屏蔽是你的朋友,但也有例外的时候…

屏蔽是你的朋友，但也有例外的时候…… n电路大部分用作防止外边的信号进入并干扰里面电路的保护措施，但也能防止里面的信号逃逸，因此负责电磁干扰(EMI)一致性工作的工程师非常乐意使用它们。 即使在低频电路中，屏蔽也能防止由于空气电流和交流输电线拾取引起的漂移。在更高的频率，屏蔽可以防治辐射和拾取信号。在射频或微波电路中，屏蔽使得无线接收机、频谱分析仪和由于没能在各个射频和中频部分之间提供足够屏蔽和隔离而无法正常工作的各种设备能正常工作。 那么什么方面会出错呢？其实10年前基本上是不会出错的。大部分标准无线应用仍工作在最高2.5GHz的频率。在这种情况下屏蔽罩通常有利无弊。后来“普通射频”发展到了3GHz以下的频率，但今天的“普通射频”发展到了6GHz以下，甚至在消费电路中使用工作频率高达6GHz的电路版图设计也很常见。 这种情况要求屏蔽我们的射频电路，目的不仅是要让我们的电路正常工作，而且要防止在规范测试中出现电磁干扰辐射问题。 常见的屏蔽形式是放置在电路上方的某种导电结构。这些组件范围很广，从电视调谐器类型的铁罐，覆盖有导电材料的简单塑料模具，到专门针对我们的电路板经昂贵加工的铝块。 当我们在电路板上放置屏蔽罩时，我们会创建一个传导性的电子腔，这种腔喜欢某些频率或各种横向电磁(TEM)模式[2]。换句话说，它在某些频率会产生谐振。 这些谐振模式通常是不好的，因为我们希望屏蔽罩能阻止电场逃逸(而且确实会)，但在某些频率点，屏蔽罩内的电磁波会变得非常强大。这正是我们的问题出现的地方。 通过使用简单的数学公式就可以预测开始出现这种现象的频率[2]。 对于高度、宽度和长度分别为H、W和L(其中W>L>H)的盒子来说，可以用下列等式计算各种TEM模式：

公式1
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其中尺寸的单位是米， 计算得到的谐振频率是MHz， 屏蔽或腔内的介质假定为空气。 变量a、b和c在不同TEM模式时有不同取值——要么是1，要么是0。由于3个变量都可能是1或0，所以这种简单模型可以用来预测矩形密封盒子所有可能的TEM模式。 在屏蔽设计中，我们通常只对屏蔽腔可以谐振的最低频率感兴趣，因此公式1可以简化成：

公式2
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公式2代表的是TEM101模式。公式1的‘a’和‘c’都等于1，‘b’等于0。你可以直观地看到，这是屏蔽腔最大尺寸的对角线。这个对角线长度的倒数正比于频率。 公式2可以用来计算矩形屏蔽罩产生谐振时的最低频率。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 测试理论与实践 现在我们终于有办法观察屏蔽腔是否谐振在我们关心的某个足够低的频率，下面让我们做一些实际的测试。我照例使用可以焊接到PCB上的这些小屏蔽盒[3]。我经常使用的小屏蔽盒尺寸是1.5x1x0.4英寸。将这些尺寸代入公式2可以算出最低频率TEM模式位于7GHz左右。 为了测试这个输出，我搭建了一个由输入探头、输出探头和焊接到一片废旧电路板的屏蔽盒组成的测试电路(图1)。

图1：为了测试这个理论输出，我在一块电路板材料上焊接了一个尺寸为1.5 x 1 x 0.4英寸的金属屏蔽盒。为了获得出入的信号，我还在屏蔽腔内焊接了一些修改过的SMA PCB连接器。这些连接器用作小的电容探头，当连接矢量网络分析仪(VNA)时能让我们定量地考察屏蔽盒内部情况。
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对中心导电探头的长度没有作特别的关注，只是在电气上做得很短(远小于感兴趣频率点的?波长)。这些探头正好安装在有些随机的盒子末端。将盒子末端选为探头位置是因为这也许代表了屏蔽盒内部隔离的最大希望，末端也可能代表了特定电路的输入输出点。

图2：这是测试板的背面，上面的SMA连接器将连接到矢量网络分析仪供分析使用。
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图3：这是放置了屏蔽盖的测试装置外观
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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 现在是做一些实际测量的时候了。将矢量网络分析仪(VNA)连接在连接器与VNA的端口1和端口2之间，然后就可以开展一系列S21测量了。 分析仪上的第一张图是没有屏蔽盖的时候，它显示了输入与输出探头之间的自然耦合(图4)。这个电路可以用一个小电容串联一个位于屏蔽盒内的电路探头之间的电阻粗略建模。在低频时耦合是很小的，随着频率的提高，耦合会逐渐增强，最终趋于稳定。 毋庸置疑，屏蔽盒内电容探头的确切位置将影响实际的响应。靠得越近耦合越强。但只要我们不移动探头，比较结果就将是有效的，而这些探头是焊接的，因此它们不会移动。

图4：蓝线是屏蔽盖揭开时矢量网络分析仪上的输入至输出图。图中显示了直到甚高频的期望电容耦合行为。橙色线是屏蔽盖盖上时发生的情况，盖上屏蔽盖整个屏蔽腔电路就完整了，并将我们的训练电路板转变为高度谐振和具有多次谐振的复杂腔体结构。
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从图4可以看出，当盖上屏蔽盖时，我们漂亮的屏蔽盒就变成了一个复杂的具有多次谐振(峰和谷)的谐振结构。用公式2可以预测，第一次谐振发生在大约7GHz，而且可以肯定的是，这是第一个峰出现的位置。在这第一个峰处，输入至输出探头之间的耦合被减小了30dB以上。 为什么关心这个呢？原因有很多。首先，如果你在这些峰值的任一处有增益，那么增强的耦合将导致杂散振荡。这个振荡频率可能在你感兴趣的频带之外，但如果你的放大器振荡在一些很高的频率，那就有可能破坏较低频率点时的工作。 我曾经有个多级放大器，当它完全位于屏蔽盒内时它的振荡频率远在感兴趣频带之外。你永远不会在VNA增益或匹配扫描中看到它，但它会改变放大器的工作点以及放大器的谐波，并且会影响下游的电路。 另一方面，如果你的电路工作时要经过这些谐振点，那么当你扫描通过这些点的频率时，你会看到各种无法解释的功率谷(也称为“吸吮”)。 第三个问题发生在你的电路具有接近这些谐振点的内部频率(或仅通过增强的宽带耦合)之时。这时屏蔽盒内的能量出现峰值，从而由于从屏蔽盒泄漏出来的信号增强而造成电磁干扰辐射故障。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 我敢肯定还有其它无数的问题，以上这些只是让我感到悲伤的其中一些。下次我们将讨论针对这些问题的一些解决方案... 参考文献： [1] 802.11 Wireless routers can be bought at Home Depot that operate in the 5.8-GHz band. Such electronics are pretty commonplace when you can buy it at the Home Depot. [2] See any college textbook on fields and waves for an in-depth explanation of this topic. Such as: Lines, waves and antennas, Robert Brown, et al. 1973 [3] Leader Tech is the supplier of the shield that was used in this example, www.leadertechinc.com 作者：Steve Hageman 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载