无线传感单元PCB的电磁骚扰研究

王 佼,田 亮, 孙佳伟

(国网保定供电公司,河北 保定 071000)

无线传感单元PCB的电磁骚扰研究

王 佼,田 亮, 孙佳伟

(国网保定供电公司,河北 保定 071000)

依据电磁骚扰相关理论,对带屏蔽外壳的无线温度传感单元的PCB及其引脚处的电磁骚扰进行了仿真研究,得到了带屏蔽外壳模型的PCB及其引脚处的磁场强度和表面电流的分布情况，并提出了抑制电磁骚扰的措施,为无线传感单元在变电站电磁环境下的电磁兼容性研究提供了理论参考依据。

无线传感网络;电磁骚扰;印刷电路板;CST仿真

随着中国电力事业的快速发展,国家电网公司提出了以“感、传、知”为特征的“物联网技术”研究规划[1],这对于加强中国智能电网建设具有重大意义。无线传感单元作为组成物联网的关键环节,取代传统的电缆通信方式应用到电力设备状态监测中,可以方便地获取电力设备状态信息,同时减少了变电站的复杂度和连接隐患,便于维护。

印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)是无线传感单元的主要装配方式[2]。PCB电磁兼容性能的高低是衡量无线传感单元质量的一个重要指标。PCB的板材一般为绝缘材料,在绝缘材料上按照设计好的电路放置电子元器件,以实现线路板的通信、电气连接等功能。在设计电路板时,经常涉及到电磁兼容问题,一块好的PCB板必须具有良好的电磁兼容性才能正常发挥功能。

电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)是一种电磁能量,它对电磁设备的通信功能起到阻碍、中断和限制作用,甚至引起传输通道或系统性能的下降[2]。

无线传感单元采用微型电池提供运行所需要的能量,当无线传感单元在变电站复杂工况下工作时,骚扰源主要以辐射耦合对其正常工作造成影响。当电磁骚扰源照射到无线传感单元时,将会在PCB和芯片引脚上产生感应电压和感应电流。较大的感应电压和感应电流会导致传感单元无线通信中断。本文研究无线传感单元在变电站中的抗电磁干扰问题,分析骚扰源对无线传感单元PCB和芯片引脚的影响。

1 PCB的电磁骚扰仿真

1.1 仿真软件

采用基于有限积分理论的CST软件进行电磁场仿真。CST微波工作室软件是专业的高频组件三维电磁波仿真工具,是专用于微波无源器件及PCB板设计与分析的软件包[3]。由于CST基于通用的三维算法即有限积分法,它能够处理几乎所有的电磁场仿真问题。利用CST软件进行仿真的步骤:[3]

1) 构建物联网无线传感单元PCB板加屏蔽外壳和不加屏蔽外壳模型。

2) 模拟仿真在2.4GHz频率下,将不同照射方向和极化方向的平面波照射到PCB板级上,分析PCB上及芯片引脚处电磁场场强、感应电压和表面电流流动情况。

3) 根据仿真实验结果,利用Matlab软件对引脚处电磁骚扰情况进行分析。

本文通过改变平面波的照射方向和电场极化方向,对无线传感单元PCB和芯片引脚处电磁骚扰情况进行分析。

1.2 平面波沿-Y轴照射,电场极化方向沿+X轴

利用CST建立的带屏蔽外壳的无线温度传感器模型如图1所示。仿真的边界条件定义为辐射边界,相当于整个模型被嵌入在一个理想的开阔空间场里。频率范围设置为0～3.12 GHz;激励源设置为平面波,平面波的电场强度为100 V/m;激励信号设置为局部放电信号。

图1 带屏蔽外壳模型

该仿真一共设置了7个电压探头用来探测PCB板各个区域产生的感应电压幅值。探头的添加情况如图2所示,其中Voltage1为天线顶端处探头;Voltage2为长回路导线处探头;Voltage3为大芯片元件引脚处探头;Voltage4、 Voltage5为中型芯片引脚处探头;Voltage6、Voltage7为较小型芯片引脚处探头。

图2 探头添加情况

平面波沿-Y轴方向照射到无屏蔽无线温度传感单元上,平面波的电场强度为100 V/m,电场极化方向沿+X轴,如图3箭头所示。频率为2.4 GHz面板的场强分布情况如图4所示。通过仿真得到的探头处感应电压幅值如图5所示。

图3 平面波照射方向和电场极化方向图

图4 2.4 GHz面板的场强分布

图5 探头处的感应电压幅值

由图5仿真结果可知表明,探头1的感应电压幅值高于其他探头处的感应电压幅值,且最大感应电压幅值所在频点与其他探头不同,最大感应电压出现在频点0.97 GHz处,大小为0.102 V。其他探头的最大感应电压出现的频点是3.03 GHz,探头2到探头7的最大感应电压分别为0.377、0.136 、0.005 、0.234 、0.375 、0.278 mV。对于各个探头,在0.97、1.31、2.30、3.03 GHz频点处感应电压幅值也相对较大。此时,2.4 GHz频点感应磁场强度和表面电流流动情况如图6所示。

图6 2.4 GHz磁场强度和表面电流流动图

从图6可以看出,在PCB和芯片引脚上,感应电压和感应电流非常小,由于外壳的屏蔽作用,表面电流在屏蔽外壳表面上流动。

电磁波能量被天线接收后,会在天线上出现感应电压和骚扰电流,从而导致无线温度传感单元传输数据丢包、延时等。此时,由于电场极化方向与天线极化方向垂直,天线接收的能量较小。

1.3 改变平面波照射方向和电场极化方向

针对带屏蔽外壳的无线温度传感单元模型,再次改变其平面波的照射方向和电场极化方向,在以下3种情况进行仿真。

1) 平面波沿-Y轴照射,电场极化方向沿+Z轴。

2) 平面波沿+Y轴照射,电场极化方向沿+Z轴。

表1 各探头感应电压幅值对照表

3) 平面波沿+Y轴照射,电场极化方向沿+X轴。

通过对仿真结果进行比较,得出7个探头处的最大感应电压幅值如表1所示。由表1的数据分析可得:

1) 在平面波照射方向相同的情况下,当天线的极化方向和电场极化方向一致时,天线接收能量较大,产生的感应电压相对较大;当天线的极化方向和电场极化方向互相垂直时,天线接收能量相对减弱,产生的感应电压相对较小。因此,骚扰源的电场极化方向对天线的电磁干扰程度有重要的影响。

2) 在平面波照射方向相同的情况下,电场极化方向对天线上的感应电压探头影响很大,对PCB上的感应电压探头影响不明显。这说明PCB上的骚扰电压和骚扰电流是外电场骚扰源通过天线或屏蔽壳上面的孔缝等耦合进入屏蔽壳内部的。

3) 在电场极化方向相同的情况下,改变平面波的照射方向,可以发现PCB上各探头处的最大感应电压数值变化范围相对较大。

4) 同在PCB上面的各个探头感应电压幅值也不一样,它们受电路结构等诸多因素影响。根据表面电流流动图可以发现,在PCB的芯片及其管脚密集处的感应电压和感应电流较大。这些地方的特点是导线间距较小,引脚较多。此外,在屏蔽壳与PCB交界处也有明显的感应电流流动。

2 理论分析

文献[4]指出,在PCB电路中存在电磁干扰的根本原因是PCB电路中存在时变的电流。时变电流通常存在于小电流环即磁流元的磁场源中[5]。文献[6]分析了小电流环(磁流元)的天线辐射特性,并指出PCB中电流回路产生的电场和磁场与以下6个因素有关:

1) 小电流环流过的电流I。

2) 源的辐射方向与测量点位置间的关系θ。

3) 回路的尺寸S。

4) 小电流环到辐射场的距离r。

5) 小电流环的波长λ,或电磁波的频率f,频率越高,辐射越强。

6) 波阻抗Z,Z与空间媒质有关,媒质不同,介电常数和磁导率则不同。

在以上几个因素中,流过小电流环的电流I、源的辐射方向与测量点位置间的角度θ、回路的尺寸S和小电流环到辐射场的距离r这4个变量都是可以控制的。如减小流过小电流环的电流,或控制源的辐射方向与测量点位置间的角度,减小回路的尺寸,增大小电流环到辐射场的距离r,都可以减小辐射电场或磁场的强度[7]。

3 电磁骚扰的抑制措施

为有效地解决PCB的电磁骚扰问题,应从与辐射电场或磁场有关的、可控制的4个因素(I,θ,S和r)出发进行设计。具体可从减少设备辐射、增强设备抗干扰能力和切断福射的耦合着手[8]。其中,减少设备辐射和增强设备抗干扰能力的主要途径是改进PCB的布线,而切断辐射耦合的主要途径是电磁屏蔽。

PCB板的抗骚扰措施如下:

1) PCB板要采用单点接地法。尽量减小接地换路的面积,降低电路中的感应噪声[7]。

2) 布线层要单独隔开。尽量避免互相平行的走线布线,在PCB布线空间允许的情况下,两条走线的间距要尽量宽。

3) 对电源线的宽度进行加粗,减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

4) 加强信号与地面之间的间隔和距离控制。

4 结 语

本文利用CST微波工作室软件对无线温度传感单元进行了仿真,得出了带屏蔽外壳模型的PCB及其引脚处的磁场强度和表面电流的分布情况,并指出PCB中电流回路产生的电场和磁场与上述6个因素有关。因此,为有效地解决PCB的电磁骚扰问题,提出了抑制电磁骚扰的相应措施，为今后无线传感单元在变电站电磁环境下的电磁兼容性研究提供理论性参考依据。

[1] 李继琨.物联网无线温度传感单元在变电站中的电磁兼容性研究[D].保定:华北电力大学,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] 赵爽.基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013. ZHAO Shuang.Study on EMC simulation technology of pcb based on CST software[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2013.

[3] 张敏.CST微波工作室用户全书 [M].成都:电子科技大学出版社,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] 胡亚洲.基于CMX469A嵌入式MODEM的PCB设计及其EMC分析[D].南京:南京邮电大学,2013. HU Yazhou.PCB design and EMC analysis of embedded MODE-M[D].Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications,2013.

[8] 张键洋.高速通信背板信号完整性和电磁兼容研究[D].长沙:中南大学,2013. ZHANG Jianyang.Study of high-speed communication backplane signal integrity and electromagnetic compatibility[D].Changsha:Central South University,2013

(责任编辑 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,硕士,工程师,主要研究方向电力系统继电保护。

TN713

A

2095-6843(2015)05-0420-05