Миниатюризация мобильных телефонов и других беспроводных устройств создает множество проблем с экранированием, поскольку высокочастотные компоненты становятся все ближе друг к другу. Поскольку печатные платы (PCBs) уменьшаются, новые решения по защите от электромагнитных помех (EMI) должны обеспечивать более высокий уровень подавления помех, но без значительного увеличения массы, веса и стоимости устройства. К счастью, новая технология экранирования, разработанная WL Gore & Associates под названием экран snapSHOT™, заменяет более громоздкие подходы защелкивающейся металлизированной термоформованной оболочкой, которая может быть прикреплена к печатной плате с помощью стандартных сфер для пайки с шариковой решеткой (BGA).

Оценка требований к экранированию компактных беспроводных конструкций недостатки традиционных методов испытаний (в основном основанных на военных требованиях) становятся очевидными при их применении к портативным беспроводным конструкциям с батарейным питанием. Некоторые методы испытаний, такие как ASTM D 4935 для плоского экранирования и коаксиальная ячейка для прокладок EMI, например, были разработаны для определения характеристик материалов, которые в конечном итоге будут составлять корпус EMI. Но официальных опубликованных методов испытаний для оценки эффективности экранирования (SE) экрана, установленного на печатной плате портативного беспроводного устройства, не существует.

В настоящее время в сотовых телефонах используются два основных подхода к экранированию: припаянные перфорированные банки и гальванические крышки с прокладками от электромагнитных помех (рис. 1).

Рис. 1. Традиционные методы экранирования печатных плат включают припаянные перфорированные банки и крышки пластин с прокладками EMI.

 

Оба метода предназначены для создания полного экрана вокруг компонентов печатной платы, чтобы обеспечить надлежащие электрические характеристики и соответствовать нормативным требованиям по излучению электромагнитных помех и электрической проводимости.

Целью экрана EMI является создание клетки Фарадея вокруг закрытых радиочастотных компонентов с использованием металлического ящика. Пять верхних сторон создаются с помощью экранирующей крышки или металлической банки, а нижняя сторона достигается с помощью заземляющего слоя внутри печатной платы. В идеальном корпусе никакие излучения не проникают в коробку и не выходили из нее. В действительности утечки происходят, например, из-за перфорированных отверстий в запаянных экранирующих элементов, которые обеспечивают теплообмен во время оплавления припоя. Утечки также могут возникать из-за дефектов прокладки EMI или припоя. Утечки также возможны из промежутков между отверстиями заземления, используемыми для электрического соединения экранирующей крышки с плоскостью заземления.

Экраны, разработанные для портативных устройств, должны быть легкими и недорогими, но при этом они должны соответствовать жестким механическим и электрическим требованиям. Такие явления, как резонатор полости, излучение апертуры и плоскостное экранирование, являются факторами, с которыми сталкиваются инженеры ВЧ при проектировании экранирующих корпусов. Проблема еще больше осложняется тем фактом, что точное предсказание электромагнитного поля от сложных сборок печатных плат, особенно в ближней зоне, практически невозможно, что вынуждает многих инженеров создавать специальные испытательные приспособления для оценки своих проектов.

Чтобы создать клетку Фарадея, необходимую для надлежащего экранирования, необходимо поместить металлический корпус вокруг и в непосредственной близости от компонентов на печатной плате. К сожалению, это может иметь неблагоприятные последствия для работы компонентов и функциональности схемы, при этом наибольшее беспокойство вызывает резонанс корпуса (полости) на одной из рабочих частот печатной платы. Чтобы изучить это, было разработано простое тестовое приспособление, имитирующее эффект размещения металлического корпуса над радиочастотными компонентами.

Рис. 2. Разработано приспособление для поиска резонансной частоты резонатора

 

Тестовое приспособление (рис. 2) состоит из двух резисторов 50 Ом, 0805, которые подключены к разъемам SMA с противоположной стороны плоскости заземления. Расстояние произвольно устанавливается равным 0,5 дюйма (1,27 см), чтобы между двумя компонентами возникало минимальное взаимодействие, когда экран не установлен (рис. 3).

Рис. 3. Испытательное приспособление использовалось для оценки соединения с экранирующей крышкой

 

Связь определяли по измерениям  на микроволновом векторном анализаторе цепей (VNA). Перфорированная металлическая квадратная банка с внутренними размерами 1,805 × 0,114 дюйма (4,584 × 0,29 см) была припаяна к компонентам, чтобы проиллюстрировать эффект металлической полости. Формула 20logS21 использовалась для грубого расчета резонансных режимов корпуса EMI (см. рис. 3). Формула применима к прямоугольным полостям и достаточно точна, если полость заполнена воздухом. Однако большинство корпусов на печатных платах будут включать в себя материал печатной платы и компоненты внутри них, что повышает эффективную диэлектрическую проницаемость полости и, таким образом, снижает ее резонансную частоту.

С установленным экраном связь между двумя компонентами значительно увеличивается на резонансах и вокруг них, до 50 дБ. Пики возникают на резонансных частотах, рассчитанных по формуле. Ниже первой резонансной частоты связь между двумя компонентами практически не изменяется. Таким образом, очень важно учитывать эти резонансные условия при проектировании корпусов EMI.

Более точный способ прогнозирования резонансных эффектов в прямоугольной полости включает использование симулятора электромагнитного поля, такого как пакет программного обеспечения Sonnet® Professional Planar Software Suite от Sonnet Software. Программное обеспечение моделирует волновые процессы в металлическом корпусе и может быть легко использовано для изучения влияния размеров полости, материала подложки и проводимости металлической стенки. На рис. 4 показана характеристика модели, созданной программным обеспечением, с близким соответствием фактическим измеренным данным.

Рис. 4. Программное обеспечение EM field использовалось для прогнозирования эффектов экранирования печатной платы с крышкой и без нее.

 

Еще одним важным соображением, касающимся свойств резонатора, является влияние на характеристики экранирования корпуса. Поскольку энергия внутри резонатора усиливается на резонансных модах, вполне вероятно, что эффективность экранирования (SE) будет наименьшей на этих частотах. Как видно из рис. 4, SE значительно падает при каждом резонансе в резонаторе.

Методы оценки эффективности экранов печатных плат можно разделить на три категории: тестирование на соответствие, функциональное тестирование и косвенное тестирование. Проверка на соответствие включает в себя оценку конечного продукта с использованием стандартных методов испытаний и приемочных уровней, таких как паразитное излучение, восприимчивость или электростатический разряд (ЭСР). Функциональное тестирование включает оценку в соответствии с требованиями к производительности, установленными производителем. Межрезонаторное экранирование, излучение антенны обратно в приемник (Rx) и фазовый шум являются примерами параметров, которые следует учитывать.

Последняя категория, косвенное тестирование, используется при описании экранирующей системы. Такие методы, как MIL G 83528B, ASTM D 4935 и ASTM D 991, являются рекомендациями, которым следуют производители экранов для оценки своей продукции. Методы могут охарактеризовать составляющие свойства экрана, но не могут предсказать эффективность в конкретном приложении.

 

 

Источник: www.mwrf.com