CC BY
51
УДК 621.396
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В ЗАКРЫТЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
В.В. Глотов, М.А. Ромащенко
На современном этапе проблема электромагнитной совместимости играет значимую роль в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Большинство разработчиков стараются миниатюризировать электронные компоненты, из-за чего увеличиваются шансы сбоев в работе электронных средств. Для экономии фонда рабочего времени и денежных средств вполне логично и целесообразно выявлять проблемные места печатной платы на ранних стадиях разработки. В статье представлено описание методики оценки электромагнитных характеристик печатных плат в закрытых конструкциях. Описываются изменения электромагнитных характеристик печатной платы в закрытой среде и в свободном пространстве. Также в статье рассказывается об изменении протекания тока в Г-образной микрополосной линии. Проводится сравнение излучающих потерь печатных плат, которые были смоделированы в ходе эксперимента
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, печатные платы, корпус, излучения
Размещение элементов с высокой плотностью широко применяется в современных конструкциях печатных плат (1111). Однако это приводит к большому количеству проблем электромагнитной интерференции между 1111 и корпусом изделия. Это особенно касается крупных электронных систем с несколькими 1111 [1]. Следовательно, вопрос электромагнитной совместимости (ЭМС) 1111 должен включать раздел взаимодействия между 1111 и корпусами.
В данной работе эквивалентная дипольная модель расширена для представления 1111 в закрытых помещениях. Эта методика привлекательна из-за своей вычислительной простоты и независимой информации о схеме. Тем не менее, эквивалентные дипольные модели, найденные либо из решения обратной задачи, либо из генетической оптимизации алгоритма не работают в закрытых конструкциях. Такой пример показан на рис. 1, где проводились, как полное моделирование поля, так и эквивалентное дипольное моделирование вне прогнозируемого поля, возбужденного в Г-образной микрополосковой линии, внутри корпуса на частоте 4 ГГц.
Геометрическая конфигурация модели подробно описана на рис. 1 (а). Полное моделирование поля, которое выступало в качестве эталона для точности измерения эквивалентной модели как ПП, так и корпуса было смоделировано методом моментов. В то время как в эквивалентной дипольной модели
ПП была заменена эквивалентной моделью, состоящей из диполей и заземлений, полученной из ближнего поля сканирования в свободном пространстве. Установлено, что оба результата совершенно не согласованы [2]. Одной из возможных причин является то, что в свободном пространстве эквивалентная модель представляет только электромагнитные возбуждения ПП, но не взаимодействия между ПП и корпусом. Точные модели в закрытых помещениях требуют эквивалентное представление для обоих излучающих источников и взаимодействий между ПП и корпусом.
Жл
V
Рис. 1. Печатная плата 80x50x15 мм в корпусе 100x70x40 мм, с отверстием в центре крышки 20x20 мм
110 I
50 20
-10
-10 20 50 80
а)
-10 20 50 80 б)
Рис. 2. Область Г-образной микрополосковой линии внутри корпуса, полученная путем моделирования ПП: а) с полной моделью поля и б) свободного пространства эквивалентной модели
Глотов Вадим Валерьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
При изучении этого проекта было обнаружено, что из-за физического присутствия ПП происходят изменения при распространении волны, которые влияют на
излучения в большей степени, чем на изменения токов 1111 в закрытых помещениях. Этот эффект является наиболее важным фактором, характеризующим взаимодействие между 1111 и корпусом.
Другие эффекты вызываются
множественными взаимодействиями, такие как изменение распределения тока, потери излучения и импеданса. Таким образом, эквивалентная модель должна представлять не только излучения, но и грубое физическое присутствие 11, например, его плоскость земли и диэлектрического тела. Для этой цели эквивалентная модель расширена, чтобы явно включать в себя плоскость заземления и диэлектрик. Эта модель называется «диполь -диэлектрик - проводящая плоскость», которая представляет собой общее представление 11, модель в свободном пространстве.
Электромагнитные характеристики печатной платы в закрытых системах. После того, как 11 установлена внутри корпуса, будет происходить множество взаимодействий, в том числе и некоторые факторы, такие как многократные отражения индуцированных токов и демпфирование полей 11 и т.д.
Так же затрагиваются электромагнитные характеристики ПП. Но эквивалентные модели, полученные из ближнего поля сканирования, в свободном пространстве не выявляют эти эффекты. Поэтому для того, чтобы установить эквивалентные модели в закрытых пространствах, множественные эффекты взаимодействия на 11 должны быть дополнительно смоделированы [3].
В качестве источника излучения ПП, как правило, берется текущее распределение токов, импеданс и физическое присутствие самой ПП. В данной работе описывается приближенная модель, которую имеет смысл рассматривать только на существенно влияющих характеристиках ПП. По этой модели был проведен ряд экспериментов и моделирований для проверки электромагнитных характеристик ПП как в свободном пространстве, так и в замкнутом пространстве.
Рис. 3. Внешний вид тестовой разработки
Тест был проведен из корпуса, выполненного из меди толщиной 1 мм с геометрическими размерами 100*70*40 мм. На крышке корпуса имеется отверстие 20*20 мм, как показано на рис. 3. Когда ПП была помещена в корпус, крышка была запечатана с помощью медной ленты. Частота среза для данной конструкции вычисляется по формуле:
F = -
А стп 2
Е • ц
(1)
где е и ц - это диэлектрическая проницаемость и проницаемость сред; а, Ь и с -геометрические размеры коробки (а > Ь > с); т, п, и р - порядковые номера (т = 1, п = 1, р = 0). Частота среза для данной коробки составляет около 2,62 ГГц.
Ток распространения на печатной плате. Одной из основных характеристик, являющееся излучающим источником конфигурации ПП в корпусе, является распределение тока на ПП [4]. Г-образная микрополосковая линия была выбрана в качестве излучающего источника, и ее сравнивали с распределением токов в свободном пространстве и в закрытой конструкции. На одном конце дорожки был подключен источник напряжения 1 В с сопротивлением 50 Ом, а на другом конце дорожки была прекращена нагрузка в 50 Ом. Токи были получены путем численного моделирования ПП на основе методов моментов, как показано на рис. 4. В замкнутом пространстве модель ПП была расположена на 8,5 мм выше дна корпуса. Идентичные сетки были использованы для ПП, как в свободном пространстве, так и в закрытой среде.
К
а) ЗБ - модель
б) Вид сверху
1 В
50 Ом
/
25
в) Вид сбоку г) Номер сигменга дорожки Рис. 4. Полная модель Г-образной микрополосковой линии внутри корпуса
На рис. 5 изображено распределение тока на частоте 1 ГГц, показывающее всю карту интенсивности на верхней поверхности
конструкции и детальный вид вдоль Г-образной дорожки. Эта частота ниже среза, таким образом, есть только локализованные моды. Замечено, что распределение тока в замкнутой среде практически идентично тому, что в свободном пространстве.
у (мм)
у (мм)
х (мм) ' X (мм)
а) Карта распределения частоты выше печатной
- Свободное пространство * В замкнутой пространстве
С 5 10 15 10 25
б) Наблюдение вдоль дорожки
Рис. 5. Распределение тока на Г- образной микрополосковой плате в свободном пространстве и в испытательной коробке на частоте 1 ГГц
Распределение тока на более высокой частоте 4 ГГц представлено на рис. 6. Тем не менее, изменение распределения тока в замкнутой среде не имеет существенного значения (<1% при 4 ГГц). Для приближенной эквивалентной модели можно с уверенностью предположить, что изменение является незначительным. Это означает, что эквивалентные диполи, полученные из ближнего поля сканирования в свободном пространстве все еще в состоянии отражать текущее распределение ПП в закрытых помещениях.
У (мм) ° ¡^Г-ю0 " %
-20 -20 / - -л / ч
X (мм) X (мм)
а) Карта распределения частоты выше печатной платы
Рис. 6. Распределение тока на Г-образной микрополосковой плате в свободном пространстве и в испытательной коробке на 4 ГГц
-1- В свободном пространстве Ь замкнутом пространства
/Ч !/ч
V
20
25
С 5 19 15
б) Наблюдение вдоль дорожки
Рис. 6. Распределение тока на Г-образной микрополосковой плате в свободном пространстве и в испытательной коробке на 4 ГГц (продолжение)
Потери при излучении. Излучающие потери - это отношение мощности, излучаемой от ПП, на мощность, подводимой к ПП [5]. Это является показателем эффективности ПП в качестве излучающего источника.
Эквивалентные диполи представляют только излучаемую долю от общей мощности. Следовательно, если потери на излучение существенно изменяются с помощью множественных взаимодействий, то они должны быть приняты во внимание в эквивалентных моделях. Экспериментальные измерения векторным анализатором является удобным способом охарактеризовать потери на излучения. Для Г- образной микрополосковой ПП, конец источника дорожки обозначают в качестве порта 1, а торцевой нагрузки портом 2 (оба конца подключают к векторному анализатору через 50 Ом, через коаксиальный частотный разьем (БМА)). Параметры рассеивания (отраженная мощность) и S2l (передаваемая мощность) были измерены, тогда потери мощности могут быть вычислены с помощью следующей формулы:
Суммарные потери излучений = = потери + прочие потери =
= - |5ц|2 - |5:
211
(2)
Хотя измерение включает другие потери, например, потери, связанные с индуцированными токами, то излучающие потери составляют основную часть общих потерь. Измерения проводились в свободном пространстве и в корпусе независимо друг от друга. Полученные результаты показаны на рис. 7. До 5 ГГц потери от ПП в свободном пространстве и в закрытой среде не имеют существенного значения. Почти такая же доля мощности применяется к плате, которая полностью включена в эквивалентную дипольную модель, полученную из ближнего
2. Электронный каталог Лаборатория ЭМС. -Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.emc-problem.net.
3. Макаров, О.Ю. Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств: монография / О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, М.А. Ромащенко. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. - 234 с.
4. Ромащенко М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в конструкциях РЭС и принципы его выполнения / М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7, № 4. - С. 106-109.
5. Ромащенко, М.А Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Ромащенко Михаил Александрович. - Воронеж, 2014.-36с.
Воронежский государственный технический университет
ASSESSMENT METHOD OF ELECTROMAGNETIC PERFORMANCE OF PRINTED CIRCUIT BOARDS IN CLOSED STRUCTURES
V.V. Glotov1, M.A. Romashchenko2
'Postgraduate Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: [email protected] 2Ph.D., Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
e-mail: [email protected]
Currently, the problem of electromagnetic compatibility plays an important role in the development of radio electronic equipment. Most developers are trying to minimize electronic components, which increases the risks of failure in the operation of electronic tools. To save time and money, it is quite logical and expedient to identify the problem spots of the printed circuit board in the early stages of its development.
The description of the technique for the estimation of electromagnetic characteristics of printed-circuit-boards in the closed designs is presented in the article. Changes in the electromagnetic characteristics of the printed circuit board in a closed environment and in free space are described. Moreover, the article describes the change in the current flow in the L-shaped micro strip line. The emitting losses of printed circuit boards are compared as well
Key words: electromagnetic compatibility, printed circuit boards, housing, radiation
References
1. Kechiev L.N., "Designing of printed circuit boards for high-speed digital hardware" ("Proektirovanie pechatnyh plat dlja cifrovoj bystrodejstvujushhej apparatury"), Moscow, "Grupa IMT", (2007): 616.
2. OPAC EMC Laboratory. "Electron. Dan, " http://www.emc-problem.net
3. Makarov O.U., Muratov A.V., Romashchenko M.A., "Methodology to ensure electromagnetic compatibility and noise immunity within the construction of electronic devices " ("Metody obespechenija vnutriapparaturnoj jelektromagnitnoj sovmestimosti ipomehoustojchivosti v konstrukcijah jelektronnyh sredstv"), Monograph - Voronezh, VPO "Voronezh State Technical University", (2013): 234.
4. Romashchenko M.A., "Basic EMC software analysis tasks in REM designs and the principles of its implementation ("Osnovnye zadachi analiza obespechenija EMC v konstrukcijah RES i principy ego vypolnenija"), Bulletin of Voronezh State Technical University 7-4 (2011): 106-109.
5. Romashchenko M.A., "Methodology for designing constructions of radio electronic devices based on electromagnetic compatibility and interference immunity" ("Metody optimal'nogo proektirovanija konstrukcij radiojelektronnyh sredstv s uchetom jelektromagnitnoj sovmestimosti ipomehoustojchivosti"), Romashchenko M.A.- Dissertation Abstract, Voronezh (2014): 36.
поля сканирования в свободном пространстве.
Рис. 7. Параметры потерь излучений Г-образной микрополосковой платы в свободном пространстве
Литература
1. Кечиев, Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев.- М.: ООО «Група ИДТ», 2007. - 616 с.
