Schirmdämpfung

Die Schirmdämpfung ist ein Maß für die Qualität eines Schirms in der elektromagnetischen Verträglichkeit. Während die Abschirmung eine technische Maßnahme ist, ist die Schirmdämpfung eine dimensionslose Messgröße, die die Wirksamkeit des Schirms quantifiziert. Der Schirm übernimmt dabei die Funktion, z.B. nach dem Prinzip des Faradayschen Käfigs, ein Raumgebiet, das er umgibt, gegenüber einem äußeren elektrischen Feld zu schützen, seine Wirksamkeit wird mit der Schirmdämpfung erfasst. Auch der Schutz gegenüber dem magnetischen Feld und dem elektromagnetischen Feld werden mit der Größe der Schirmdämpfung erfasst. Bei geschirmten Leitung wird ebenfalls oft eine Schirmdämpfung angegeben, die Meßgröße zur Erfassung der Schirmwirkung einer Leitung lautet aber Transferimpedanz oder veraltet Kopplungswiderstand.

Definition der Größe Schirmdämpfung

Die Schirmdämpfung ist definiert als das Verhältnis der Leistungsdichte S₁ an einem Raumpunkt vor dem Einbringen eines Schirms zur Leistungsdichte S₂ am selben Raumpunkt nach Einbringen eines Schirms. Die Schirmdämpfung ist dimensionslos und wird im logarithmischen Maß üblicherweise in Dezibel ausgedrückt. In Dezibel folgt für die Schirmdämpfung (se für engl. shielding effectiveness):

${\frac {se_{p}}{\mathrm {dB} }}=10\cdot \log _{10}{\frac {S_{1}}{S_{2}}}$

Auf den elektrischen Feldanteil E übertragen lautet die Formel:

${\frac {se_{e}}{\mathrm {dB} }}=20\cdot \log _{10}{\frac {E_{1}}{E_{2}}}$

Auf den magnetischen Feldanteil H übertragen lautet die Formel:

${\frac {se_{h}}{\mathrm {dB} }}=20\cdot \log _{10}{\frac {H_{1}}{H_{2}}}$

Die Größen S, E und H stehen für transversalelektromagnetische Felder über die Gleichung

${\vec {S}}={\vec {E}}\times {\vec {H}}$

miteinander in Beziehung. Für die Größen im geschirmten Raum können je nach Art des Schirmes erhebliche Abweichungen von dieser Gleichung entstehen, weil dann durch den Einfluß des Schirms nicht in allen Fällen zwingend von einem transversalelektromagnetischen Feld ausgegangen werden darf.

Die nach den o.a. Gleichungen ermittelte Schirmdämpfung setzt sich zusammen aus den Beiträgen der Reflexion einer elektromagnetischen Welle, der Absorption der Welle innerhalb eines Schirmmaterials und der Mehrfachreflexion innerhalb des Materials. Bei Annahme einer ebenen Welle wäre die Größe mit Index 1 die einfallende Feldgröße, die Größe mit Index 2 wäre die durch den Schirm transmittierte Feldgröße. Deren Verhältnis ergibt die Schirmdämpfung, die in den Gleichungen im logarithmischen maß dargestellt wird. In allen drei o.g. Gleichungen bezieht sich der Index 1 auf auf das Feld ohne und der Index 2 auf das Feld mit Schirmung am selben Raumpunkt.

Degradation der Schirmdämpfung

Um die Mechanismen zu erläutern, die zur Degradation der Schirmdämpfung führen, wird kurz die Wirkung eines Schirms erläutert. Ausführlichere Darstellungen der Wirkungsweisen finden sich unter dem Stichwort Abschirmung_(Elektrotechnik).

Wirkungsweisen eines Schirms und Einfluß auf die Schirmdämpfung

Die Schirmdämpfung quantifiziert die Wirkung eines Schirms gegenüber elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern. Die Wirkungsweisen von Abschirmungen gegenüber solchen Feldern sind im Folgenden kurz zusammengefasst.

Schirmung eines niederfrequenten elektrischen Feldes

Gegenüber elektrostatischen Feldern und niederfrequenten elektrischen Feldern wirkt ein Schirm nach dem Prinzip des Faradayschen Käfigs.

Schirmung eines niederfrequenten magnetischen Feldes

Gegenüber niederfrequenten magnetischen Feldern wirkt ein Schirm aufgrund der hohen Permeabilität des Schirmmaterials, die dazu führt, dass sich die magnetische Flussdichte im Schirmmaterial konzentriert.

Schirmung eines elektromagnetischen Feldes

Gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wirkt ein elektrisch leitender Schirm gegen den elektrischen Feldanteil nach dem Prinzip des Faradayschen Käfigs. Gegenüber dem hochfrequenten magnetischem Feldanteil wirkt ein Schirm aufgrund von Ausgleichsströmen, die ihrerseits ein die äußere einfallende magnetische Feldkomponente kompensierendes Gegenfeld erzeugt (vgl. Lenzsche Regel). Damit ein Ausgleichsstrom fließen kann, müssen z.B. Leitungsschirme zweiseitig angeschlossen werden. Alternativ können Schirme aus verlustbehafteten Materialien bestehen, die die elektromagnetische Feldenergie in Wärme umwandeln.

Degradationsmechanismen

Die Schirmdämpfung wird degradiert durch Öffnungen im Schirm mit großer Ausdehnung, dazu zählen auch schmale Spalte großer Länge, durch verminderte elektrische Leitfähigkeit eines Schirmmaterials oder gegenüber niederfrequenten Magnetfeldern durch eine geringe Permeabilität des Schirmmaterials.

Gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wird ein Schirm grundsätzlich erheblich geschwächt, wenn kein Ausgleichsstrom fließen kann oder wenn keine hinreichende Absorption in einem verlustbehafteten Material stattfindet, z.B. bei einseitiger Schirmauflegung an einer geschirmten Leitung. Ein Schirm wirkt dann nur noch kapazitiv, während die ausschlaggebende ungewollte induktive Einkopplung des magnetischen Feldanteils direkt auf die geschirmten Baugruppen oder Leiter wirkt.

Messverfahren

Bekannte Standards für Messverfahren zur Ermittlung der Schirmdämpfung sind der MIL-STD 285, die militärische Verteidigungsgerätenorm VG 95370, Teil 15, oder der US-amerikanische Standard NSA 65-6.

Literatur

• H. Kaden: Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik. 2., vollst. neu bearb. A. Auflage. Springer Verlag, 1959 (März 2006), ISBN 3-540-32569-7.