3)Main lobe direction – направление главного лепестка (градусы);
4)Angular width (3 dB) – ширина главного лепестка по уровню половины мощности (3 дБ);
5)Side lobe level – уровень боковых лепестков (дБ).
Проанализировав все вышеприведенные параметры, можно сделать вывод о характеристиках излучателя.
3. Задания для выполнения моделирования
Для каждого варианта подготовлена печатная плата со сформированной планарной антенной, требуется произвести моделирование и определить основные характеристики антенны, такие как, частоту резонанса, полосу пропускания по уровню 10 дБ (пример отмеченной рабочей полосы антенны приведен на рис. 142), построить КСВН; после чего добавить монитор поля – диаграмма направленности и произвести повторное моделирование. Выбор диапазона частот моделирования сделать в соответствии с табл. 19.
|
|
|
Таблица 19 |
|
|
Варианты для выполнения заданий |
|
|
|
Вариант |
Название антенны, |
Название антенны |
Диапазон частот, ГГц |
|
рус. яз. |
международное |
|
||
|
|
|
||
1 |
Двухдиапазонная |
Printed G-shaped dual- |
0…7 |
|
планарная G-антенна |
band monopole |
|
||
|
|
|
||
2 |
Планарный петлевой |
Printed folded dipole |
2…6 |
|
диполь |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Микрополосковый |
Microstrip rectangular |
|
|
3 |
прямоугольный патч- |
20…30 |
|
|
|
излучатель |
patch antenna |
|
|
|
|
|
|
|
|
Микрополосковая |
Microstrip-fed planar |
|
|
4 |
планарная круглая |
2…10 |
|
|
elliptical monopole |
|
|||
|
антенна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Микрополосковый |
Microstrip rectangular |
|
|
5 |
прямоугольный патч- |
14…35 |
|
|
|
излучатель |
patch antenna |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
F-планарная антенна |
Printed inverted-F an- |
1…10 |
|
|
|
tenna (IFA) |
|
|
7 |
Планарный петлевой |
Printed folded dipole |
1…10 |
|
диполь |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Микрополосковый |
|
|
|
8 |
прямоугольный патч- |
Rectangular inset-fed |
20…40 |
|
излучатель с улуч- |
microstrip patch |
|
||
|
шенными характери- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стиками |
|
|
|
|
Планарная антенна |
Printed Microstrip-fed |
|
|
9 |
Уда-Яги (волновой |
Yagi-Uda Dipole Ar- |
30…50 |
|
|
канал) |
ray |
|
|
10 |
Планарный петлевой |
Printed folded dipole |
5…20 |
|
диполь |
|
|||
|
|
|
|
|
112
Отчет должен содержать вид антенны, S-параметры, диаграммы направленности.
3.8. Лабораторная работа №8. Исследованиеэкранирования печатных плат
Цель работы: изучить цели и основные методы экранирования печатных
плат.
1. Краткие теоретические сведения
Экранирование является самым простым способом улучшить характеристики электромагнитной совместимости на печатных платах, однако прибегать к данному способу рекомендуется только в крайних случаях, когда другими способами улучшить характеристики невозможно. Для экранирования, как правило, применяются алюминиевые экраны, которыми накрываются или отдельные дорожки, группы компонентов или вся печатная плата. Применение экранов значительно усложняет процесс изготовления печатной платы, повышает ее стоимость.
Если после применения всех рекомендаций по разработке схем и печатных плат, ваша система излучает слишком много шума в виде E-поля и H-поля или слишком восприимчива к внешним помехам, которые поступают из вне, применяют экранирование. На практике экранирование представляет собой размещение проводящей поверхности вокруг критических участков на печатной плате так, чтобы электромагнитные поля были значительно ослаблены комбинациями отражения и поглощения от материала.
Важным пунктом в выборе метода и типа экранирования является диапазон частот, в котором должна достигаться высокая эффективность. Для всего частотного диапазона от самых низких частот до сверхвысоких в роли экрана применяют цельнометаллический корпус (блоки питания), но, если требуется обеспечить экранирование лишь в высокочастотном диапазоне (> 30 МГц), достаточно будет тонкого проводящего покрытия, которое наносится на пластиковый корпус в виде пленки.
Чтобы определить эффективность экранирования, необходимо найти отношение полей до установки экрана и после. Эффективность экранирования различных материалов очень сильно отличается в зависимости от того, какую составляющую требуется экранировать: магнитную или электрическую.
Эффективность экранирования принято разделять на классы:
1)эффективность ниже 20 дБ – минимальное экранирование;
2)эффективность от 20 до 80 дБ – средняя эффективность экранирования;
3)эффективность от 80 до 120 дБ – выше средней;
4) эффективность свыше 120 дБ – недостижимаэкономически эффективными мерами.
113
Простейший, идеальный электрический экран представляет собой коробку без отверстий, в основе которого лежит материал с нулевым сопротивлением, другое название данной конструкции – клетка Фарадея, и данную конструкцию невозможно реализовать на практике.
Майкл Фарадей описывал попытку построения такого экрана в сборнике своих трудов [3] следующим образом:
«У меня была построена камера, которая представляла собой куб размерами 12 футов (1 фут равен 30,48 см), с проходящей вдоль и поперек нее в разных направлениях жестко закреплёнными полосками оловянной фольги, чтобы все это имело хорошую металлическую связь. Я жил внутри этого куба и проводил испытания электрических полей с использованием электрометров и другие тесты, и при этом я не смог выделить влияние полей, которые были снаружи куба, который был сильно заряжен так, что с внешнего корпуса срывались большие искры с каждой его поверхности»
Любой реальный экран в отличие от идеального не может обеспечить бесконечного затухания электромагнитных полей по следующим причинам:
1)материал изготовления экрана не идеален ввиду неравномерностей и погрешностей в процессе изготовления;
2)неидеальная пайка и крепление экрана приводит к появлению отверстий, через которые может как излучаться, так и проникать поле под экран.
Эффективность экранирования можно представить в виде суммы трех
компонентов: потерь на отражение, поглощение и повторное отражение:
( ) = ( ) + ( ) + ( ), (20)
где ( ) – эффективность экранирования, дБ;( ) – потери на отражение, дБ;( ) – потери на поглощение, дБ;
( ) – потери на повторное отражение, дБ.
1) потери на отражение ( ( )) зависят от отношения волнового сопро-
тивления к сопротивлению экрана, которое зависит от проводимости материала, его проницаемости и частоты. Потери на отражение уменьшаются при увеличении частоты для E-поля и/2увеличиваются для H-поля. В ближней же зоне, то есть на расстоянии менее , расстояние между источником излучения и экраном также будет оказывать влияние на потери на отражение. С ростом расстояния это влияние начинает уменьшаться, так как волновое сопротивление для плоской волны постоянно. ( )
2) потери на повторное отражение ( ) незначительны в большинстве
случаев, если потери на поглощение превышают 10 дБ, и больше зависят от толщины экрана и его коэффициента поглощения.
Обратной) величиной к коэффициенту поглощения является глубина скин-слоя ( , которая является мерой магнитного параметра, стремящейся ог-
114
раничить переменный ток на поверхности проводника. Глубина скин-слоя вы- |
||||
|
|
|
= 2 20 , |
(21) |
числяется по следующей формуле: |
|
|||
где |
– |
глубина скин-слоя, м; |
|
|
|
– удельная проводимость материала, См/м; |
|
||
|
|
– частота, Гц; |
|
|
|
|
– магнитная проницаемость вакуума; |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
– магнитная проницаемость материала. |
|
|
|
Однако использование данной формулы является достаточно неудобным, |
|||
так как все значения выражены в значениях системы СИ, поэтому на практике применяют модифицированную формулу:
|
|
|
|
|
|
= 6,61 ∙ ( ∙ ∙ )−0,5, см, |
|
|
|
(22) |
||||
где |
– глубина скин-слоя, см; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
– магнитная проницаемость материала; |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
– частота, Гц; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
– удельная проводимость |
материала |
относительно меди |
(табл. 20) = |
||||||||
вещества |
|
вещества . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
меди |
= |
5,96∙107 |
|
|
|
|
|
|
Таблица 20 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Характеристики некоторых материалов |
|
|
|
|||||
Материал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Серебро |
|
|
1,05 |
|
1 |
1,05 |
|
|
1,05 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Медь |
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
Золото |
|
|
0,7 |
|
1 |
0,7 |
|
|
0,7 |
|
|
||
Алюминий |
|
0,61 |
|
1 |
0,61 |
|
|
0,61 |
|
|||||
Латунь |
|
|
0,26 |
|
1 |
0,26 |
|
|
0,26 |
|
||||
|
Бронза |
|
|
0,18 |
|
1 |
0,18 |
|
|
0,18 |
|
|||
|
Олово |
|
|
0,15 |
|
1 |
0,15 |
|
|
0,15 |
|
|||
Свинец |
|
|
0,08 |
|
1 |
0,08 |
|
|
0,08 |
|
||||
Никель |
|
|
0,2 |
|
100 |
20 |
|
|
|
|
|
|||
Нержавеющая |
|
0,02 |
|
500 |
10 |
|
|
|
−5 |
|
||||
сталь (430) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Мю-металл |
|
0,03 |
|
20 |
600 |
|
|
|
−6 |
|
||||
(1 кГц) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Супер пер- |
|
|
|
|
|
|
|
3 ∙ 10 |
−7 |
|
||||
маллой |
|
|
0,03 |
|
100 |
3 |
|
|
|
|||||
(1 кГц) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
115
В соответствии с формулой (22) глубина скин-слоя для меди при частоте 30 МГц составит 0,012 мм. Что приводит к доминированию потерь на поглощение.
Картины потерь на поглощение и отражение в материале экрана можно отобразить, как на рис. 146.
Рис. 146. Картины отражений и потерь на экране
толщиной 0,5 мм ( |
) в |
= 0,61; = 1 |
|
На рис. 147 показаны суммарные потери на отражение и поглощение для |
|||
= 0,1; = 60 |
|
) и листовой стали |
|
алюминиевой фольги толщиной 0, |
5 мм ( |
|
|
зависимости от частоты.
Рис. 147. Потери на поглощение и отражение для алюминия и стали
Большинство видов потерь жнмо предсказать заранее, воспользовавшись следующими формулами.
116
|
|
Потери на отражение: |
|
|
|
∙ |
( 2 |
∙ 3) |
|
|
||
|
|
|
H-поле: ( ) = 322 − 10 10 |
|
, |
(24) |
||||||
|
|
|
Плоская ( ) = 15 −10 10( / |
) ∙1/( |
|
∙ ) . |
(25) |
|||||
|
|
|
E-поле: |
( ) = 168 − |
|
|
|
|
|
2 |
, |
(23) |
|
|
Потери на поглощение: |
10 10( / ) ∙ ( ) |
|
||||||||
|
|
|
волна: |
|
|
∙ |
|
∙ |
∙ , |
|
|
|
где |
|
– магнитная проницаемость= 0,1314 ∙ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
( ) |
|
|
|
|
|
|
(26) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
– частота, Гц; |
материала; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
– удельная проводимость материала относительно меди; |
|
||||||||
|
|
|
– толщина экрана, мм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Особое внимание следует уделять отверстиям в экране, которые необхо- |
||||||||||
димы для охлаждения и контроля за индикаторами внутри корпусов. |
Утечка |
|||||||||||
электромагнитных волн через отверстия на корпусе зависит от самого крупного
размера отверстия (d) и минимальной длины волны ( |
) из диапазона частот, ко- |
||
торый необходимо подавить экранированием. Если |
, тогда экранирова- |
||
ние будет практически отсутствовать, а частота, при |
которой прекращается эф- |
||
фективная работа экрана называется частотой среза, соответствующая≤ 2 |
ей длина |
||
волны – критической. |
|
|
|
Для более низких частот ( |
) эффективность экранирования будет |
||
> 2
линейно возрастать на 20 дБ за декаду (рис. 148) до предельных значений для материала. Если сравнить рис. 147 и 148, то с практической точки зрения особое внимание стоит уделять именно отверстиям на корпусе, так, для частоты в 1 ГГц, чтобы обеспечить экранирование в 20 дБ разрешенный размер отверстия составляет 16 мм.
Рис. 148. Влияние отверстий на эффективность экранирования, красная зона – эффективность ниже 20 дБ
117