CC BY
16
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.5.013 УДК 621.396.6.001.63
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В ЗАКРЫТЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ МЕТОДОМ ДЛИННОЙ ЛИНИИ
В.В. Глотов, Т.С. Глотова
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: на современном этапе проблема электромагнитной совместимости играет значимую роль в развитии радиоэлектронной аппаратуры. Большинство разработчиков стараются миниатюризировать электронные компоненты, из-за чего увеличиваются шансы сбоев в работе радиоэлектронных средств. Для экономии фонда рабочего времени и денежных средств вполне логично и целесообразно выявлять проблемные места печатной платы на ранних стадиях разработки. В статье представлено описание методики оценки электромагнитных характеристик печатных плат в закрытых конструкциях. Описана эффективность использования метода Transmission Line Matrix (TLM) - метод длинной линии при изучении внутриаппаратурной электромагнитной совместимости в закрытых конструкциях радиоэлектронных средств. Данный метод применяется для учета и анализа взаимодействий печатной платы и корпуса изделия на основе физических особенностей печатной платы. Описаны полученные результаты, снятые с помощью H-зонда, сканера ближнего электромагнитного поля. Проведено сравнение результатов, полученных экспериментальным методом и методом моделирования моментов (MoM), подтверждающих достоверность численной модели. Анализ обеспечения электромагнитной совместимости в различных радиоэлектронных устройствах показал, что при разработке любого электронного инструмента наибольшее внимание следует уделять проектированию печатных плат. Поэтому разработчику необходимо на ранних стадиях проектирования радиоэлектронных устройств определить проблемные области печатной платы
Ключевые слова: печатная плата, провод, корпус, ТЬМ-метод, электромагнитная совместимость, ближнее
поле
Введение
Быстрое развитие и использование передовых цифровых методов обработки информации и передачи в современных системах связи привели к бурному развитию радиоэлектронной технологии в нанометровый режим. Ряд сложных компонентов и устройств с высокой плотностью компоновки можно найти в современных системах связи, что создает очень сложную среду электромагнитного поля. Поэтому электромагнитная совместимость (ЭМС) [1] стала одной из основных проблем при разработке и проектировании этих систем, особенно некоторых их компонентов, таких как печатные платы (1111) и интегральные схемы.
ПП становятся все более сложными и, как следствие, количественно определить их присутствие в ЭП становится все труднее. В диапазоне микроволновых частот 1111, имеющие размеры порядка нескольких длин волн, становятся эффективными излучателями и приемниками электромагнитной энергии. В дополнение к этому компоновка высокой плотности может вызвать значительный уровень электромагнитных помех (ЭМП) между соседними ПП, особенно когда они находятся в закрытой среде.
© Глотов В.В., Глотова Т.С., 2019
Эти эффекты в сочетании с понижением уровня напряжения устройства создают критически важные проблемы ЭМС для качества, целостности сигнала и излучения, восприимчивости в высокоскоростных системах нового поколения.
Дифференциальные численные методы такие, как метод конечной разности во временной области (FD-TD) [2] и метод матрицы линий передачи (ТЬМ) [3], являются общими инструментами для вычислительного анализа многочисленных проблем в ЭМС на внутриаппара-турном уровне. Однако полноволновое трехмерное численное моделирование ЭМП вокруг ПП обычно требует значительной вычислительной мощности.
Модель была получена из экспериментального сканирования ближнего электромагнитного поля и включает в себя не только помехи, но и физические особенности ПП такие, как ее заземление и диэлектрическая проницаемость. Для некоторых геометрически небольших, но электрически важных элементов (так называемых мелких элементов) таких, как провода, прорези и вентиляционные отверстия, было разработано несколько усовершенствований для метода ТЬМ [1]. Эти компактные модели были реализованы в виде дополнительной одномерной сети линий электропередачи, проходящей через трубу регулярных узлов, либо в
форме эквивалентной схемы с сосредоточенными элементами, позволяющей учитывать наличие мелких деталей. По сравнению с традиционным подходом эти модели приводят к значительному улучшению необходимых технических ресурсов. Аналогичная компактная модель может быть разработана для ПП, позволяющая эффективно внедрять в процедуру алгоритма ТЬМ и точно представлять электромагнитные излучения и сопряжения 1111. Чтобы разработать такую модель, необходимо провести обширный двухполупериодный анализ, чтобы полностью охарактеризовать наличие ЭМП 1111 в свободном пространстве или в закрытой среде.
Мы рассматриваем тестовую 11, помещенную в прямоугольный корпус, как в типичную закрытую среду для печатных плат. Он состоит из L-образной микрополосковой дорожки на подложке FR4 [3]. Исследовано влияние излучений этой простой структуры 11 с проводным вводом и концевыми зондами на концах для распределения электромагнитного поля внутри корпуса. Для проведения этого исследования используется метод ТЬМ, а результаты моделирования сравниваются с эталонными результатами, основанными на измерениях и методе моментов (МоМ) моделирования.
Процедура моделирования
В методе ТЬМ трехмерное распределение электромагнитного поля в структуре 11 и в корпусе моделируется путем заполнения пространства сетью линий передачи и возбуждения определенной компоненты поля в сетке источником напряжения, размещенным на зонде возбуждения. Электромагнитные свойства среды в подложке и корпусе моделируются с помощью сети взаимосвязанных узлов.
Типичной структурой узлов является симметричный конденсированный узел, который показан на рис. 1. Для работы с большим шагом по времени используется гибридный симметричный конденсированный узел [3]. Эффективный вычислительный алгоритм рассеивающих свойств, основанный на обеспечении непрерывности электрических и магнитных полей, при сохранении заряда и магнитного потока, реализован для ускорения процесса моделирования. Для точного моделирования этой проблемы применяются более мелкие сетки внутри подложки и ячейки с произвольным соотношением сторон, подходящие для моделирования
определенных геометрических элементов таких, как микрополосковая линия. Границы произвольного коэффициента отражения корпусов моделируются ТЬМ-методом путем замыкания линий связи на краю проблемного пространства с соответствующей нагрузкой.
V
ург
V упг
Рис. 1. Компактная проводная модель ТЬМ
В проволочном узле ТЬМ проволочные структуры рассматриваются как новые элементы, которые увеличивают емкость и индуктивность среды, в которой они размещены. Таким образом, соответствующая проводная сеть должна быть вставлена поверх существующей сети ТЬМ для моделирования требуемого дефицита электромагнитных параметров среды. Чтобы достичь согласованности с остальной частью модели, ТЬМ-методу необходимо формирование проводных сетей с использованием линий связи и шлейфов, как показано на рис. 2 с характеристическими импедансами, обозначенными как Zwy и Zwsy, соответственно. Сеть ТЬМ должна быть разработана для имитации связи между электромагнитным полем и проводом.
Чл/ву
Дуу Z^1/y
► У ТЬМ пос)е
Рис. 2. Проводная сеть
Для моделирования проводных элементов сегменты проводной сети проходят через центр узла ТЬМ. В этом случае связь между полем и
проводом совпадает с событием рассеяния в узле, что делает вычисление матрицы рассеяния для узлов, содержащих сегмент проводной сети, более сложным. В связи с этим в [2] предложен подход, который решает взаимодействие между произвольной сложной проводной сетью и произвольными сложными узлами ТЬМ.
Одиночный столбец узлов ТЬМ, через который проходит проводник, может использоваться для приблизительного формирования фиктивного цилиндра, который представляет емкость и индуктивность провода на единицу длины.
Следуя экспериментальному подходу, в котором в качестве зонда можно использовать внутренний проводник коаксиальной направляющей, можно провести числовую характеристику электромагнитного поля внутри полости путем введения проводных портов на границе раздела между проволочными зондами и стенками корпуса.
Результаты моделирования
Представленные здесь результаты иллюстрируют возможности метода ТЬМ для определения эмиссии базовой структуры ПП в виде испытательной платы с микрополосковым нанесением на диэлектрическую подложку. Поэтому в целях проверки числовые результаты ТЬМ на этой 1111 сравниваются с эталонными результатами, основанными на методе моментов.
Основной тестовой платой является Ь-образная микрополосковая дорожка шириной 2 мм (11 = 40 мм, 12 = 20 мм) на одной стороне платы х х у х z = (80 х 50 х 1,5) мм3, изготовленная из подложки FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 8т = 4.5. Геометрия ПП показана на рис. 3.
структура позволяет точно моделировать корпус через коэффициенты отражения границ, в то время как провод подачи и концевые провода моделируются с помощью компактной проволочной модели с применением генератора и нагрузок в проводах.
Когда 1111 находится внутри корпуса, особый интерес представляет исследование поведения вблизи резонансных частот корпуса. Поэтому проанализированы численные результаты резонансных частот при моделировании структуры замкнутой среды. На рис. 4 представлены резонансные частоты, полученные из вертикального электрического поля (Е2), собранного в точке 35 мм над ПП. В табл. 1 представлены значения резонансов, полученные с использованием моделирования ТЬМ-метода и эталонных значений, найденными экспериментально путем наблюдения величины поля внутри корпуса.
Разница в частоте составляет менее 10 МГц и может быть вызвана тем, что корпус, используемый для измерений, имеет функции, не включенные в числовую модель такие, как зонд, используемый для контроля электромагнитного поля, и отверстие, выполненное на одной стенке корпуса [5].
»
гм
Е >
£ 1« а
ло
м »
р да над >и аде
/|НШ]
Рис. 4. Численные результаты ТРМ-метода с тестовой платой
Рис. 3. Геометрия тестовой ПП
ПП для тестирования была установлена на нижней части корпуса в виде прямоугольной металлической коробки размером ах Ь х с = (284 х 204 х 75) мм3. ПП питается от внешних радиочастотных сигналов через провод (радиусом 0,5 мм), расположенный на одном конце микрополосковой дорожки (точка А). Данная
Частота (МГц) Эталонные измерения ТЬМ-метод
Закрытая конструкция 900 906
1290 1284
1740 1750
Поэтому в табл. 2 сравниваются значения резонансов, когда, во-первых, зонды, использу-
Таблица 1 Сравнение измеренных и численных результатов
емые для мониторинга электромагнитного поля, а затем отверстие, включаются в модель ТЬМ вместе с корпусом. Отверстие с размерами а1 х Ь1 = (60 х 10) мм2 размещается на верхней стенке корпуса над 1111 в соответствие с экспериментальной установкой.
J. у/ Ejofa« » - °7*вРстяе
Г.
л.
_
Пэтгтв&х zzzzz
U-
Рис. 5. Модель базовой ПП в корпусе с пробником и отверстием
Таблица 2 Сравнение численных результатов для закрытой ПП при изменении структуры
Структура Резонансная Электрическое
частота (МГц) поле (mV/m)
1111 в закры- 906 164
той конструк- 1284 197
ции 1750 186
1111 в закры- 897 295
той конструк- 1280 421
ции с пробни- 1738 368
ком
1111 в закры- 905 163
той конструк- 1284 196
ции с отвер- 1749 185
стием
Полученные численные результаты иллюстрируют сдвиг в резонансной частоте, когда включены дополнительные характеристики. Наличие зонда вызывает разницу в частоте около 10 МГц, а также приводит к изменению пиковой величины поля, поскольку он становится вторичным излучателем электромагнитного поля. С другой стороны, влияние отверстия минимально, потому что его размерность намного меньше, чем объем корпуса.
Однако наличие отверстия может увеличить уровень электромагнитного поля, излучаемого за пределы корпуса.
На рис. 6 показаны полные диаграммы Е2 на плоскости 35 мм над дном корпуса, полученные с помощью моделирования ТЬМ-метода на резонансных частотах, иллюстрирующие распределение электромагнитного поля
корпуса из-за физического присутствия ПП и контрольного зонда. Результаты, полученные при моделировании корпуса ТЬМ-методом, очень хорошо согласуются с соответствующими результатами, основанными на моделировании МоМ [5]. Полученные схемы подтверждают, что моделирование диэлектрика и дорожки 1111, а также проводных зондов имеет большое значение для моделирования замкнутой среды.
Рис. 6. Карты напряженности Е2 на резонансных частотах, полученных ТЬМ-методом при моделировании печатной платы в корпусе: а - без датчика; б - с контрольным датчиком
Заключение
Исходя из того, что одним из основных интересов в испытаниях на ЭМС является интенсивность и распределение излучаемых полей от испытуемого оборудования, здесь представлены результаты излучений от базовой структуры ПП. Метод, применяемый для определения излучений от ПП с использованием модели, основан на моделировании ТЬМ-метода испытательной платы в закрытых средах для учета взаимодействия между физическим присутствием печатной платы и корпуса. В соответствии с представленными результатами, основанными на примерах базовых тестовых ПП в закрытых средах, установлено, что метод ТЬМ очень удобен для моделирования ПП.
Литература
1. Ромащенко М.А. Методы оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж, 2014. 36 с.
2. Макаров О.Ю., Муратов А.В., Ромащенко М.А. Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств: монография. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. 234 с.
3. Ромащенко М. А. Основные подходы к решению мости // Вестник Воронежского государственного техни-
задач внутрикомпонентной электромагнитной совмести- ческого университета. 2014. Т. 10. № 6. С. 67-70.
Поступила 16.08.2019; принята к публикации 10.10.2019
Информация об авторах
Глотов Вадим Валерьевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект,14), e-mail: vadik-livny@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5129-4369 Глотова Татьяна Сергеевна - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: tatyana-livny@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9122-8988
MODELING OF PRINTED CIRCUIT BOARDS IN THE CLOSED DESIGN OF ELECTRONIC
PRODUCTS BY THE METHOD OF LONG LINE
V.V. Glotov, T.S. Glotova
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: at the present stage, the problem of electromagnetic compatibility plays a significant role in the development of electronic equipment. Most developers try to miniaturize electronic components, which increases the chances of malfunctioning electronic equipment. To save the fund of working time and money, it is quite logical and advisable to identify problem areas of the printed circuit board in the early stages of development. The article describes the methodology for assessing the electromagnetic characteristics of printed circuit boards in enclosed structures. The efficiency of using the Transmission Line Matrix (TLM) method is described - a long line method for studying intra-equipment electromagnetic compatibility in enclosed structures of electronic devices. This method is used to record and analyze the interactions of the printed circuit board and the product body, based on the physical features of the printed circuit board. The results obtained using the H-probe, a scanner of the near electromagnetic field are described. The results obtained by the experimental method and the moment modeling method (MoM), which confirm the reliability of the numerical model, are compared. The analysis of ensuring electromagnetic compatibility in various electronic devices showed that in the development of any electronic instrument, the greatest attention should be paid to the design of printed circuit boards. Therefore, the developer needs to identify problem areas of the printed circuit board in the early stages of the design of electronic devices
Key words: printed circuit board, wire, enclosure, TLM method, electromagnetic compatibility, near field
References
1. Romashchenko M.A. "Methods for the optimal design of electronic structures with regard to electromagnetic compatibility and noise immunity" ("Metody optimal'nogo proyektirovaniya konstruktsiy radioelektronnykh sredstv s uchetom elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti"), Dr. tech. sciences dis., Voronezh, 2014, 36 p.
2. Makarov O.Yu., Muratov A.V., Romashchenko M.A. "Methods for ensuring intra-equipment electromagnetic compatibility and noise immunity in electronic equipment designs" ("Metody obespecheniya vnutriapparaturnoy elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti v konstruktsiyakh elektronnykh sredstv"), monograph, Voronezh State Technical University, 2013, 234 p.
3. Romashchenko M.A. "Basic approaches to solving the problems of intra-component electromagnetic compatibility", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2014, vol. 10, no. 6, pp. 67-70.
Submitted 16.08.2019; revised 10.10.2019 Information about the authors
Vadim V. Glotov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: vadik-livny@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5129-4369
Tat'yana S. Glotova, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: tatyana-livny@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9122-8988
