La Risonanza della Struttura Amplifica il Rumore RF

La risonanza della struttura amplifica il rumore RF

scritto da Min Zhang, consulente EMC

Un progetto che abbiamo coinvolto ha visto un dispositivo particolarmente sensibile al rumore irradiato nella gamma di frequenza di 200 e 400 MHz, anche nella gamma di frequenza di 800-900 MHz. In un'altra gamma di frequenza, il dispositivo funziona senza errori se esposto a rumore irradiato o rumore Bulk Current Injected (BCI). Ciò indica una certa risonanza della struttura nel sistema. Una struttura come un PCB, una traccia sul PCB o un cavo potrebbe agire come un'antenna accidentale. Questa antenna accidentale potrebbe captare il rumore in un determinato intervallo di frequenza (dipende dalle dimensioni dell'antenna) e lo amplifica. Il seguente articolo documenta una configurazione di prova per identificare il problema.

Un po' di teoria

Il PCB del dispositivo in prova (DUT) ha una dimensione di circa 50 mm x 50 mm, formando un loop lungo 200 mm (50 mm x 4) , il presupposto era che tracce e piste sul PCB dovevano aver formato un'antenna ad anello molto efficiente tra la gamma di frequenza di 200 - 350 MHz. Sappiamo che l'onda elettromagnetica viaggia in un materiale FR4 ad una velocità di 1,5×108 m/s. Basato sull'equazione v=λf, dove v è la velocità della luce in FR4 e f è la frequenza. Per un'onda da 200 MHz, viene quindi calcolata una lunghezza d'onda completa pari a 750 mm. Un quarto della lunghezza d'onda (dove la radiazione è più forte) è 187,5 mm. Quindi, ci aspettiamo di vedere il PCB stesso risuonare a una gamma di frequenze di 200 MHz. Questo probabilmente amplificherebbe il rumore RF che viene iniettato dall'esterno.

Convalida del test

La seguente configurazione di test è stata quindi eseguita nel nostro laboratorio di test EMC di pre-conformità. La configurazione del test del banco di lavoro è mostrata nella Figura 1. Per ulteriori informazioni su come impostare un test BCI a basso costo su un banco di lavoro, fare riferimento al nostro articolo Configurazione del test di iniezione di corrente di massa a basso costo per i dettagli.

Figura 1 Configurazione del test BCI di pre-conformità

Il PCB è stato prima rimosso dal modulo e abbiamo semplicemente collegato il cavo del connettore al cavo interno all'interno del modulo. Nota, non c'è alcun collegamento elettrico fisico tra questi due cavi, quindi quando si inietta rumore RF di tipo BCI sul cavo del connettore, l'accoppiamento tra i due cavi avviene esclusivamente per accoppiamento elettrico/magnetico in campo vicino.

Abbiamo iniettato rumore RF nel cavo del connettore con il metodo BCI, quindi abbiamo misurato la corrente RF nel cavo del connettore principale (a) e la corrente RF nel cavo interno (b).

Il PCB è stato successivamente rimontato, abbiamo iniettato rumore RF nel cavo del connettore e misurato la corrente RF nel cavo principale (c), quindi nel cavo interno (d).

La sonda di monitoraggio della corrente RF utilizzata qui è una TBCP4-500 commerciale di Tekbox. Ha 16 dBΩ caratteristiche di impedenza e funziona nella gamma di frequenza da 1 a 500 MHz (il mio funziona fino a 700 MHz). Un tipo migliore per questo test sarebbe TBCP4-750, che copre una gamma di frequenze potenzialmente fino a 1 GHz. Ma per noi, ci concentriamo sui risultati comparativi, quindi a una frequenza più elevata, potremmo ancora fare affidamento sui risultati della sonda corrente.

Figura 2. Misurazione della corrente RF iniettata utilizzando la sonda di monitoraggio della corrente RF

Un rumore RF a 225 MHz è stato iniettato per primo nel cavo del connettore principale, questo è il punto in cui il sistema ha fallito. Abbiamo quindi iniettato rumore a 800 MHz, il test è stato superato. Quello che abbiamo scoperto è stato:

A 225 MHz, corrente RF (a) > Corrente RF (b), ma Corrente RF (c) < RFCurrent (d), vedere i risultati nella Figura 3. Le tracce A, B C e D nella Figura 3 sono i risultati della misurazione correlati all'impostazione a, b, c e d come nella Figura 2.

A 800 MHz, corrente RF (a) > Corrente RF (b), come prima. Tuttavia, ora abbiamo la corrente RF (c) > Corrente RF (d) come mostrato nella Figura 4. Ciò significa che, a 225 MHz, il PCB amplifica il segnale perché il PCB è un'antenna forte a questo punto (1/4 della lunghezza d'onda). A 800 MHz, invece, il PCB attenua il segnale.

Figura 3 Test a 225 MHz, traccia A, B, C & D è correlato all'impostazione a, b, c & d
 

Figura 4 Test a 800 MHz, traccia A, B, C & D è correlato all'impostazione a, b, c & d

Con questa scoperta, è stata quindi eseguita una scansione di frequenza da 100 MHz a 1 GHz. Fondamentalmente, l'amplificatore RF inietta lo stesso livello di rumore RF nel cavo del connettore principale da una gamma di frequenza di 100 MHz e 1 GHz. Qui sono stati misurati due punti di impostazione del test, il punto (c) e (d) mostrato in Figura 2. E abbiamo sottratto i risultati, il risultato è quindi mostrato in Figura 5.

La traccia gialla ha mostrato il risultato nel punto di prova (c) e la traccia rossa ha mostrato il risultato nel punto di prova (d). La traccia blu è la traccia che ci interessa poiché è la sottrazione del punto di prova (c) e (d).

Figura 5 Scansione di frequenza tra 100 MHz e 1 GHz

Per dimostrare ulteriormente il punto, è stato ripetuto lo stesso test di scansione, ma ora abbiamo sostituito il cavo interno con un cavo con un CMC montato in precedenza (come mostrato nella Figura 6). Avevamo ora il seguente risultato. Come si può vedere in Figura 7, la regione amplificata è ora limitata a circa 300 MHz e 400 MHz. Questo risultato è in linea con i risultati del processo di risoluzione dei problemi.

Figura 6 Sostituzione del cavo interno con un cavo con CMC
 

Figura 7 Scansione di frequenza tra 100 MHz e 1 GHz, ora con CMC nel cavo

Conclusione:

È stato costruito un set-up di prova per testare il percorso di accoppiamento del rumore in un DUT. Si credeva che il PCB del DUT avesse una frequenza di risonanza in un determinato intervallo di frequenze e, di conseguenza, amplificasse il rumore che entrava nel PCB. Ciò è stato successivamente dimostrato dal test, in cui un cavo interno collegato al PCB aveva in realtà un livello di corrente RF molto più elevato rispetto al PCB del connettore principale quando veniva iniettato il rumore. La configurazione del test era unica e innovativa in modo da offrire agli ingegneri una visione visiva di come il rumore viene accoppiato e propagato in un sistema.

Elenco delle apparecchiature utilizzate in questa configurazione di prova

Alimentatore da banco - TTI PL320QMD, modello discontinuo, sostituito da PL303QMD
Analizzatore di spettro – Siglent SSA3021X
LISN – Tekbox TBOH01
Sonda BCI – fatta in casa
Amplificatore RF – Tekbox TBMDA 3
Sonda di monitoraggio della corrente RF – Tekbox TBCP4-500
Software – EMCView
Generatore di segnale – TTi TGF4242

(Informazioni sull'autore) Il Dr. Min Zhang è il fondatore e il principale consulente EMC di Mach One Design Ltd (www.mach1design.co.uk), una società di ingegneria con sede nel Regno Unito specializzata in consulenza, risoluzione dei problemi e formazione EMC. La sua profonda conoscenza dell'elettronica di potenza, dell'elettronica digitale, delle macchine elettriche e della progettazione di prodotti ha beneficiato alle aziende in tutto il mondo. Puoi scrivere a Zhang alla mail [email protected]