 EMI gasketed maintenance cover ������������������������������������������������������  20 Fig. 5.3 EMI gasketed cover����������������������������������������������������������������������������  21 Fig. 6.1 Fig. 6.2 Fig. 6.3 Fig. 6.4

Electric dipole antenna������������������������������������������������������������������������  24 Closely spaced wire pair ��������������������������������������������������������������������  24 360 Ohm transmission line pair����������������������������������������������������������  24 Measured field strengths from loaded electric dipole antenna ������������������������������������������������������������������������������������  25 Fig. 6.5 Measured field strengths from 360 Ohm transmission line pair��������������������������������������������������������������������������  25 Fig. 6.6 Measured field strengths from closely spaced transmission line pair��������������������������������������������������������������������������  25 Fig. 7.1 Shielding effectiveness of enclosure with 6.2 in. screw spacing��������  28 Fig. 7.2 Typical gasketed cover plate ��������������������������������������������������������������  28 Fig. 8.1 Transfer impedance test data of various EMI gaskets on the market against Tin Plated Surfaces ����������������������������  33 Fig. 8.2 Shielding of a Tin/Lead Plated Spiral Type gasket against tin, chemical film, and nickel-­plated aluminum before and after being subjected to a 336 h moisture soak ����������������  33

xiii

xiv

List of Figures

Fig. 8.3 Shielding effectiveness test data performed per MIL-DTL-83528 Rev G on a 1/8 in. thick (non-conductive) phenolic gasket����������������  34 Fig. 10.1 Typical circuit ������������������������������������������������������������������������������������  40 Fig. 12.1 Typical shielding of aluminum panel��������������������������������������������������  48 Fig. 12.2 End view illustrating contact points����������������������������������������������������  49 Fig. 12.3 Typical aluminum honeycomb panel before and after blending��������������������������������������������������������������������������������������  50 Fig. 12.4 End views of blended panel����������������������������������������������������������������  50 Fig. 12.5 Airflow properties of honeycomb panels��������������������������������������������  50 Fig. 13.1 H field test data from electric dipole antenna without test sample������������������������������������������������������������������������������������������  52 Fig. 13.2 H field test data from electric dipole antenna with test sample������������������������������������������������������������������������������������������  52 Fig. 13.3 E field shielding effectiveness using electric dipole antenna test data versus shielding effectiveness (SE) analysis ��������������������������������������������������������������������������������������  53 Fig. 13.4 E field shielding effectiveness test data using magnetic dipole antenna versus shielding effectiveness (SE) analysis ��������������������������������������������������������������������������������������  53 Fig. 13.5 H field test data with face of shielded enclosure open������������������������  54 Fig. 13.6 H field test data with shield attached to face of enclosure������������������  54 Fig. 13.7 E field test data������������������������������������������������������������������������������������  55 Fig. 14.1 Typical shielding effectiveness test data (extracted from a Tecknit catalog) ����������������������������������������������������������������������  58 Fig. 15.1 1705A test fixture��������������������������������������������������������������������������������  63 Fig. 15.2 Maximum gasket dimensions ������������������������������������������������������������  64 Fig. 15.3 1705C test fixture��������������������������������������������������������������������������������  65 Fig. 16.1 Test fixture assembly��������������������������������������������������������������������������  68 Fig. 17.1 Test configuration��������������������������������������������������������������������������������  70 Fig. A.1 MIL-DTL-83528C shielding effectiveness testing of newspaper at 2.0 GHz��������������������������������������������������������������������  75 Fig. A.2 Shielding effectiveness test data performed per MIL-DTL-83528 Rev. G on a 1/8 in. thick (non-conductive) phenolic gasket ������������������������������������������������������  76

List of Tables

Table 4.1 Table 4.2

Equations and constants used to calculate the shielding of a barrier��������������������������������������������������������������������������������������  16 Relative conductivity and permeability of metals��������������������������  17

Table 6.1

Measured and normalized test data������������������������������������������������  26

Table 10.1 Results of analysis (amperes)��������������������������������������������������������  42 Table 13.1 Shielding effectiveness analysis of test conditions used at DNB Engineering��������������������������������������������������������������  53 Table 13.2 Impedance of wave leaving blanket ����������������������������������������������  55 Table 15.1 Transportation/storage environmental test requirements ��������������  62 Table 15.2 Mission/sortie environmental test requirements����������������������������  62 Table A.1

Humidity compatibility of silver elastomeric gaskets��������������������  78

xv

About the Author

George M. Kunkel  has been an EMC design engineer for over 50 years of his life. He earned both his B.S. and M.S. degrees in engineering at UCLA. The first 30 years of his career was spent accepting full responsibility for the EMC design and test of systems. His professional responsibilities include being Chairman of the Technical Committee on Interference Control for an 18-year period (1969–1987) and of a Shielding Theory and Practice working group over a period of 6 years (2002–2008) of the EMC Society of the IEEE. He has written and presented over 100 technical articles at various IEEE-sponsored international symposia, edited professional publications, and also taught courses on EMC System Design at UCLA extension.

xvii

Chapter 1

Introduction

There are currently two accepted methods of estimating the attenuation of an electromagnetic wave through shielding barrier materials. This approximation is defined as Shielding Effectiveness. Both methods use wave theory and quasi-stationary assumptions. One uses Maxwell’s equations to estimate the attenuation. The other method uses the “analogy” between wave theory (as applied to transmission lines) and the penetration of a wave through a barrier material. Using Maxwell’s equations can result in fairly accurate attenuation values along with the value of the E and H fields of a wave as it exits the barrier. However, the use of the equations is extremely difficult to use (requires as many as 13 equations) [1] where there are conditions and constraints associated with their use. One of the conditions is that results must comply with Stokes function (the sum total of all energy entering and leaving a given area must equal zero unless there is a sink or source of power) [2]. The method of choice by the electrical/electronic industry is the use of the “analogy” between transmission lines (as predicted by wave theory) and the penetration of a wave through a barrier material. This method does not comply with Stoke’s function (or the basic laws of physics). The method consists of a series of equations1 which are [3]: Shielding effectiveness (SE) = R + A + B Where R (Reflective loss) = 20 log (K + 1)2/4K, K = Zwave/Zbarrier ZW (wave impedance) is obtained through a set of equations associated with a wave generated by an electric or magnetic dipole antenna ZB (barrier impedance) = (1 + j)/σδ 1 + j signifies that the inductance of the barrier material is equal to the resistance. For computational purposes: (1 + j) = (2)1/2.

 Note: See Appendix C.

1

© Springer Nature Switzerland AG 2020 G. M. Kunkel, Shielding of Electromagnetic Waves, https://doi.org/10.1007/978-3-030-19238-9_1

1

2

1 Introduction

σ is the conductivity of the barrier material for a cubic meter of material in mhos/ meter.2 δ is skin depth and represents the conductive area of an infinitely thick barrier. Skin effect attenuates a wave through a barrier material using the formula e−t/δ (where t equals the thickness of a barrier in meters). Integrating e−t/δ from zero (0) to infinity (∞) we obtain the following: ∞



∫e 0

−t / δ

(

dt = δ 1 − e − t / δ

)



Setting t = ∝, δ (1 − e−t/δ) = δ. Therefore, (1 + j)/σδ is the impedance of an infinitely thick barrier. The equation (1 + j)/σδ(1 − e−t/δ ) will provide the barrier impedance for all barrier thicknesses. A (absorption loss) = 20 log e−t/δ where t = thickness of the barrier in meters. “A” is defined as an absorption loss. Since there is not a power loss (an I2R loss) it should be defined as an attenuation factor (it is actually a skin effect attenuation).



  K − 1  2 B ( Re − reflection coefficient ) = 20 log  1 − e −2 t / δ    K + 1  



In the literature [4], “B” is portrayed as a wave bouncing back and forth inside a shielding barrier material where the wave bouncing back and forth produces a gain in energy such that the power of the wave leaving the barrier can be greater than the power entering the barrier. It is actually a correction factor for assumptions made in the reflection loss equations when the assumptions are not valid. There are two assumptions and one error associated with the Reflection Loss equation. The assumptions are (1) the barrier is infinitely thick (i.e., ZB = (1 + j)/σδ where δ represents the conductive area of an infinitely thick barrier and (2) the impedance of the barrier is less than the impedance of the wave (wave theory predicts that there is a loss when ZW