§ 5.2. Методы рациональной компоновки элементов рэа и эва с целью уменьшения взаимных помех

При Функционировании РЭА и ЭВА, выполненных с высокой степенью интеграции и плотностью монтажа, одни элементы или узлы схемы ока­зываются под воздействием ближнего ЭМП создаваемого другими элемен­тами, что обуславливает появление взаимных внутрисистемных помех.

5.2.1. Уменьшение связи по магнитному полю. Функциональные узлы и элементы аппаратуры, в которых имеются большие токи и малые напряжения создают в ближней зоне ЭМП с преобладанием магнитной состав­ляющей. При этом взаимные помехи определяются явлением магнитной индукции.

Рассмотрим магнитную связь двух электрических цепей (рис.7.9), которая определяется их взаимной индуктивностью M , зависящей от индуктивностей источника L_И и рецептора L_Р помех и коэффициента связи k _L

(7.18)

При протекании в цепи источника гармонического тока I_И с частотой ω в цепи рецептора наведётся ЭДС

(7.19)

, которая вызовет протекание тока в цепи рецептора. В результате на сопротивлении нагрузки рецептора появится напряжение помехи

(7.20)

В частном, наиболее опасном случае настройки резонансного контура рецептора на основную частоту ω или её гармонику ω_n=n ω мешающего сигнала источника помех, ток в цепи рецептора

(7.21)

где r - активное сопротивление контура рецептора.

Наведённое напряжение помехи в этом случае

(7.22)

где - добротность контура.

Следовательно, в случае совпадающих или ближних частот источ­ника и рецептора уровень наводимого напряжения помехи прямопропорционален добротности контура рецептора и связь по магнитному полю оказывается тем опаснее, чем выше добротность используемых контуров.

В ЭВА сигналы имеют импульсный характер. Тогда максимальное напряжение импульсной помехи на сопротивлении нагрузки рецептора, вызванное наличием магнитной связи, имеет вид

(7.23)

где ; - постоянные времени цепей источника и рецептора.

Серьезную опасность представляет паразитная магнитная связь между выходом и входом усилительных каскадов.

Коэффициент нежелате­льной индуктивной обратной связи в усилителе (рис.7.10)

(7.24)

С учетом обратной связи коэффициент усиления устройства

(7.25)

где - собственный коэффициент усиления.

Наличие паразитной индуктивной связи в линейном усилителе мо­жет приводить к искажению АЧХ и ФЧХ усилителя, а также к его само­возбуждению. Задаваясь допустимой величиной коэффициента усиления можно определить

(7.26)

и допустимую величину взаимной индуктивности

(7.27)

При прочих равных условиях коэффициент обратной связи оказывается меньше при включении источника сигнала в режиме генератора тока, т.е. при

Для определения влияния конструкторских параметров на магнит­ную связь рассмотрим случай воздействия источника помех в виде длин­ного провода с током на рецептор помех, образующий замкнутый контур длиной  и шириной h, находящийся на расстоянии d от источника (рис.7.11).

Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС, наведенная в контуре рецептора

(7.28)

Таким образом, при заданной компоновке амплитуда наведенной ЭДС помехи прямопропорциональна магнитной проницаемости среды μ , длине контура  , частоте помехи f и зависит от взаимного рас­положения источника и рецептора (θ).

Взаимная индуктивность в этом случае определяется следующим образом

(7.29)

Для уменьшения влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо:

1. Компоновать цепи рецептора помех в плоскости, параллельной направлению воздействующего помехонесущего магнитного потока (θ = 90°).

2. Исходя из конструкторских соображений, максимально разносить цепи рецепторов и источников.

3. Уменьшать площадь петли, образованной цепью рецептора, сокращая длину  и расстояние между проводами h (рис.7.12,а).

Укладка изолированного прямого провода непосредственно на корпус прибора существенно снижает h (рис.7.12,б). Применение отдельного обратного провода в качестве земляного (рис.7.12,в) позволяет также устранить кондуктивную связь через общий участок корпуса. При скручивании прямого и обратного проводов (рис.7.12,г) напряжения на соседних участках линии примерно одинаковы, но противофазны, что уменьшает взаимные помехи. Малая магнитная связь обеспечивается при использовании коаксиального кабеля, т.к. его оплетка, являющаяся обратным проводом, расположена концентрично относительно внутренне­го провода, что обеспечивает малое h.

Если меры по рациональной компоновке оказываются недостаточны­ми, применяют магнитное экранирование.

5.2.2. Снижение взаимосвязи по электрическому полю. Узлы и элементы аппаратуры, в которых возникают большие напряжения и малые токи, создают в ближней зоне ЭМП с преобладанием электрической составляющей. При этом взаимные помехи определяются явлением электрической индукции. Рассмотрим электрическую связь источника и рецептора помех (рис.7.13) с помощью схемы замещения (рис.7.14), на которой действие электрического помехонесущего поля представлено эквивалентной емкостью связи С_св.

Если в цепи источника действует ЭДС с частотой ω , то напряжение помех в цепи рецептора

(7.30)

В частном случае, когда рецептор является резонансным контуром, настроенным на основную частоту или гармонику мешающего сигнала, то

(7.31)

Следовательно, чем выше добротность контура источника, тем больше величина наведенных помех.

При импульсном характере воздействие помехи (например, скачка напряжения) на рецептор с активным входным сопротивлением напряжение помехи равно

(7.32)

где τ = С_вх R_вх .

Емкостная связь оказывает влияние на режим работы усилительно­го каскада (рис.7.15).

Коэффициент нежелательной обратной связи

(7.33)

для снижения которого следует уменьшать величину емкостной связи выхода усилителя с его входом. При прочих равных условиях коэффициент обратной связи оказывается меньше при использовании источника сиг­нала в режиме генератора напряжения (R_C << l Z_вх l )

Емкость связи зависит от формы и геометрических размеров ис­точника и рецептора, расстояния между ними, а также наличия зазем­ленного шасси

(7.34)

При этом емкости C_И и С_Р можно приближенно считать равными собственным емкостям конструкций: C = 4 π ε_o R (для шара радиусом R),

C = 8 ε_o R (для диска радиуса R), (для цилиндрического стержня длиной L и радиуса R ).

Таким образом, для ослабления влияния связи по электрическому полю необходимо:

1. Исходя из конструкторских соображений, максимально разносить

цепи рецептора и источника.

2. Компоновать в пространстве помехонесущие и помеховосприимчивые провода по возможности под углом 90°, что уменьшает ?.

3. Уменьшать размеры цепей источника и рецептора.

4. Устанавливать рецептор и источник непосредственно на зазем­ленное шасси.

5. Использовать экранировку источника от рецептора в виде за­земленного металлического листа (рис.7.16).

При этом

(7.35)

где << - емкость связи после установки экрана.

Экранирующий эффект от заземленного металлического листа заключается в замыкании большей части емкости связи на корпус прибора, что обусловлено возможностью стекания на землю зарядов, индуцированных в экране.

Для надежного экранирования электрического поля все металличес­кие элементы конструкции должны быть соединены с общим корпусом или землей аппаратуры. Следует избегать применения длинных соедини­тельных проводников для заземления экрана на корпус, особенно в диапазоне высоких частот, из-за индуктивного характера их сопротив­ления.