Die Physik eines Foliengehäuses
Ein Faradayscher Käfig funktioniert nach zwei Mechanismen: Reflexion der einfallenden Welle an der leitenden Oberfläche und Absorption der eindringenden Energie. Die Abschirmwirkung wird als SE in Dezibel ausgedrückt, der Summe aus Reflexionsverlust, Absorptionsverlust und einer Mehrfachreflexionskorrektur. Bei einem dünnen Leiter in einem Feld mit niedriger Impedanz oder ebener Welle dominiert der Reflexionsverlust, während der Absorptionsverlust mit der Dicke und Frequenz zunimmt. Für Aluminium mit einer Leitfähigkeit von etwa 3,77 x 107S/m und einer relativen Permeabilität von 1 sind beide Mechanismen ab einem Material mit einer Dicke von einigen Mikrometern verfügbar.
Hauttiefe: Warum die Foliendicke nur bei geringer Frequenz wichtig ist
Die Hauttiefe ist die Tiefe, in der die Stromdichte auf 1/e ihres Oberflächenwerts gesunken ist, und sie ergibt sich aus der Quadratwurzel aus 2 dividiert durch das Produkt aus Kreisfrequenz, Permeabilität und Leitfähigkeit. Für Aluminium ergeben sich folgende Werte:
| Frequenz | Hauttiefe in Aluminium | Absorptionsverlust für 12 Mikrometer Folie |
|---|---|---|
| 10 kHz | etwa 0,8 mm | weniger als 1 dB |
| 1 MHz | etwa 82 Mikrometer | etwa 1 dB |
| 100 MHz | etwa 8 Mikrometer | etwa 13 dB |
| 1 GHz | etwa 2,6 Mikrometer | etwa 40 dB |
Der Absorptionsverlust wird auf das 8,7-fache der Dicke dividiert durch die Eindringtiefe in Dezibel geschätzt. Die Tabelle zeigt die praktische Grenze: Standard-Haushaltsfolie mit einer Dicke von etwa 10 bis 15 Mikrometern verhält sich ab etwa 10 MHz wie eine elektrisch dicke Abschirmung, bei Netz- und Audiofrequenzen ist sie jedoch weitaus dünner als eine Hauttiefe und der größte Teil der Dämpfung entsteht durch Reflexion und durch die Erdung des Gehäuses. Aus diesem Grund kann eine Folie das Signal eines Mobiltelefons in Innenräumen blockieren und dennoch als magnetische Abschirmung für niedrige Frequenzen versagen.
Wo echte Faraday-Käfige auslaufen
Der Hauptverlust der Abschirmung in einem Foliengehäuse ist nicht die Folie, sondern die Unterbrechungen. Jede Apertur, die größer als etwa ein Zwanzigstel einer Wellenlänge ist, fungiert als Schlitzantenne und sorgt für effiziente Lecks. Bei 1 GHz beträgt eine Wellenlänge etwa 300 mm, sodass ein Spalt von 15 mm bereits ein ernstzunehmender Strahler ist. Weitere Leckagepfade sind die Nahtüberlappung, die mindestens 10 mm betragen und verklebt oder gefaltet und nicht nur gestoßen sein sollte; Kabeleinführungen, die gefiltert oder an der Gehäusewand abgeschlossen werden müssen; und der Oxidfilm auf Aluminium, der an der Luft sofort auf 2 bis 4 nm anwächst und einen gleichrichtenden Kontakt mit hohem Widerstand erzeugt, sofern die Verbindung nicht mechanisch befestigt oder durch eine leitfähige Verbindung unterstützt wird.
Materialien, Formen und Baupraxis
Aluminiumfolie, metallisierte Folie und leitfähiges Gewebe kommen in Abschirmprodukten vor. Folie bietet die höchste Leitfähigkeit und die stabilste Langzeitleistung, aber sie knittert und reißt leicht ein und durch Falten kann eine sehr dünne Schicht reißen. Metallisierter Film ist flexibler und widersteht Biegeermüdung besser, auf Kosten einer geringeren Leitfähigkeit. Bei Verpackungen, die auch statische Entladungen kontrollieren müssen, besteht die übliche Konstruktion aus einer Außenschicht aus einem statisch ableitenden Polymer über einer Metallschicht. Solche Beutel sind gemäß ANSI/ESD S541 zum Schutz von Geräten geeignet, die empfindlich auf elektrostatische Entladungen reagieren. Nähte in einem konstruierten Gehäuse werden durch Falten, mit leitfähigem Klebeband oder durch Schweißen hergestellt, und die Kontinuität der Verbindung sollte durch Widerstandsmessung über die Naht hinweg überprüft werden.
Prüfung der Abschirmwirkung
Die Abschirmung auf Materialebene wird mit der Flansch-Koaxialübertragungsleitungsmethode nach ASTM D4935 gemessen, die eine Abschirmwirkung gegen eine ebene Welle über einen definierten Frequenzbereich, typischerweise 30 MHz bis 1,5 GHz, liefert. Die Leistung auf Gehäuseebene wird mit den Methoden von IEEE 299 gemessen, die kalibrierte Antennen innerhalb und außerhalb des Gehäuses verwenden und die Dämpfung bei definierten Frequenzen melden. Beide Methoden geben Dezibel an, und eine angegebene Zahl ist ohne den Frequenzbereich, die Testmethode und die Feldart bedeutungslos, da ein Folienkäfig, der 60 dB bei 900 MHz misst, möglicherweise nur wenige Dezibel bei 50 Hz misst.
Grenzen und häufige Missverständnisse
Drei Punkte werden regelmäßig missverstanden. Erstens blockiert ein Faradayscher Käfig elektrische Felder und Radiowellen, aber er blockiert kein statisches Magnetfeld. Zweitens schirmt Aluminiumfolie nicht allein durch Erdung ab; Das Gehäuse muss elektrisch durchgehend sein, und eine schwimmende Umhüllung leitet nur dann Ladung ab, wenn sie mit einem definierten Potenzial verbunden ist. Drittens führt das Einpacken eines Geräts, das sein eigenes Signal sendet, nicht unter allen Bedingungen zum Schweigen, da eine Folienschicht in der Nähe einer Antenne die Antenne verstimmt und das Emissionsspektrum verändern kann, anstatt es einfach zu absorbieren. Jede Abschirmungsanwendung, die ein zertifiziertes Produkt betrifft, sollte durch Messung und nicht durch Annahmen überprüft werden.
Häufig gestellte Fragen
Q:Wie dick muss Aluminiumfolie sein, um ein Mobilfunksignal zu blockieren?
A: Eine einzelne Schicht gewöhnlicher Haushaltsfolie mit einer Dicke von etwa 10 bis 15 Mikrometern reicht in der Regel über ein paar hundert Megahertz aus, aber das Ergebnis hängt davon ab, wie vollständig der Artikel verpackt ist. Abdeckung und Nahtüberlappung sind wichtiger als das Hinzufügen einer zweiten Schicht.
Q:Blockiert Aluminiumfolie Magnetfelder?
A: Nur magnetische Wechselfelder und nur so weit, dass ihre Dicke einer Hauttiefe nahekommt. Ein statisches Feld wird nicht gedämpft, und bei 50 oder 60 Hz beträgt die Eindringtiefe in Aluminium etwa 10 mm und ist damit weitaus dicker als bei jeder anderen Folie.
Q:Warum schützt eine Folie manchmal nicht, obwohl sie versiegelt aussieht?
A: Es dominieren Lücken, Falten und Nähte. Eine Apertur, die größer als etwa ein Zwanzigstel einer Wellenlänge ist, strahlt stark, und der natürliche Oxidfilm auf Aluminium erzeugt an den Nähten einen Kontakt mit hohem Widerstand, sofern die Verbindung nicht verklebt ist.
Q:Nach welchen Standards wird die Abschirmwirkung gemessen?
A: ASTM D4935 misst die Abschirmwirkung eines flachen Materials mit einem koaxialen Flanschhalter über einen definierten Frequenzbereich, und IEEE 299 definiert Methoden zur Messung der Abschirmwirkung eines Gehäuses.
Q:Was ist der Unterschied zwischen einem Folienschutzbeutel und einem metallisierten Folienbeutel?
A: Eine Folienschicht bietet eine höhere Leitfähigkeit und eine stabilere Dämpfung, knittert jedoch und kann reißen. Eine metallisierte Folie ist flexibler und übersteht wiederholtes Falten besser, bei geringerer Leitfähigkeit. Taschen für statisch empfindliche Geräte sind gemäß ANSI/ESD S541 qualifiziert.
Q:Kann Aluminiumfolie zur Abschirmung eines ganzen Raumes verwendet werden?
A: Es kann für eine Dämpfung sorgen, aber nur, wenn alle sechs Oberflächen durchgehend sind und jeder Kabeleingang an der Grenze gefiltert wird. Bei der praktischen Raumabschirmung werden statt loser Folie starre Folienplatten, verklebte Nähte und gefilterte Durchdringungen verwendet.
