Глава 4. Основы внутриаппаратурной эмс рэс

§ 4.1. Характеристики эмс гибридных интегральных схем свч и и микроэлектронных устройств эвм

Из-за недостаточной экранировки передатчиков, приёмников, фидерных и волноводных трактов, цепей питания, управления и коммутации, а также недостаточных мер фильтрации РЭА входящие в неё устройства могут излучать и принимать сигналы помимо антенны. При этом диаграммы излучения и приёма отличаются случайным характером.

Излучение передающих устройств РЭА помимо антенны может оказывать мешающее воздействие на другие устройства, т.е. являться взаимной помехой. Проникновение мешающих сигналов на вход приёмника или его отдельные каскады, минуя антенну, будет приводить к таким же нежелательным последствиям, как и их воздействие через антенну.

При размещении РЭА на объектах для их электропитания используются общие источники, а для управления - общие цепи. И те и другие также могут служить каналами для проникновения помех в устройство.

На рис.6.1 показана аппаратура, помещённая в корпус (V) и имеющая волноводный тракт передачи сигнала СВЧ диапазона (I), ввод электропитания постоянного или переменного тока (II), кабель подачи сигналов управления (Ш) и устройство индикации (IV).

Электромагнитное поле помехи может проникать внутрь аппаратуры и оказывать нежелательное воздействие на работу устройств. Возможны следующие пути проникновения поля:

а) Непосредственно через материал корпуса аппаратуры. Величина ослабления поля в этом случае зависит от характера поля (электри­ческое, магнитное, электромагнитное), частоты, электрофизических свойств материала корпуса (ε, μ, σ), особенности конструкции (форма, толщина стенок) и др.

б) Через технологические отверстия в корпусе (например, вен­тиляционные). Внешнее ЭМП наводит на поверхности проводящего корпуса высокочастотные токи. В том случае, когда силовые линии тока пересекают отверстие, последнее можно рассматривать как элементар­ную антенну, излучающую ЭМП во внешнее пространство и внутрь аппа­ратуры. Наихудшим случаем с точки зрения ЭМС является расположение узких отверстий длиной, кратной λ/2, перпендикулярно линиям поверх­ностных токов.

в) В том случае, если в корпусе имеются элементы механических соединений (винты, заклепки, и т.д.), выполненных из различных металлов, то в месте контакта возникает биметаллическая пара, которая при облучении её ЭМП может рассматриваться как нелинейный эле­мент. При этом на контактном соединении происходит возникновение гармоник частоты облучаемого ЭМП, некоторые из которых эффективно проникают внутрь аппаратуры.

г) Входной сигнал в РЭА обычно подается по фидерному тракту, имеющему высокочастотные соединители (в рассматриваемом случае волноводные фланцы). Особенности конструкции соединителей (разборные резьбовые соединения, трущиеся электрические контакты, зазоры между соединяемыми плоскостями) не позволяют обеспечить идеальной электрогерметичности высокочастотных входов радиоаппаратуры. Данный путь проникновения внешнего ЭМП наиболее опасен, т.к. помеха по фидерно­му тракту попадает непосредственно во входные цепи аппаратуры.

д) Внешнее ЭМП наводит высокочастотные токи в проводах электро­питания аппаратуры и кабелях системы управления, что приводит к проникновению помехи внутрь корпуса РЭА.

е) Если на корпусе РЭА установлены приборы индикации, то ЭМП может проникать внутрь аппаратуры либо непосредственно через эти приборы или их отдельные узлы, выполненные из диэлектрических или полупроводниковых материалов, либо через технологические отверстия и щели в местах их установки.

В том случае, когда в схему РЭА входит источник мощного ЭМП (генератор, усилитель мощности), аппаратура сама является источником помех, механизмы излучения которых во внешнее пространство ана­логичны рассмотренным выше.

ГИС СВЧ, как правило, помещают в металлический корпус, крышка которого опаивается по всему периметру (рис.6.2).

Отсутствие щелей и отверстий в корпусе ГИС и надежный электрический контакт с крыш­кой практически исключает попадание внешнего ЭМП внутрь устройства. Единственными путями проникновения электромагнитной помехи в ГИС СВЧ являются коаксиально-полосковые переходы и цепи подачи электропитания и сигналов управления.

При создании микроэлектронных устройств (МЭУ) обычно не пред­принимают специальных мер по их защите от электромагнитных помех, в частности их не помещают в электрогерметичный корпус (рис.6.3). Поэтому внешние ЭМП могут непосредственно воздействовать на полупроводниковую структуру МЭУ, а также попадать в него по элементам ввода-вывода. МЭУ весьма чувствительны к импульсным помехам, наво­димым в общей шине нулевого потенциала.

Задачи обеспечения ЭМС РЭА и ЭВА имеют как общие черты, так и характерные различия. Общность проявляется в методологии анализа ЭМС, заключающейся в выявлении источников помех, определении их амплитудно-частотных и временных характеристик, оценки электромаг­нитной обстановки и путей распространения помех, установлении восприимчивости отдельных узлов к помехам. Различие заключается в ха­рактере воздействия помех и обусловлено наличием частотной избирательности в РЭА и ее практическим отсутствием в ЭВА.

Для ЭМС РЭА существенным является рациональное использование РЧР и совершенство характеристик ЭМС приемопередающих устройств. Для ЭМС ЭВА принципиальна архитектура построения аппаратуры, обус­ловленная способами преобразования и хранения информации, требуемым быстродействием, параметрами устройств ввода-вывода, а также совершенство характеристик помехозащитных функциональных электронных бло­ков, запоминающих устройств и информационных линий связи.

Значительная общность проявляется в способах достижения ЭМС, которые рассмотрим подробнее.

Для снижения уровня помех применяют экранирование, фильтрацию и заземление.

Экранирование - способ ослабления поля помех с помощью зазем­ленной металлической оболочки с высокой электрической и (или) маг­нитной проводимостями. Реализация экранирования связана с решением следующих задач:

- выбор материала экрана и выявление требований к его конструкции на основе анализа структуры ЭМП помехи;

- расчет эффективности экранирования с учетом отверстий в экране и влияния переходных контактов конструкционных соединений (стыков, спаев и уплотняющих прокладок), а также многослойной кон­струкции экранов;

- определение эффективности экранирования функциональных узлов РЭА, в том числе МЭУ;

- определение эффективности экранирования проводов, витых пар проводов, кабелей и высокочастотных соединений;

- реализация технологических мероприятий по конструированию и изготовлению экранов, способам их заземления и применения уплотнителей, а также обеспечению стабильности их характеристик при длительном воздействии окружающей среды.

Фильтрация – способ ослабления напряжения и токов помех с по­мощью электрической цепи, вносящей затухание в заданных полосах частот. Устройство в виде электрической цепи для разделения сигналов и помех для ослабления энергии помех путём внесения затухания в заданных полосах частот называется фильтром.

Разработка фильтров предусматривает решение следующих задач:

- выявление требований к фильтрации кондуктивных помех, создаваемых источниками питания;

- анализ принципов построения фильтров с учетом их конструктивно-технологических особенностей и требований эффективности фильт­рации, а именно вносимого затухания как функции частоты;

- выбора типа, схемы фильтра и его конструктивного выполнения.

Заземление - электрическая цепь, обладающая свойствами сохра­нения минимального (нулевого) потенциала, являющегося уровнем отсчёта потенциала в конкретной аппаратуре. При реализации заземления рассматривают следующие вопросы:

- определение электрических и конструкторских требований к системе заземления как к цепи распространения помех на основе знания особенностей защитного и высокочастотного заземления РЭА и ЭВА;

- расчет и измерения импедансов шин заземления, перемычек и металлизации с учётом возможных способов их минимизации и конструкторско-технологического исполнения;

- выбор схемы заземления (одноточечного, многоточечного и гиб­ридного);

- обоснование применения изолирующих трансформаторов, разделе­ния цепей заземления, выбор схемы заземления источников электропитания.