Рис. 5.3.
С одной стороны, используя принцип взаимности, можно было бы написать в этом параграфе единственную строку. Что, поскольку паразитные антенны одинаково работают на приём и на передачу, то просто тщательно выполните рекомендации предыдущего параграфа 5.2.
Это, конечно, справедливо (поэтому п. 5.2 стоит перечитать внимательно и для борьбы с паразитным излучением). Но есть нюансы. Их настолько много, что борьба с паразитным излучением превращается в отдельную задачу. Во-первых, с помехами от внешних полей своему прибору обычно борются не в первую очередь (кроме особо ответственных применений). Да и проявляется проблема внешних помех не часто. И только у тех редких пользователей, которые залезли в сильное электромагнитное поле. Обязательного теста прибора на устойчивость его к внешним полям для большинства применений нет.
А вот тест на паразитное излучение и соответствие его соответствие нормам (п. 1.1) является обязательным этапом разработки перед запуском любого прибора в производство. Закрыть глаза и сделать вид, что всё хорошо, прекрасная маркиза, тут не получится. Все огрехи с паразитным излучением будут обнаружены сразу. Прибор вернут разработчику на переделку. И вместо премии он получит нагоняй. А фирма – убытки, т.к. стоимость теста на паразитное излучение в сертифицированной лаборатории весьма высока. Из-за последнего весьма неразумно применять метод «что-то сделать – померить, что из этого вышло – если не вышло повторять по кругу до получения результата».
Другое важное отличие борьбы с паразитными излучениями от подавления паразитного приёма состоит в спектре помех. При приёме помех практически нереальна ситуация, когда внешние электромагнитные поля высокой напряженности перекрывают широкую полосу непрерывно. Даже на профессиональном антенном поле с множеством одновременно работающих передатчиков будет излучаться в эфир лишь несколько, относительно узких и не перекрывающих друг друга полос.
С паразитным излучением ситуация иная. Ныне в любом приборе, крупнее спичечного коробка, имеется цифровая часть. Это прямоугольные импульсы. С тактовой частотой от мегагерц до единиц гигагерц. С короткими фронтами (от долей наносекунды). Спектр цифровых сигналов очень широк. Например, на рис. 5.3 показан измеренный в полосе 100 кГц – 1 ГГц спектр прямо на одном из выводов FPGA Altera Cyclone II, работающего на тактовой частоте 150 МГц. Как видим, практически вся полоса 10 МГц – 1 ГГц (и тянется выше, на рис. 5.3 не хватило возможностей анализатора спектра) закрыта пеленой помех. Более того, спектр цифровой части прибора не статичен, а постоянно меняется (в зависимости от выполняемой задачи меняется вид цифровых сигналов, а, следовательно, и их спектр).
Пример 1.
Оценим, к чему может привести спектр рис. 5.3. Из п. 1.6.1 (см. таблицу 1.7. и пояснения к ней) следует, что проблемы с превышением допустимых уровней, создадут сигналы ~1 мВ. Но это если их подключить к хорошей антенне. А у нас антенна плохая – короткая дорожка несколько см, идущая от исследуемого выхода по плате. Настолько плохая, что излучает лишь 0,01% от подведенной к ней мощности, т.е. имеет усиление – 40 dBi. Тогда, все пики, лежащие на рис 5.3. выше 100 мВ (это 1 мВ плюс 40 дБ), будут излучаться с уровнями выше допустимых. И это только она дорожка, от одного вывода FPGA. А их у него несколько сотен.
Поэтому от цифровой части прибора возможно излучение помех в сплошной полосе от десятков мегагерц (ниже эффективность проводников прибора как паразитных антенн становится совсем малой) и до частоты в 3 … 4 раза превышающей 1/T ( где Т – длительность самого коротког о фронта импульса по уровням от 10% до 90%).
Широкий спектр импульсных сигналов приводит к тому, что в нём обязательно найдется частота, соответствующая паразитному резонансу проводов прибора. Уровень паразитного излучения на таких частотах резко возрастает. В самом деле: сложная сеть проводников печатной платы, элементов на ней и подключенных кабелей не может не иметь нескольких резонансных частот (как антенна), на которых она является эффективным излучателем (обычно от сотен мегагерц). А в широком и сплошном спектре цифровых потоков найдутся частоты, соответствующие этим резонансам. Результат: эффективная (т.е. резонирующая) антенна возбуждается на своей резонансной частоте. Мы предполагаем (см. пример парой абзацев выше), что проводники являются очень плохой антенной с низким КПД. Но на резонансной частоте это не так, там может излучаться большая часть подведенного сигнала.
Еще одно следствие быстрых импульсных сигналов: их гармоник тянутся очень далеко вверх по частоте, вплоть до СВЧ. А там у любых, даже самых физически маленьких элементов, электрическая (в длинах волн) длина оказывается вполне заметной. Проще всего это ощутить, используя метод подобия: мысленно снижая частоту, соответственно увеличивать физические размеры.
Пример 2.
FPGA Altera Cyclone II работает на тактовой частоте 150 МГц. Длительность фронта тактового импульса ~1 нС. Длина печатной дорожки 2 см. Спектр тянется до 1 ГГц (рис. 5.3) и выше. Мысленно уменьшим частоту в 100 раз, до 10 МГц и соответственно во столько же увеличим длину дорожки до 2 м. Представили себе эту картинку: импульсный генератор со спектром, тянущимся до 10 МГц и выше, разведенный проводами по 2 метра длиной? А именно так с точки зрения паразитных излучений выглядит печатная дорожка 2 см в не очень быстром по современным меркам цифровом устройстве.
Есть и третье отличие борьбы с паразитными излучениями от подавления паразитного приёма. Уровень паразитных излучений нашего прибора зависит не только от того, насколько плохи паразитные антенны, но и от того, какую амплитуду ВЧ сигнала мы на них подаем. Понятно, что если в приборе вообще отсутствуют генераторы и ключи (например, аналоговый усилитель с трансформаторным блоком питания), то никаких помех в эфир он не излучит.
Поэтому старайтесь уменьшать амплитуду и частоту напряжений в вашем приборе до возможного минимума. Не генерируйте избыточно больших импульсов и колебаний. Снижайте частоты тактовых генераторов. Затягивайте фронты импульсов.
Для определения проблемных мест используйте простейший датчик, подключенный к анализатору спектра. Датчик представляет собой однослойную катушку диаметром 2..3 мм из нескольких (5..7) витков, подключенную напрямую к входному коаксиальному кабелю анализатора. Сразу после катушки на кабель надевается помехоподавляющая ферритовая трубка.
Проводя таким датчиком вдоль платы нашего прибора и наблюдая уровни спектральных составляющих на экране анализатора, можно довольно точно найти проблемные (в смысле паразитного излучения) места и узлы. Весьма желательно при такой проверке включить в анализаторе спектра пиковый детектор с запоминанием максимума (Max hold), чтобы не пропустить короткие импульсы.
Другой полезный практический прием пригодится, если по результатам испытаний в сертифицированной лаборатории окажется, что ваш прибор не прошел тест только на одной-двух частотах. В этом случае удобно сделать антенны на эти частоты, подключить их к анализатору спектра и смотреть относительное изменение уровня помех на этих частотах от ваших модернизаций. И когда удастся уменьшить излучение на проблемных частотах на величину большую, чем было превышение, можно выходить на повторные испытания.
Крайне редко проблема паразитного излучения прибора имеет единственную причину. Как правило, таких причин несколько и все они вносят свой вклад.
Например, если ваш прибор имеет излучение на 20 дБ выше нормы, то для решения проблемы может потребоваться десяток исправлений, каждое из которых дает по 2… 3 дБ улучшения. Причем начинать надо с исправления, вносящего самый большой вклад. Затем – следующее по величине, и т.д. до полного решения.
Основная проблема состоит в том, чтобы найти проблемный, вносящий наибольший вклад в излучение, узел и\или режим работы. Основным инструментом для этого остается опыт разработчика. К сожалению, компьютерное моделирование для изучения паразитного излучения прибора в большинстве случаев практически невыполнимо. Полное описание даже одной простой печатной платы как распределенной структуры требует огромной трудоемкости и времени вычислений. В большинстве случаев создание такой модели вообще невозможно, т.к. в паспорте большинства деталей просто отсутствуют данные по их паразитным распределенным параметрам на высоких частотах.