Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

ника помех; Z

нр

, Z

ни

— сопротивление нагрузки цепи соответствен-

но рецептора и источника помех.

В результате наведенное напряжение помех на сопротивлении на-

грузки рецептора

= -jώMI

нp

/(jώL

+ Z

нр

). (6.7)

В области низких частот при ώL

<< Z

+ Z

нр

напряжение помех

≈ -jώMI

нp

/(Z

нp

). (6.8)

Таким образом, согласно (6.8) в области низких частот напряжение по-

мех, наводимое в цепи рецептора, увеличивается пропорционально ча-

стоте и индуктивности связи между ИП и РП. Если | Z

| << | Z

нр

| , то

напряжение помех

≈ -jώМI

т.е. цепь переноса помех является дифференцирующей.

В области достаточно высоких частот (при ώL

>> |Z

нр

рост напряжения помех в соответствии с выражением (6.8) ограничива-

ется самоиндукцией:

≈-MZ

нр

=-kLZнрI

√L

(6.9)

На фиксированной частоте при действии нескольких ИП на один РП

согласно принципу суперпозиции и (6.9)

∑

•

piиiРН

LМIZU

где п — число источников помех, I

Иi-

ток j-го источника помех, М

индуктивность связи i-ro источника с

рецептором.

Для определения влияния

конструкторских параметров на

магнитную связь рассмотрим

широко распространенный случай

воздействия ИП в виде достаточно

протяженного провода с током I

на РП, образующий замкнутый контур

цепи длиной l, шириной h и

находящийся на расстоянии d от ИП в

плоскости, перпендикулярной помсхо-

несущему магнитному полю (рис. 6.6).

Рис. 6.6.

Образование

индуктивной

связи между проводом и

замкнутым контуром

проводников

на печатной плате

Амплитуда наведенной ЭДС [30]

= μlfI

ln[(d + h)/d]cosΘ

в рецепторной цепи при заданной компоновке прямо пропорциональна

магнитной проницаемости среды (μ длине контура рецептора l, амп-

литуде I

, его частоте f и зависит от взаимного расположения цепей ИП и

РП, определяемых углом Θ .

Взаимная индуктивность цепей ИП и РП [29]

M = μ l ln[(d + h)/d]cosΘ/2π.

Для ослабления влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо:

максимально разносить цепи рецепторов и источников помех;

по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной

направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного

потока;

уменьшать площадь петли, образованной цепью РП, сокращая

длину l и расстояние между проводами h , что снизит магнитный

поток,пронизывающий петлю (рис. 6.7,а).

Рис. 6.7. Конструктивные способы уменьшения магнитной связи в цепях:

а — исходная цепь; б — укладка изолированного провода на шасси;

в — применение отдельного обратного корпусного провода;

г — скрутка прямого и обратного проводов

Укладка изолированного прямого провода непосредственно на кор-

пус или шасси изделия существенно снижает h (рис. 6.7, б). Примене-

ние отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет ус-

транить также кондуктивную связь через общий участок корпуса или

шасси (рис. 6.7, в). При скручивании прямого и обратного проводов на-

пряжения на соседних участках линии примерно одинаковы по уровню,

но противоположны по знаку (рис. 6.7, г). Малая магнитная связь обес-

254

печивается и при использовании коаксиального кабеля, так как его оп

летка, являющаяся обратным проводом, расположена концентрично от-

носительно внутреннего провода, чем обеспечивается малое h .

Если применение указанных мер при проектировании РЭС ограни-

чено, то для обеспечения трудоемкого ослабления помех необходимо

прибегнуть к магнитному экранированию.

Основные методы экранирования магнитных полей основаны на

шунтировании магнитного поля ферромагнитными материалами и вы-

теснении помехонесущего магнитного поля полем вихревых токов в эк-

ране.

Основные требования, которые предъявляются к магнитностатиче-

ским экранам, можно сформулировать следующим образом:

магнитная проницаемость материалов экрана должна быть возмож-

но более высокой;

увеличение толщины сеток экрана приводит к повышению эффек-

тивности экранирования, однако при этом следует принимать во внима-

ние возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам;

стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно

линиям магнитной индукции;

заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатическо-

го экранирования.

Экранирование электромагнитного поля. Целью экранирования

является ослабление электромагнитного поля в ограниченной части

пространства или в окружающем пространстве, если ИП находится

внутри экрана. Электромагнитное экранирование охватывает диапазон

частот 10

... 10

Гц.

Эффективность электромагнитного экранирования можно выразить

в виде [30]

К(э)=К(о)+К(п)+К(п)

дБ, (6.10)

где К(о)- затухание за счет отражения электромагнитной энергии от

границ раздела «диэлектрик—экран» и «экран—диэлектрик»: для ос-

новной волны К(о) = 201g | (Z

+ Z

)

/4Z

|; К(п) — затухание

за счет поглощения: К(п) = 8,69 | К

| t /

, где t — толщина стенки

экрана; К(п)

— затухание за счет многократных затухающих внутрен-

них переотражений в стенке экрана для остальных составляющих волн:

К(п)

= 201g| l-[(Z

-Z

)/(Z

)]

exp(-2k

t| -

При расчетах электромагнитного экранирования обычно пользуют-

ся модулями комплексных параметров: величиной, обратной эквива-

255

лентной глубине проникновения тока в металл | К

| = ωµσ и моду-

лем волнового сопротивления металла | Z

| = σωµ / . В зависимости

от вида источника помехонесущего поля в расчетную формулу (6.10)

подставляются следующие выражения:

/εµ=

Z — волновое сопротивление воздуха электромагнитно-

му полю;

| Z

| = ωμ

d — модуль волнового сопротивления воздуха магнит-

ному полю;

| = l/ωμ

d — модуль волнового сопротивления воздуха элект-

рическому полю;

d— расстояние от источника помехонесущего поля до экрана

(ближняя зона).

Эффективность экранирования К( э ) зависит от электрических па-

раметров материалов, размеров и формы экрана, наличия отверстий и

т.д. Для обеспечения ЭМС существенно то, что любой реальный экран

обладает конечной эффективностью. Рассмотрим некоторые физиче-

ские факторы, определяющие свойства электромагнитных экранов.

На частотах, при которых размеры экрана значительно меньше дли-

ны волны, характерно заметное различие в ослаблении экраном элект-

рического и магнитного полей. Причины типичной зависимости К(э)

от частоты (1 и 2 на рис. 6.8) состоят в следующем. В электростатиче-

ском поле из-за концентрации зарядов на внешней стороне проводника

поле внутри экрана отсутствует иК(э)=∞. В переменном электриче-

ском поле по мере повышения частоты в стенках экрана увеличивается

ток, обусловленный сменой знаков индуцированных зарядов. Этот ток

сопровождается появлением электрического поля внутри экрана

вследствие его конечной проводимости, и К( э ) при этом уменьшается.

При дальнейшем росте частоты сказывается поверхностный эффект;

токи концентрируются у поверхности, и поле внутри экрана вновь ос-

лабляется. На низких частотах К(э) тем больше, чем толще экран и

выше проводимость материала.

Характер ослабления магнитного поля на низких частотах оказыва-

ется иным. В постоянном магнитном поле действенны только экраны с

относительной магнитной проницаемостью, большей единицы. Эф-

фект экранирования обусловлен преимущественным замыканием сило-

вых линий магнитного поля в толще экрана. В переменном поле по мере

роста частоты К( э ) возрастает вследствие появления вихревых токов.

При дальнейшем увеличении частоты за счет поверхностного эффекта

экранирующие свойства резко увеличиваются, а К(э) тем выше, чем

больше толщина стенок и магнитная проницаемость материала. Эф-

256

Рис. 6.8. Зависимости эффективности экранирования немагнитными и магнитными

металлами от частоты при d = 1 м, t = 1 мм (кривые 1 — для меди; кривые

2 — для стали с ц = 1000; кривые 3 — для стали с ц = 100):

а — для электрического поля; б — для электромагнитного поля;

в — для магнитного поля

фективность экранирования оказывается наименьшей на низких часто-

тах. Поэтому экранирование ИП, создающего низкочастотное магнит-

ное поле, наименее благоприятно.

Многослойное экранирование. Многослойные комбинированные

конструкции экранов, состоящие из последовательно чередующихся

слоев, выполненных из немагнитных и магнитомягких металлов, приме-

няются для обеспечения высокой эффективности экранирования в ши-

роком частотном диапазоне. В многослойных экранах, составленных из

металлов с различными характеристическими сопротивлениями

≠Z

≠…… ≠Z

сп

, используется система многократных отражений

(рис. 6.9). В результате экран, состоящий из нескольких тонких слоев

различных металлов, особенно в низкочастотной области, обладает

большим экранирующим действием по сравнению с однородным экра-

ном той же толщины.

Основные рекомендации по проектированию многослойных комби-

нированных экранов [30]:

257

1.Многослойную конструкцию следует

применять для магнитного насыщения эк-

рана и обеспечения линейного режима его

работы.

2. Внутренние слои многослойного экра-

на для обеспечения большего экранирую-

щего действия и достижения минимальных

потерь, вносимых в экранируемые узлы

РЭС, следует выполнять из немагнитных

металлов.

3.Применение диэлектрических прокла-

док, воздушных зазоров между металлическими

слоями может приводить к повышению К( п)

в случае, если их

толщина значительно превышает толщину металлических слоев.

4. Конструктивно многослойные экраны в РЭС достаточно сложны

и громоздки. Поэтому при проектировании следует рассмотреть воз-

можные способы изменения компоновки РЭС для снижения влияния

помехонесущего электромагнитного поля, а также найти пути повыше-

ния эффективности экранирования однослойного экрана.

6.3. Фильтрация

Фильтрация является основным средством ослабления кондуктив-

ных помех, создаваемых в цепях питания и коммутации постоянного и

переменного токов РЭС. Предназначенные для этой цели помехоподав-

ляющие фильтры позволяют снижать кондуктивные помехи как от

внешних, так и от внутренних источников. Эффективность фильтра-

ции определяется вносимым затуханием фильтра [31]:

дБ

•

lg20lg20

где ủ

, İ

напряжение и ток нагрузки в исходном состоянии;

ủ

, İ

— напряжение и ток помех на нагрузке в цепи с фильтром.

К фильтру предъявляются следующие основные требования:

обеспечение заданной эффективности S в требуемом частотном диапазоне

(с учетом внутреннего сопротивления и нагрузки электрической цепи);

ограничение допустимого падения постоянного или переменного

напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки;

258

Рис. 6.9.

Отражение

электромагнитной энергии

в трехслойном экране

обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напря-

жения, определяющих требования к линейности фильтра;

конструктивные требования — эффективность экранирования, ми-

нимальные габаритные размеры и масса, обеспечение нормального теп-

лового режима, стойкость к механическим и климатическим воздейст-

виям, технологичность конструкции и т.д.;

элементы фильтра должны выбираться с учетом номинальных то-

ков и напряжений электрической цепи, а также возможных возникаю-

щих в ней бросков напряжений и токов, вызванных нестабильностью

электрического режима и переходными процессами.

Основные рекомендации по применению помехоподавляющих эле-

ментов и фильтров РЭС следующие.

Конденсаторы. Применяются как самостоятельные помехоподав-

ляющие элементы и как параллельные звенья фильтров. Конструктив-

но помехоподавляющие конденсаторы делятся на:

двухполюсные типа К50-6, К52-1Б, ЭТО, К53-1А;

опорные типа КО, КО-Е, КДО;

проходные некоаксиальные типа К73-21;

проходные коаксиальные типа КТП-44, К10П-4, К10-44, К73-18,

К53-17;

конденсаторные блоки.

Основной характеристикой помехоподавляющего конденсатора яв-

ляется зависимость его импеданса от частоты. Для ослабления помех в

диапазоне частот примерно до 10 МГЦ можно использовать двухпо-

люсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные по-

мехоподавляющие конденсаторы применяются до частот порядка

30...50 МГц. Симметричные проходные конденсаторы используются в

двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные конден-

саторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 МГц.

Индуктивные элементы. Применяются как самостоятельные эле-

менты подавления помех и как последовательные звенья помехоподав-

ляющих фильтров. Конструктивно наиболее распространены дроссели

следующих видов: витковые на ферромагнитном сердечнике; безвитко-

вые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя являет-

ся зависимость его импеданса от частоты. На низких частотах рекомен-

дуется применение магнитодиэлектрических сердечников марок ПП90

и ПП250, изготовленных на основе μ-пермаллоя. Для подавления по-

мех в цепях аппаратуры с токами до 3 А рекомендуется использовать

высокочастотные дроссели типа ДМ, при больших номинальных значе-

ниях токов — дроссели серии Д200.

259

Фильтры. Керамические проходные фильтры имеют миниатюрную

конструкцию и позволяют эффективно подавлять помехи в широкой

полосе частот.

Высокочастотные проходные керамические фильтры типа Б7, Б14, Б23

предназначены для подавления помех в цепях постоянного, пульсирую-

щего и переменного токов в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц. Конст-

рукция таких фильтров представлена на рис. 6.10. Вносимое фильтрами

Б7, Б14, Б23 затухание в диапазоне частот 10... 100 МГц возрастает

прибли-

зительно от 20...30 до 50...60 дБ и в диапазоне частот свыше 100 МГц пре-

вышает 50 дБ.

Керамические проходные фильтры типа Б23Б построены на основе

дисковых многослойных керамических конденсаторов и безвитковых

ферромагнитных дросселей (рис. 6.11). Безвитковые дроссели пред-

ставляют собой трубчатый ферромагнитный сердечник из феррита

марки 50В4-2, одетый на проходной вывод. Индуктивность дросселя

составляет 0,08...0,13 мкГн. Корпус фильтра выполнен из керамическо-

го материала УФ-61, имеющего высокую механическую прочность.

Корпус металлизирован слоем серебра для обеспечения малого пере-

ходного сопротивления между наружной обкладкой конденсатора и за-

земляющей резьбовой втулкой, с помощью которой осуществляется

крепление фильтра. Конденсатор по наружному периметру припаян к

корпусу фильтра, а по внутреннему — к проходному выводу. Гермети-

зация фильтра обеспечивается заливкой торцов корпуса компаундом.

Рис. 6.10. Конструкция

керамиче-

ского проходного фильтра типа Б7:

1 — сегнетокерамическая

трубка;

2 —крепежный фланец;

3 — внутренняя обкладка;

4 — внешняя обкладка;

5 — безвитковой дроссель;

6 — токонесущий стержень

Рис. б.П. Проходной фильтр типа Б23Б:

1 — резьбовая втулка;

2 — корпус;

3 — феррит;

4 — металлизация;

5 — конденсатор;

6 — компаунд;

7 —токонесущий стержень

260

Номинальные емкости фильтров — от 0,01 до 6,8 мкФ, номинальное на-

пряжение 50 и 250 В, ток — до 20 А. Габаритные размеры фильтра: длина

25 мм, диаметр 12 мм. Вносимое фильтрами Б23Б затухание в диапазоне

частот от 100 кГц до 10 МГц возрастает приблизительно от 30...50 до

60...70 дБ и в диапазоне частот свыше 10 МГц превышает 70 дБ.

Для бортовых РЭС перспективным является применение специаль-

ных помехоподавляющих проводов с ферронаполнителями, имеющи-

ми высокую магнитную проницаемость и большие удельные потери.

Так, у проводов марки ППЭ вносимое затухание в диапазоне частот

10...1000 МГц возрастает с 6 до 128 дБ/м. Известны конструкции много-

штыревых разъемов, в которых на каждый контакт устанавливается по

одному П-образному помехоподавляющему фильтру. Габаритные раз-

меры встроенного фильтра: длина 9,5 мм, диаметр 3,2 мм. Вносимое за-

тухание фильтром в 50-омной цепи составляет 20 дБ на частоте 10 МГц

и до 80 дБ на частоте 100 МГц.

Фильтрация цепей питания цифровых РЭС. Импульсные помехи

в шинах питания, возникающие в процессе коммутации цифровых ин-

тегральных схем (ЦИС), а также проникающие внешним путем, могут

приводить к появлению сбоев в работе устройств цифровой обработки

информации.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются следую-

щие схемно-конструкторские методы:

уменьшение индуктивности шин «питание» с учетом взаимной маг-

нитной связи прямого и обратного проводников;

сокращение длин участков шин «питание», которые являются общи-

ми для токов от различных ЦИС;

замедление фронтов импульсных токов в шинах «питание» с по-

мощью помехоподавляющих конденсаторов;

рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к

уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их ак-

тивное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины «зем-

ля», которая является обратным проводником для сигнальных цепей.

Поэтому в многослойных печатных платах желательно выполнять ши-

ны «питание» в виде проводящих плоскостей, расположенных в сосед-

них слоях (рис. 6.12, а).

Навесные шины питания, применяемые в печатных узлах на цифро-

вых ИС, имеют большие поперечные размеры по сравнению с шинами,

выполненными в виде печатных проводников, а следовательно, и мень-

шие индуктивность и сопротивление. Дополнительными преимущест-

261

Рис. 6.12. Конструкции шин питания: а — в виде проводящей плоскости;

б — навесные; в — двухслойная навесная; г —комбинированная навесная;

/ — шина питания; 2 — изоляция; 3 — медные проводники

вами навесных шин являются: упрощение трассировки сигнальных це-

пей, повышение жесткости печатных плат за счет создания дополни-

тельных ребер, выполняющих также роль ограничителей, которые пре-

дохраняют ИС и навесные ЭРЭ от механических повреждений при мон-

таже и настройке изделия (рис. 6.12, б).

Высокой технологичностью отличаются шины «питание», изготов-

ленные печатным способом и крепящиеся на печатной плате верти-

кально (рис. 6.12, в). Известны конструкции навесных шин, устанавли-

ваемых под корпусами ИС, которые располагаются на плате рядами

(рис. 6.12, г) и играют роль дополнительного теплоотвода. Рассмотрен-

ные конструкции шин «питание» обеспечивают также большую погон-

ную емкость, что приводит к уменьшению волнового сопротивления

линии «питание» CL/=ρ и, следовательно, снижению уровня им-

пульсных помех.

Разводка питания ИС на печатной плате должна осуществляться

не последовательно (рис. 6.13, а), а параллельно (рис. 6.13, б). Необ-

ходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров

(рис. 6.13, в). Такая конструкция приближается по своим электриче-

ским параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от вли-

262