Материал: Электромагнитная совместимость радиотехнических систем. лабораторный практикум. Федоров С.М., Ищенко Е.А

вычисления, обладает более эффективным использованием памяти, однако требует больших вычислительных мощностей. В данном случае ввиду небольших размеров печатной платы моделирование занимает порядка 10-15 минут.

Для удобства исследования в макросы CST Studio интегрирован компонент EMC, который обладает всем необходимым функционалом для изучения ЭМС печатной платы. Для полного и детального исследования рекомендуется проводить моделирование для открытых (open) границ или границ с дополнительным пространством (open add space). Важно! Для построения норм излучения для определения класса устройства A или B по нормам EN/IEC и FCC необходимо задать построение диаграмм направленности, для удобства это мож-

но сделать: Macros -> Solver -> Monitors and Probes -> Broadband Field Monitors,

где выбрать диаграммы направленности (Farfield) и задать требуемый частотный диапазон и шаг:

1) комплексное исследование картин излучения начинается с установки сферы из пробников полей вокруг печатной платы: Macros -> Result -> EMC -> Define Probes in 2D plane or 3D volume, после произведенных настроек радиуса сферы и выбранных типов пробников поля (рекомендуется указать все) вокруг печатной платы будет сформирована сфера из пробников (рис. 123);

Рис. 123. Сформированная сфера пробников

2)выбор частот моделирования и мониторов полей. Частоты выбираются

всоответствии с требуемыми частотами работы устройства, для построения полных требований EN/IEC и FCC требуется выполнение моделирование от 0 Гц до 15 ГГц. Для F-вычислителя можно выбрать весь список мониторов, указанных в п. 2.2.2; для TLM вычислителя:

1)E-field;

2)H-Field;

3)Surface current;

4)Power flow;

5)Current Density;

95

6) Power loss Density.

Для обоих вариантов необходимо построить диаграммы направленности

– для этого рекомендуется иливручную указать большое число пробников или воспользоваться макросом (описано выше);

3) запустить моделирование и далее можноприступить к исследованию полученных результатов. Для примера будут рассмотрены четыре печатные платы с одинаковой конструкцией, но с разными вариантами исполнения – стандартное (медь+Fr-4); никель в качестве проводника; Ro4730G3 в качестве диэлектрика; стандартная плата, которая помещена в алюминиевый корпус (глухое экранирование!).

После завершения моделирования, в связи с тем, что установлено большое количество пробников полей, (рис. 123) необходимо выполнить обнаружение пиков E и H полей, для этого можно воспользоваться: Macros -> Result -> EMC -> Peak Field Values from Probes (использовать все пробники (Include All Probes), построить E-field и H-field). Далее необходимо исследовать соответствие стандартам безопасности для A – устройство может использоваться только вне помещений; B – использование внутри помещений; чтобы выполнить дан-

ное исследование: Macros -> Result -> EMC -> Calculate Broadband EMC-norm

(рекомендуется EN/IEC – европейские стандарты; FCC - США).

Для анализа результатов также рекомендуется использовать S-параметры системы; картины полей.

Рассмотренный пример показывает влияние характеристик изготовления на излучение, так, рис. 124 – пиковые значения E-поля; рис. 125 – пиковые значения H-поля; рис. 126 – соответствие нормам ЭМС (для полностью экранированной конструкции излучения нет). В наименовании графиков используются следующие наименования Standard – подложка Fr-4, проводник – медь; Nickel – проводник никель, подложка Fr-4; RO4730G3 – проводник медь, подложка – Rogers RO4730G3; Shield – плата помещена в алюминиевый корпус без отверстий.

Рис. 124. Пиковые значения напряженности E-поля на пробниках (В/м)

96

Рис. 125. Пиковые значения напряженности H-поля на пробниках (А/м)

Рис. 126. Соответствие нормам EN/IEC по излучению

По полученным результатам можно сделать вывод о влиянии полного экранирования и материалов изготовления на излучение полей.

3. Лабораторные задания и рекомендации по их выполнению

Для каждого варианта подготовлены к моделированию 3 печатные платы: Normal – стандартные материалы; Conductor – изменен проводник; Dielectric - изменена диэлектрическая подложка. Требуется используя дерево навигации определить материал, который используется, в соответствии с вариантами – табл. 16 – установить частоту моделирования; сформировать сферу из пробников с соответствующим радиусом, который указан в таблице (для формирования воспользоваться инструкцией описанной выше); изучить соответствие нормам излучения (стандарт указан в таблице), для этого построить диаграммы

97

направленности (рекомендуется воспользоваться макросом). В отчет занести картины полей, пиковые значения E и H полей на пробниках, по полученным результатам сделать выводы.

Примечание: изначальное моделирование настроено на F-вычислитель, если имеется возможность использовать GPU ускорение рекомендуется перейти в TLM режим.

3.6. Лабораторная работа № 6. Исследование влияния расстояния между дорожками на излучаемые поля

Цель работы: исследование влияния взаимного расположения дорожек на электромагнитное излучение на печатных платах.

1. Краткие теоретические сведения

С ростом частоты работы радиоэлектронных устройств становится невыгодно использовать катушки индуктивности, которые формируются в виде дросселя в отдельном корпусе. В данный момент нельзя при использовании базовых пассивных компонентов получить небольшие номиналы индуктивностей, а сопротивление катушки прямо пропорционально рабочей частоте. На помощь

врешении данной ситуации приходят различные формирования с использованием дорожек, так, один из типов планарных катушек – меандр был рассмотрен

влабораторной работе № 2, однако другими вариантами являются индукторы, как на рис. 127.

98

Рис. 127. Планарные катушки индуктивности

Помимо сформированных на печатных платах планарных катушек индуктивности особое внимание стоит уделять расстоянию между дорожками на печатных платах, и это важно не только со стороны взаимной емкости (лабораторная работа № 2), а также по взаимным наводкам электрического и магнитного полей, пробоя токов. В аналоговых системах взаимная наводка приводит к формированию дополнительных шумов, что ухудшает отношение сигнал/шум, улучшить которое можно применением дополнительных каскадов фильтров, а это приводит к необходимости использовать дополнительное место, дополнительные дорожки, которые тоже вносят потери в целостность сигнала. Для большинства печатных плат существует стандарт, который ограничивает минимальное расстояние между проводниками. Например, стандарт IPC – табл. 17 устанавливает следующие минимальные зазоры между проводниками.

99