無線傳感單元PCB的電磁騷擾研究

王 佼,田 亮, 孫佳偉

(國網保定供電公司,河北 保定 071000)

無線傳感單元PCB的電磁騷擾研究

王 佼,田 亮, 孫佳偉

(國網保定供電公司,河北 保定 071000)

依據電磁騷擾相關理論,對帶屏蔽外殼的無線溫度傳感單元的PCB及其引腳處的電磁騷擾進行了仿真研究,得到了帶屏蔽外殼模型的PCB及其引腳處的磁場強度和表面電流的分布情況，并提出了抑制電磁騷擾的措施,為無線傳感單元在變電站電磁環境下的電磁兼容性研究提供了理論參考依據。

無線傳感網絡;電磁騷擾;印刷電路板;CST仿真

隨著中國電力事業的快速發展,國家電網公司提出了以“感、傳、知”為特征的“物聯網技術”研究規劃[1],這對于加強中國智能電網建設具有重大意義。無線傳感單元作為組成物聯網的關鍵環節,取代傳統的電纜通信方式應用到電力設備狀態監測中,可以方便地獲取電力設備狀態信息,同時減少了變電站的復雜度和連接隱患,便于維護。

印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)是無線傳感單元的主要裝配方式[2]。PCB電磁兼容性能的高低是衡量無線傳感單元質量的一個重要指標。PCB的板材一般為絕緣材料,在絕緣材料上按照設計好的電路放置電子元器件,以實現線路板的通信、電氣連接等功能。在設計電路板時,經常涉及到電磁兼容問題,一塊好的PCB板必須具有良好的電磁兼容性才能正常發揮功能。

電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)是一種電磁能量,它對電磁設備的通信功能起到阻礙、中斷和限制作用,甚至引起傳輸通道或系統性能的下降[2]。

無線傳感單元采用微型電池提供運行所需要的能量,當無線傳感單元在變電站復雜工況下工作時,騷擾源主要以輻射耦合對其正常工作造成影響。當電磁騷擾源照射到無線傳感單元時,將會在PCB和芯片引腳上產生感應電壓和感應電流。較大的感應電壓和感應電流會導致傳感單元無線通信中斷。本文研究無線傳感單元在變電站中的抗電磁干擾問題,分析騷擾源對無線傳感單元PCB和芯片引腳的影響。

1 PCB的電磁騷擾仿真

1.1 仿真軟件

采用基于有限積分理論的CST軟件進行電磁場仿真。CST微波工作室軟件是專業的高頻組件三維電磁波仿真工具,是專用于微波無源器件及PCB板設計與分析的軟件包[3]。由于CST基于通用的三維算法即有限積分法,它能夠處理幾乎所有的電磁場仿真問題。利用CST軟件進行仿真的步驟:[3]

1) 構建物聯網無線傳感單元PCB板加屏蔽外殼和不加屏蔽外殼模型。

2) 模擬仿真在2.4GHz頻率下,將不同照射方向和極化方向的平面波照射到PCB板級上,分析PCB上及芯片引腳處電磁場場強、感應電壓和表面電流流動情況。

3) 根據仿真實驗結果,利用Matlab軟件對引腳處電磁騷擾情況進行分析。

本文通過改變平面波的照射方向和電場極化方向,對無線傳感單元PCB和芯片引腳處電磁騷擾情況進行分析。

1.2 平面波沿-Y軸照射,電場極化方向沿+X軸

利用CST建立的帶屏蔽外殼的無線溫度傳感器模型如圖1所示。仿真的邊界條件定義為輻射邊界,相當于整個模型被嵌入在一個理想的開闊空間場里。頻率范圍設置為0～3.12 GHz;激勵源設置為平面波,平面波的電場強度為100 V/m;激勵信號設置為局部放電信號。

圖1 帶屏蔽外殼模型

該仿真一共設置了7個電壓探頭用來探測PCB板各個區域產生的感應電壓幅值。探頭的添加情況如圖2所示,其中Voltage1為天線頂端處探頭;Voltage2為長回路導線處探頭;Voltage3為大芯片元件引腳處探頭;Voltage4、 Voltage5為中型芯片引腳處探頭;Voltage6、Voltage7為較小型芯片引腳處探頭。

圖2 探頭添加情況

平面波沿-Y軸方向照射到無屏蔽無線溫度傳感單元上,平面波的電場強度為100 V/m,電場極化方向沿+X軸,如圖3箭頭所示。頻率為2.4 GHz面板的場強分布情況如圖4所示。通過仿真得到的探頭處感應電壓幅值如圖5所示。

圖3 平面波照射方向和電場極化方向圖

圖4 2.4 GHz面板的場強分布

圖5 探頭處的感應電壓幅值

由圖5仿真結果可知表明,探頭1的感應電壓幅值高于其他探頭處的感應電壓幅值,且最大感應電壓幅值所在頻點與其他探頭不同,最大感應電壓出現在頻點0.97 GHz處,大小為0.102 V。其他探頭的最大感應電壓出現的頻點是3.03 GHz,探頭2到探頭7的最大感應電壓分別為0.377、0.136 、0.005 、0.234 、0.375 、0.278 mV。對于各個探頭,在0.97、1.31、2.30、3.03 GHz頻點處感應電壓幅值也相對較大。此時,2.4 GHz頻點感應磁場強度和表面電流流動情況如圖6所示。

圖6 2.4 GHz磁場強度和表面電流流動圖

從圖6可以看出,在PCB和芯片引腳上,感應電壓和感應電流非常小,由于外殼的屏蔽作用,表面電流在屏蔽外殼表面上流動。

電磁波能量被天線接收后,會在天線上出現感應電壓和騷擾電流,從而導致無線溫度傳感單元傳輸數據丟包、延時等。此時,由于電場極化方向與天線極化方向垂直,天線接收的能量較小。

1.3 改變平面波照射方向和電場極化方向

針對帶屏蔽外殼的無線溫度傳感單元模型,再次改變其平面波的照射方向和電場極化方向,在以下3種情況進行仿真。

1) 平面波沿-Y軸照射,電場極化方向沿+Z軸。

2) 平面波沿+Y軸照射,電場極化方向沿+Z軸。

表1 各探頭感應電壓幅值對照表

3) 平面波沿+Y軸照射,電場極化方向沿+X軸。

通過對仿真結果進行比較,得出7個探頭處的最大感應電壓幅值如表1所示。由表1的數據分析可得:

1) 在平面波照射方向相同的情況下,當天線的極化方向和電場極化方向一致時,天線接收能量較大,產生的感應電壓相對較大;當天線的極化方向和電場極化方向互相垂直時,天線接收能量相對減弱,產生的感應電壓相對較小。因此,騷擾源的電場極化方向對天線的電磁干擾程度有重要的影響。

2) 在平面波照射方向相同的情況下,電場極化方向對天線上的感應電壓探頭影響很大,對PCB上的感應電壓探頭影響不明顯。這說明PCB上的騷擾電壓和騷擾電流是外電場騷擾源通過天線或屏蔽殼上面的孔縫等耦合進入屏蔽殼內部的。

3) 在電場極化方向相同的情況下,改變平面波的照射方向,可以發現PCB上各探頭處的最大感應電壓數值變化范圍相對較大。

4) 同在PCB上面的各個探頭感應電壓幅值也不一樣,它們受電路結構等諸多因素影響。根據表面電流流動圖可以發現,在PCB的芯片及其管腳密集處的感應電壓和感應電流較大。這些地方的特點是導線間距較小,引腳較多。此外,在屏蔽殼與PCB交界處也有明顯的感應電流流動。

2 理論分析

文獻[4]指出,在PCB電路中存在電磁干擾的根本原因是PCB電路中存在時變的電流。時變電流通常存在于小電流環即磁流元的磁場源中[5]。文獻[6]分析了小電流環(磁流元)的天線輻射特性,并指出PCB中電流回路產生的電場和磁場與以下6個因素有關:

1) 小電流環流過的電流I。

2) 源的輻射方向與測量點位置間的關系θ。

3) 回路的尺寸S。

4) 小電流環到輻射場的距離r。

5) 小電流環的波長λ,或電磁波的頻率f,頻率越高,輻射越強。

6) 波阻抗Z,Z與空間媒質有關,媒質不同,介電常數和磁導率則不同。

在以上幾個因素中,流過小電流環的電流I、源的輻射方向與測量點位置間的角度θ、回路的尺寸S和小電流環到輻射場的距離r這4個變量都是可以控制的。如減小流過小電流環的電流,或控制源的輻射方向與測量點位置間的角度,減小回路的尺寸,增大小電流環到輻射場的距離r,都可以減小輻射電場或磁場的強度[7]。

3 電磁騷擾的抑制措施

為有效地解決PCB的電磁騷擾問題,應從與輻射電場或磁場有關的、可控制的4個因素(I,θ,S和r)出發進行設計。具體可從減少設備輻射、增強設備抗干擾能力和切斷福射的耦合著手[8]。其中,減少設備輻射和增強設備抗干擾能力的主要途徑是改進PCB的布線,而切斷輻射耦合的主要途徑是電磁屏蔽。

PCB板的抗騷擾措施如下:

1) PCB板要采用單點接地法。盡量減小接地換路的面積,降低電路中的感應噪聲[7]。

2) 布線層要單獨隔開。盡量避免互相平行的走線布線,在PCB布線空間允許的情況下,兩條走線的間距要盡量寬。

3) 對電源線的寬度進行加粗,減少環路電阻。同時使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。

4) 加強信號與地面之間的間隔和距離控制。

4 結 語

本文利用CST微波工作室軟件對無線溫度傳感單元進行了仿真,得出了帶屏蔽外殼模型的PCB及其引腳處的磁場強度和表面電流的分布情況,并指出PCB中電流回路產生的電場和磁場與上述6個因素有關。因此,為有效地解決PCB的電磁騷擾問題,提出了抑制電磁騷擾的相應措施，為今后無線傳感單元在變電站電磁環境下的電磁兼容性研究提供理論性參考依據。

[1] 李繼琨.物聯網無線溫度傳感單元在變電站中的電磁兼容性研究[D].保定:華北電力大學,2012. LI Jikun.Research on the electromagnetic compatibility of wireless sensor temperature unit of the internet of things in substation[D].Baoding:North China Electric Power University,2012.

[2] 趙爽.基于CST軟件的PCB板電磁兼容仿真技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2013. ZHAO Shuang.Study on EMC simulation technology of pcb based on CST software[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2013.

[3] 張敏.CST微波工作室用戶全書 [M].成都:電子科技大學出版社,2004. ZHANG Min.CST microwave studio user book [M].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China Press,2004.

[4] MADHURAVASAL V, VENKATARAMAN S, KOTA P, et al. Extreme temperature switch mode power supply based on vee-square control using sic, si on sapphire, hybrid technology[C]//IMAPS International Conference and Exhibition on High Temperature Electronics. New Mexico: Albuquerque,2008.

[5] KOBAYASHI N, MORISHITA K, KUSUMOTO M, et al. Coupling analysis of PCB-Chassis systems with signal lines and via structures using SPICE[C]//Proc. of the 2007 IEEE International Symposium on EMC. 2007:1-6.

[6] SHANN J, BOYLE J. Influence of plant—species on in-situ rhizosphere degradation: bioremediation through rhizosphere technology[C]//Bioremediation through Rhizosphere Technology Washington, D.C: American Chemical Society, 1994.

[7] 胡亞洲.基于CMX469A嵌入式MODEM的PCB設計及其EMC分析[D].南京:南京郵電大學,2013. HU Yazhou.PCB design and EMC analysis of embedded MODE-M[D].Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications,2013.

[8] 張鍵洋.高速通信背板信號完整性和電磁兼容研究[D].長沙:中南大學,2013. ZHANG Jianyang.Study of high-speed communication backplane signal integrity and electromagnetic compatibility[D].Changsha:Central South University,2013

(責任編輯 侯世春)

Research on electromagnetic disturbance of PCB for wireless sensor unit

WANG Jiao, TIAN Liang， SUN Jiawei

(State Grid Baoding Power Supply Company,Baoding 071000,China)

In this paper, the electromagnetic disturbance theory is introduced, on the basis of which the PCB of wireless temperature sensor unit models with shielded shell and the electromagnetic disturbance occurring at its pin are simulated to work out the distribution of their electromagnetic field strength and surface current. The paper, therefore, proposes the measures to suppress electromagnetic strength, which provide theoretical reference for the electromagnetic compatibility research for wireless sensor unit in the substation electromagnetic environment.

wireless sensor network; electromagnetic disturbance; PCB; CST simulation

2015-01-06。

王 佼(1987—),男,碩士,工程師,主要研究方向電力系統繼電保護。

TN713

A

2095-6843(2015)05-0420-05