Учебное пособие 800552

Рис. 4.10. Входной импеданс симметричного вибратора с центральным возбуждением

На очень НЧ, т.е. при l , входной импеданс почти полностью

реактивный и обратно пропорционален частоте ZВХ 12 fC . Однако с увеличением частоты (уменьшением длины волны) амплитуда отрицательного реактивного сопротивления становится меньше и в конечном итоге проходит через ноль, после чего становится положительной и продолжает расти. Реактивное сопротивление становится равным нулю при общей длине провода чуть меньше, чем половина длины волны. Дипольная антенна с таким размером имеет действительный входной импеданс около 72 Ом и называется полуволновым резонансным симметричным вибратором.

Пример 5. Рассчитать излучаемую мощность полуволнового резонансного диполя без потерь, возбуждаемого источником напряжением 1 В. Определить максимальную напряженность излучаемого поля на расстоянии 3 м от антенны.

Поскольку как входное сопротивление, так и сопротивление излучения около 72 Ом, то верное решение будет следующим:

Для нахождения максимальной напряженности излучаемого поля на расстоянии 3 м от антенны, во-первых, необходимо определить максимальную плотность излучаемой мощности

Сравнивая полученное значение с напряженностью излучаемого поля электрически короткой цепи, рассмотренной в примере 4, можно сделать вывод о влиянии размера и формы антенны на ее эффективность излучения. Предположив, что в обоих примерах возбуждение происходит на частоте равной 80 МГц, при максимальном размере цепи, равном 0,05 м, и максимальном размере диполя 0,375 м (половина длины волны на частоте 80 МГц), разница будет в 7,5 раз. Однако увеличение помехоэмиссии составит

280 мВ/134 мкВ = 2000 раз или 66 дБ.

Пример 6. Рассчитать эффективность излучения полуволнового симметричного вибратора с центральным возбуждением, сделанного из медного провода радиусом 0,5 мм на частоте 100 МГц.

Излучаемая мощность резонансного полуволнового симметричного вибратора определяется как

где I – ток, создаваемый источником. Для вычисления рассеиваемой мощности необходимо определить удельное сопротивление медного провода на частоте

100 МГц.

Тогда суммарная рассеиваемая мощность в полуволновом симметричном вибраторе равна

Таким образом, эффективность данного резонансного полуволнового симметричного вибратора равна

51

Сравнивая полученное значение с эффективностью излучения малой цепи из примера 4, можно отметить, что резонансные проволочные антенны излучают гораздо большую эффективность, по сравнению с электрически малыми паразитными антеннами. Разница может быть в пределах 4-6 порядков.

4.6. Четвертьволновый несимметричный вибратор

Полуволновый симметричный вибратор является отличной антенной и применяется во многих случаях. Однако на низких частотах его конструкция громоздка и, кроме того, он не может работать вблизи крупных металлических поверхностей. Четвертьволновый несимметричный вибратор представляет собой одну часть полуволнового симметричного вибратора, возбуждаемого относительно большой металлической поверхности, как представлено на рис. 4.11. С учетом того что нижняя половина такого несимметричного вибратора может быть смоделирована как отражение его верхней части, то излучающие свойства такой антенны похожи на свойства полуволнового симметричного вибратора. Входной импеданс резонансного четвертьволнового несимметричного вибратора равен половине входного импеданса резонансного полуволнового симметричного вибратора и составляет около 36 Ом.

Рис. 4.11. Четвертьволновый несимметричный вибратор

В конструкциях ЭС подобными несимметричными антеннами могут быть кабели, возбуждаемые относительно крупных металлических корпусов. Поскольку резонансный несимметричный вибратор является очень эффективным источником излучения, важно убедиться, что разность потенциалов между кабелем и корпусом на возможных резонансных частотах достаточно мала.

Пример 7. Определить чему приблизительно равна частота излучения проводника длиной 0,25 м, присоединенного к крупному металлическому объекту и образующего четвертьволновую несимметричную антенну?

52

Точное значение частоты назвать сложно, так как она зависит от ориентации проводника, его поперечного сечения, размера и формы металлического объекта и множества других факторов. Ориентировочно можно считать, что 0,25 м составляют четверть волны для частоты 300 МГц. Т.е. именно в районе данной частоты кабель может резонировать и эффективно излучать.

4.7. Вибратор, возбуждаемый не в центре

При возбуждении проволочной антенны в центре она будет продолжать демонстрировать резонансы вблизи полуволновых значений, однако сопротивление излучения на резонансах будет являться функцией положения источника. Подобный график представлен на рис. 4.12. Отметим, что сопротивление быстро увеличивается при удалении источника напряжения от центра и при его нахождении вблизи конца проводника он не сможет эффективно обеспечивать питание антенны даже в случае резонанса.

Рис. 4.12. Сопротивление излучения резонансного полуволнового симметричного вибратора как функция от положения источника

4.8. Характеристика эффективных и неэффективных антенн

Большинство непреднамеренных источников излучения, с которыми встречается ЭМС-инженер, могут быть смоделированы как простая дипольная антенна. Для эффективного излучения подобной паразитной антенной необходимо выполнение трех основных условий:

-антенна должна иметь две части;

-обе части должны быть электрически малыми;

-между этими двумя частями должно присутствовать возбуждающее напряжение.

53

При попытках обнаружить паразитный источник излучения важно помнить первое условие. Неверно утверждать, что определенный проводник или металлическая часть является «антенной». Одиночный проводник не может являться эффективной антенной, пока он не будет возбужден относительно другой подходящей структуры, которая также будет являться неотъемлемой частью антенны. После обнаружения паразитной антенны дальнейшие возможные варианты ослабления помехоэмиссии становятся вполне очевидными.

Нахождение второй части паразитной антенны упрощается при использовании второго условия. Например, при поиске паразитной антенны, способной излучать на частоте 50 МГц ( = 6 м), необходимо обращать

внимание на проводящие структуры с размерами около 1,5 м. Маловероятно, что искомая паразитная антенна будет расположена на ПП. Большинство приборов настольного типа способны создавать существенную помехоэмиссию на НЧ только при подключении к ним соединительных кабелей. На частотах ниже нескольких сотен МГц количество возможных частей паразитных антенн ограничено, и, как правило, они очевидны без детального осмотра всего изделия.

Используя третье условие, можно эффективно предотвращать нежелательное ЭМИ. Локализовав вероятные части антенны и обеспечив минимально возможную разность потенциалов между ними, можно значительно ослабить уровни помехоэмиссии. Лучшим способом для этого будет расположение таких частей вблизи друг от друга и устранение возможных ВЧ цепей между ними. Также полезным будет обеспечение хорошего электрического соединения по ВЧ между ними.

Пример 8. Определить, какая из антенн в каждой паре, представленных на рис. 4.13, излучает более эффективно?

Рис. 4.13. Конфигурации антенн

54

Для ответа на поставленный вопрос необходимо рассмотреть каждую антенну и определить две ее части, возбуждаемые изображенным источником напряжения. Так как хотя бы одна из частей каждой антенны является электрически малой, то именно она и будет ограничивать общую эффективность излучения данной антенны. На рис. 4.13, а короткий верхний участок правой антенны оказывает наибольшее ограничение, таким образом, левая антенна будет излучать более эффективно. На рис. 4.13, б к каждой антенне добавлен дополнительный отрезок провода. Короткий верхний участок правой антенны снова в большей степени ограничивает уровень излучения, а значит, антенна слева остается более эффективной. Отметим, что удлинение короткой половины электрически малой антенны будет иметь большее влияние на эффективность антенны, чем удлинение большей стороны.

4.9. Щелевые антенны

Другим типом потенциальных паразитных антенн, с которым должен быть хорошо знаком ЭМС-инженер, являются щелевые антенны. Как показано на рис. 4.14, щелевая антенна формируется длинной тонкой прорезью в проводящей поверхности. В результате разрыва поверхностных токов в такой прорези формируется электрическое поле, которое, в свою очередь, создает ЭМИ. Обычно щелевые антенны анализируются путем замены электрического поля на эквивалентный магнитный ток и последующим анализом излучаемых полей, которые имеют ту же форму, что и поля от резонансного полуволнового симметричного вибратора. Подобно проволочным антеннам, электрически малые щели увеличивают эффективность излучения по мере приближения размера к половине длине волны.

Рис. 4.14. Щелевая антенна

55

4.10. Приемные антенны

В общем случае структуры, являющиеся хорошими излучающими антеннами, также могут выступать как хорошие приемные антенны. В связи с этим большинство способов, применяемых для нахождения источников помехоэмиссии, а также устранения возникающих в связи с этим проблем, могут быть использованы и для повышения помехоустойчивости. Однако в отличие от проблем излучения, где импеданс источника почти всегда мал по отношению к входному импедансу антенны, структуры, создающие проблемы в части помехоустойчивости, почти всегда имеют высокоимпедансный вход. Таким образом, не обязательно, что более высокое входное сопротивление антенны соответствует более плохим параметрам антенны. Мощность, принимаемая компонентом, подключенным к дипольной антенне, может быть рассчитана с использованием следующей формулы:

отражения по напряжению в приемнике.

Это выражение может быть трудноприменимым на практике, так как требует много информации как об антенне, так и о приемнике. Для определения приблизительного порядка амплитуды удобно проводить оценку через максимальное падение напряжения на высокоимпедансном входе как

Пример 9. Сравнить фактическое максимальное напряжение, наводимое полуволновым диполем в приемнике, имеющим входное сопротивление 500 Ом с расчетным значением по формуле (4.27).

Предположив, что приемник расположен на диполе в точке, где его импеданс согласован с сопротивлением излучения, выражение для принимаемой мощности имеет вид

Принимаемое напряжение равно

VПР 2RВХ PПР 2 500 1,7 10 4 EВХ 0, 4 EВХ .

Сравнивая полученную величину с расчётным значением

VПР 0,5 EВХ ,

видно, что точность определения в данном случае составляет около 2 дБ.

Пример 10. Сравнить фактическое максимальное напряжение, наводимое электрически коротким диполем в согласованном приемнике с расчетным значением по формуле (4.27).

Сопротивление излучения электрически короткого диполя приблизительно равно

Сравнивая полученную величину с расчётным значением

VПР l EВХ ,

можно видеть, что в данном случае напряжение завышено от 4 до 12 дБ.

Контрольные вопросы к разделу

1. В чем особенность паразитной связи через ЭМИ, по сравнению

сдругими видами паразитных связей?

2.Поля какого вида создает элементарный проводник с током в ближнем и дальнем поле?

3. Поля какого вида создает небольшой виток с током в ближнем и дальнем поле?

57

4.Какова последовательность аналитической оценки полей, создаваемых различными типами электрически малых цепей?

5.Каким образом в конструкции электронного устройства может образоваться паразитная дипольная антенна?

6.За счет чего в конструкции электронного устройства может образоваться паразитный четвертьволновый несимметричный вибратор?

7.Чем опасно наличие в корпусе щелей и стыков с размерами, кратными длинам рабочих частот?

58

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ ТОКА

Обычно проектировщикам ЭС и приборов более удобно и привычно оперировать электрическими сигналами, выраженными через напряжение. Так уровни цифровой логики описываются величиной напряжения сигнала, а источники питания – величиной постоянного напряжения. Это объясняется тем, что в большинстве случаев напряжение можно легко измерить с минимальным влиянием на цепь. В свою очередь измерение тока более сложно и осуществляется путем его пропускания через небольшое сопротивление с последующим измерением падения напряжения. Также определение тока возможно через измерение напряжения, наводимого магнитным полем в петле. Однако в большинстве случаев разработчиков интересуют максимальные величины токов, при этом на его форму или пути протекания особого внимания не обращается.

Одним из самых важных умений, которое должен совершенствовать ЭМС-инженер, является способность определять как намеренные, так и нежелательные токи, протекающие в электронном модуле/устройстве/системе. Это объясняется тем, что ток является причиной трех из четырех возможных механизмов паразитного влияния, описанных ранее. Без понимания того как и где в цепях протекают токи, сложно прогнозировать проблемы в новых разработках или дорабатывать существующие устройства.

5.1. Ток протекает по замкнутому контуру

Первое правило, которое необходимо помнить при определении путей тока, – все токи возвращаются к своим источникам, или, другими словами,

токи текут по замкнутому контуру.

Проектировщики цифровых устройств часто пренебрегают рассмотрением вопроса путей протекания тока в том или ином случае. Нередко возникают ситуации, при которых путь тока от источника сигнала к нагрузке прокладывается очень тщательно, в то время как обратный путь – от нагрузки к источнику – остается без внимания.

Пример 1. В процессе разработки системы инженеру-проектировщику потребовалось соединить два блока при помощи 8-битного канала связи. Для этого был выбран 8-жильный кабель соединяющий блоки в соответствии с рис. 5.1. Однако в ходе предварительных испытаний были обнаружены серьезные проблемы в части электромагнитной восприимчивости. Что, с точки зрения теории ЭМС, было сделано неверно и какие способы исправления можно предложить?

59