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책 정보
· 분류 : 외국도서 > 기술공학 > 기술공학 > 전자공학 > 일반
· ISBN : 9781119736288
· 쪽수 : 560쪽
· 출판일 : 2023-01-12
목차
Contents
1 Electromagnetics behind Shielding 7
1.1 De_nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Notation, Symbology, and Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Macroscopic Electromagnetism and Maxwell's Equations . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Constitutive Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Discontinuities and Singularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 Initial Conditions, Boundary Conditions, and Causality . . . . . . . . . . . . . 16
1.7 Poynting's Theorem and Energy Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Fundamental Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.1 Uniqueness Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.2 Reciprocity Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8.3 Equivalence Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.8.4 Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.5 Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.6 Image Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.8.7 Babinet's Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.9 Wave Equations, Helmholtz's Equations, Potentials, and Green's Functions . . 26
1.10 Basic Shielding Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.11 Source Inside or Outside the Shielding Structure and Reciprocity . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Shielding Materials 33
2.1 Standard Metallic and Ferromagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Ferrimagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Ferroelectric Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Thin Films and Conductive Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Other Materials Suitable for EM Shielding Applications . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1 Structural Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.2 Conductive Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.3 Conductive Glasses and Transparent Materials . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Conductive (and Ferromagnetic or Ferrimagnetic) Papers . . . . . . . . 44
2.6 Special Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.1 Metamaterials and Chiral Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.2 Composite Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.3 Graphene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1
2 CONTENTS
2.6.4 Other Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.5 High-Temperature Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Figures of Merit for Shielding Con_gurations 57
3.1 (Local) Shielding E_ectiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 The Global Point of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Other Proposals of Figures of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Energy-Based, Content-Oriented De_nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5 Performance of Shielded Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Shielding E_ectiveness: Plane Waves 67
4.1 Electromagnetic Plane Waves: De_nitions and Properties . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Uniform Plane Waves Incident on a Planar Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.1 Transmission-Line Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.2 The Single Planar Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.3 Multiple (or Laminated) Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Plane Waves Normally Incident on Cylindrical Shielding Surfaces . . . . . . . . 78
4.4 Plane Waves against Spherical Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Extension of the TL Analogy to Near-Field Sources . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Shielding E_ectiveness: Near-Field Sources 101
5.1 Spectral-Domain Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1 Maxwell's Equations in the Spectral Domain . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.2 TM/TE Decomposition and Equivalent Transmission Lines . . . . . . . 103
5.1.3 Spectral Dyadic Green's Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.4 Field Evaluation in the Spatial Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2 LF Magnetic Shielding of Metal Plates: Parallel Loop . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.1 Spectral-Domain Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.2 Vector Magnetic-Potential Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.3 Approximate Formulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3 LF Magnetic Shielding of Metal Plates: Perpendicular Loop . . . . . . . . . . . 120
5.4 LF Magnetic Shielding of Metal Plates: Parallel Current Line . . . . . . . . . . 123
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6 Transient Shielding 131
6.1 Performance Parameters: De_nitions and Properties . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2 Transient Sources: Plane Waves and Dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.1 Transient Uniform Plane Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.2 Transient Dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3 Numerical Solutions via Inverse-Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.4 Analytical Solutions in Canonical Con_gurations . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.4.1 Transient Plane Waves on a Single-Layer Screen . . . . . . . . . . . . . 139
3
6.4.2 Transient Dipoles: The Cagniard{de Hoop Method . . . . . . . . . . . . 143
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7 Numerical Methods for Shielding Analyses 157
7.1 Finite-Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 Method of Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.3 Finite-Di_erence Time-Domain Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.4 Finite Integration Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.5 Transmission-Line Matrix Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.6 Partial Element Equivalent Circuit Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.7 Test Case for Comparing Numerical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8 Apertures in Planar Metal Screens 233
8.1 Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2 Statement of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3 Low-Frequency Analysis: Transmission through Small Apertures . . . . . . . . 235
8.4 The Small Circular Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.1 Bethe's Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.2 Spectral-Domain Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.5 Small Noncircular Apertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.6 Finite Number of Small Apertures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.7 Apertures of Arbitrary Shape: Integral-Equation Formulation . . . . . . . . . . 246
8.8 Rules of Thumb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9 Enclosures 257
9.1 Modal Expansion of Electromagnetic Fields inside a Metallic Enclosure . . . . 258
9.2 Oscillations inside an Ideal Source-Free Enclosure . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.3 The Enclosure Dyadic Green Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
9.4 Excitation of a Metallic Enclosure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.5 Damped Oscillations inside Enclosures with Lossy Walls and Quality Factor . . 265
9.6 Apertures in Perfectly Conducting Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.6.1 Small-Aperture Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.6.2 Rigorous Analysis: Integral-Equation Formulation . . . . . . . . . . . . 269
9.6.3 Aperture-Cavity Resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.7 Small Loading E_ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.8 The Rectangular Enclosure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.8.1 Symmetry Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.9 Shielding E_ectiveness of a Rectangular Enclosure with an Aperture . . . . . . 278
9.9.1 Numerical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.9.2 Analytical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.10 Case Study: Rectangular Enclosure with a Circular Aperture . . . . . . . . . . 285
9.10.1 External Sources: Plane-Wave Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.10.2 Internal Sources: Electric and Magnetic Dipole Excitations . . . . . . . 288
9.11 Overall Performance in the Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
4 CONTENTS
9.12 Overall Performance in the Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10 Cable Shielding 309
10.1 Transfer Impedance in Tubular Shielded Cables and Aperture E_ects . . . . . . 310
10.2 Relationship between Transfer Impedance and Shielding E_ectiveness . . . . . 315
10.3 Actual Cables and Harnesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11 Components and Installation Guidelines 321
11.1 Gaskets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
11.2 Shielded Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
11.3 Electromagnetic Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.4 Shielded Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.5 Air-Ventilation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.6 Fuses, Switches, and Other Similar Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12 Frequency Selective Surfaces 331
12.1 Analysis of Periodic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
12.1.1 Floquet Theorem and Spatial Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
12.1.2 Plane-Wave Incidence on a Planar 1D Periodic Structure . . . . . . . . 333
12.1.3 Plane-Wave Incidence on a Planar 2D Periodic Structure . . . . . . . . 335
12.1.4 Integral Equation Formulation for Plane-Wave Incidence and Periodic
Green's Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.1.5 Dipole Excitation of Planar 2D Periodic Structure . . . . . . . . . . . . 340
12.2 High- and Low-Pass FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
12.3 Band-Pass and Band-Stop FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
12.3.1 Center-Connected Elements or N-Pole Elements . . . . . . . . . . . . . 346
12.3.2 Loop-Type Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.3.3 Solid-Interior-Type Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.3.4 Combinations and Fractal Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.4 Recent Trends in FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.4.1 Multilayer and Cascaded FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.4.2 3-D FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
12.4.3 2.5-D FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.4.4 Recon_gurable and Active FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.5 Absorbing FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
12.5.1 Circuit analog absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
12.5.2 Absorptive Frequency Selective Reection/Transmission Structures . . . 354
12.6 Modeling and Design of FSSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5
13 Shielding Design Guidelines 373
13.1 Establishment of the Shielding Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
13.2 Assessment of the Number and Types of Functional Discontinuities . . . . . . . 375
13.3 Assessment of Dimensional Constraints and Non-Electromagnetic Characteristics
of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.4 Estimation of Shielding Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14 Uncommon Ways of Shielding 379
14.1 Active Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.2 Partial Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.3 Chiral Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.4 Metamaterial Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
A Electrostatic Shielding 399
A.1 Basic Laws of Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
A.2 Electrostatic Tools: Electrostatic Potential and Green's Functions . . . . . . . 402
A.3 Electrostatic Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
A.3.1 Conductive Electrostatic Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
A.3.2 Dielectric Electrostatic Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
A.3.3 Aperture E_ects in Conductive Shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
B Magnetic Shielding 417
B.1 Magnetic Shielding Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
B.2 Calculation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
B.3 Boundary-Value Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
B.3.1 Spherical Magnetic Conducting Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
B.3.2 Cylindrical Magnetic Conducting Shield in a Transverse Magnetic Field 426
B.3.3 Cylindrical Magnetic Conducting Shield in a Parallel Magnetic Field . . 431
B.4 Ferromagnetic Shields with Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
C Statistical Electromagnetics for Shielding Enclosures 439
C.1 Statistical Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
C.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
D Standards and Measurement Methods for Shielding Applications 453
D.1 MIL-STD 285 and IEEE STD-299 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
D.2 NSA 65-6 and NSA 94-106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
D.3 ASTM E1851 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
D.4 ASTM D4935 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
D.5 MIL-STD 461G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
D.6 Code of Federal Regulations, Title 47, Part 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
6 CONTENTS
D.7 ANSInSCTE 48-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
D.8 MIL-STD 1377 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
D.9 IEC Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
D.10 ITU-T Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
D.11 Automotive Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
