Экраны — ваши друзья, кроме случаев, когда...

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2013

Инженеры любят ставить экраны в схемах, чаще всего в качестве меры защиты от сигналов, приходящих из внешнего мира внутрь и нарушающих работу наших схем. Но экраны также предотвращают выход внутренних сигналов, что по-настоящему радует людей, ответственных за электромагнитную совместимость.

Даже в низкочастотных схемах экранирование может избавить от искажений, обусловленных потоками воздуха и помехами в сети переменного тока. На более высоких частотах экранирование может обезопасить от излучений и перекрестных помех. В ВЧ или СВЧ схемах экранирование дает возможность создавать радиоприемники, анализаторы спектра и другие виды оборудования, которое просто не могло бы функционировать без качественной экранной изоляции между различными цепями схемы, работающими на высоких и промежуточных частотах.

Так что же может пойти не так? Ну, 10 лет назад – не так много. Мы все еще работали на частотах до 2.5 ГГц практически во всех стандартных устройствах беспроводной связи. И улучшить ситуацию в большинстве случаев помогало только экранирование. Тогда мы считали «обычным высокочастотным» все, что было ниже 3 ГГц, но сегодня мы уже считаем «обычным» то, что ниже 6 ГГц, и можем запросто создавать схемы, работающие на частотах до 6 ГГц, даже в потребительских устройствах [1].

Эта ситуация требует экранирования наших высокочастотных схем не только для обеспечения их корректной работы, но еще и для подавления электромагнитных излучений, которые могут доставить неприятности в процессе нормативных испытаний.

Традиционной формой экранирования являются какие-либо конструкции из проводящего материала, накрывающие собой нашу схему. Эти конструкции могут быть совершенно различными, начиная от подобия консервной банки для ТВ тюнеров, простых литых пластиковых деталей, покрытых проводящим материалом, до дорогостоящих цельных алюминиевых обработанных на станке конструкций, изготовленных на заказ для наших конкретных плат.

Устанавливая на плате экран, мы создаем проводящую полость, в которой на определенных частотах возникают поперечные электромагнитные колебания (TEM) [2]. Другими словами, она начитает резонировать на определенных частотах.

Эти резонансные колебания обычно являются нежелательными, так как мы хотим, чтобы наш экран предотвращал выход наружу электрических полей (и он это делает), но на определенных частотах энергия электромагнитных волн внутри экрана становится довольно высокой. Вот тут-то и могут начаться наши проблемы.

Предсказать, на каких частотах проявится это явление, возможно с использованием несложной математики [2].

Для короба с размерами H, W и L (высота, ширина и длина), где W > L > H, все множество частот (мод) TEM колебаний может быть найдено из следующего выражения:

(1)

где

размеры указываются в метрах,
резонансная частота в МГц,
полость внутри экрана считается заполненной воздухом.

Переменными a, b и c определяются различные моды TEM колебаний – они могут принимать только значения 1 или 0. При наличии трех возможных переменных, принимающих значение 1 или 0, эта простая модель может быть использована для прогнозирования всех возможных TEM колебаний в прямоугольном закрытом коробе.

При проектировании экрана обычно нас интересует только наименьшая частота, на которой может резонировать полость внутри экрана, поэтому выражение (1) может быть упрощено следующим образом:

(2)

Выражение 2 описывает колебание моды TEM₁₀₁. Переменные a и c из выражения (1) равны единице, а b – нулю. Как вы можете догадаться, это наибольшая диагональ экранирующего короба. И величина, обратная длине этой диагонали, будет пропорциональна искомой частоте.

Выражение (2) может использоваться для вычисления наименьшей частоты, на которой начнет резонировать прямоугольный экран.

Теория и практика испытаний

Теперь у нас есть способ увидеть, начнет ли наш экран резонировать на какой-либо достаточно низкой, представляющей для нас интерес частоте. Давайте проведем несколько реальных тестов. Обычно я использую такие миниатюрные экранирующие короба, которые могут быть припаяны на печатную плату [3]. Маленький экран, который я регулярно использую, имеет размеры 1.5 × 1× 0.4 дюйма. Подставив эти значения в выражение (2), мы найдем самую нижнюю частоту моды TEM, приблизительно равную 7 ГГц.

Чтобы проверить это, я собрал тестовую плату, состоящую из входного и выходного пробников. Выходной пробник и экран припаяны к отрезанному кусочку двухстороннего стеклотекстолита (Рисунок 1).

Рисунок 1.

Чтобы проверить эту теорию, я припаял металлический экран размером 1.5 × 1 × 0.4 дюйма на кусочек стеклотекстолита. Для подключения входного и выходного сигналов я также припаял слегка модифицированные разъемы SMA, чтобы получить доступ к пространству внутри экрана. Разъемы действуют как маленькие емкостные зонды и позволяют нам получить количественную характеристику происходящего внутри экрана, подключив их к векторному анализатору цепей.

Длине центральной части пробников специального внимания не уделялось, за исключением того, что они были сделаны короткими по отношению к длине электромагнитных волн (<< ¼ длины волны на интересующих нас частотах) и установлены по краям короба, в общем-то, произвольным образом. Края короба были выбраны для размещения зондов по той причине, что, возможно, такое расположение соответствует наилучшей ожидаемой изоляции внутри экрана, и, кроме того, края могут служить моделью входов и выходов конкретной схемы.

Рисунок 2.	Обратная сторона тестовой платы с разъемами SMA, которые будут подключаться к векторному анализатору цепей.
Рисунок 3.	Внешний вид тестовой установки с установленным экраном.

Пора приступать к реальным измерениям. Векторный анализатор цепей (ВАЦ) портами 1 и 2 был подключен между разъемами. После этого была проведена серия измерений параметра S21.

Первый график на ВАЦ был получен со снятой крышкой, и он демонстрирует естественные связи между входным и выходным пробником (Рисунок 4). Эту схему можно грубо смоделировать при помощи небольшого конденсатора, включенного последовательно с резистором между пробниками внутри экрана. На низких частотах связь очень мала, в то время как на высоких частотах она возрастает и в конечном итоге устанавливается на постоянном уровне.

Излишне говорить, что малейшее изменение положения емкостных пробников внутри экрана будет четко отражено в ответной реакции. По мере их сближения связь будет возрастать. Однако пробники припаяны к плате, и перемещаться не могут, поэтому сравнение результатов будет корректным.

Рисунок 4.	Синим цветом показана снятая с помощью ВАЦ зависимость между выходом и входом при снятой крышке экранирующего короба. Она отображает ожидаемое поведение емкостной связи вплоть до очень высоких частот. Красная кривая показывает, что происходит под закрытой крышкой, которая превращает нашу скучную печатную плату в высокорезонансную и сложную полую структуру с несколькими резонансами.

Как можно увидеть на Рисунке 4, при установке крышки на место наш замечательный экранирующий короб превращается в сложную резонансную структуру с несколькими резонансами (пики и провалы). Выражение 2 предсказывало, что первый резонанс должен произойти на частоте около 7 ГГц. И, действительно, первый пик находится именно там. На этом пике связь между входом и выходом увеличилась более чем на 30 дБ.

Почему это нас волнует? Есть несколько причин. Во-первых, если рабочая частота устройства совпадает с частотой одного из этих пиков, возросшая связь может вызвать паразитные колебания. Эти колебания могут оказаться вне интересующего вас диапазона, но если ваш усилитель работает на какой-то высокой частоте, есть вероятность, что они окажут негативное влияние на его работу и на более низких частотах.

Однажды я столкнулся с многокаскадным усилителем, в котором, как только его закрывали экраном, возникала устойчивая генерация за пределами рабочего диапазона. Вы можете никогда не увидеть этого из-за недостаточного усиления ВАЦ или особенностей его развертки, но это явление повлияет и на рабочую точку усилителя, и на его гармоники, что скажется на работе связанных с ним цепей.

С другой стороны, если ваша схема работает на частотах этих резонансов, вполне возможно, что вы «прогоняете» частоты сквозь точки резонанса. Тогда вы будете наблюдать все виды необъяснимых провалов мощности (также называемых «suck outs»).

Третья проблема может возникнуть, когда среди рабочих частот вашей схемы есть частоты, близкие к резонансным (или просто сильные широкополосные связи). Это приводит к значительному увеличению энергии внутри экрана и может вызвать сбои, обусловленные возросшим выходом электромагнитных помех за его пределы.

Я уверен, что существует бесчисленное множество других проблем. Здесь перечислены только те немногие, что доставили неприятностей мне.

Ссылки

1. Беспроводные маршрутизаторы стандарта 802.11, которые можно приобрести в сети Home Depot, работают на частотах 5-8 ГГц. Электроника весьма банальна, если ее можно приобрести в Home Depot.
2. См. любой ВУЗовский учебник по полям и волнам для углубленного объяснения данной тематики, например, «Lines, waves and antennas», Robert Brown и др., 1973
3. Поставщик экранов, которые были использованы в этом примере, компания Leader Tech, leadertechinc.com