エンクロージャーが電子レンジのように鳴る理由とその予測方法

# #すべての金属箱は共振空洞です

製品がベンチでは放射性エミッションを通過させるのに、チャンバー内では著しく故障する理由を疑問に思ったことがあるなら、シャーシの共振が原因かもしれません。閉じた (またはほぼ閉じた) 金属製の筐体は、電磁学的に言えば、すべて共振空洞です。これは、電子レンジで昼食を温めるのとまったく同じ物理現象です。特定の周波数では、ボックスの内部寸法が電磁場の半波長の倍数と一致し、定在波が発生します。これらの周波数のエネルギーはシールドされるのではなく増幅され、スロット、シーム、またはケーブルの貫通部が非常に効率的な放射アンテナになります。

これらの共振がどこに落ちるかを理解することは、新しい製品エンクロージャーをレイアウトするときに最初にすべきことの 1 つです。[シャーシの共振周波数を開く] (https://rftools.io/calculators/emc/chassis-resonance/) 計算機を使うと、この作業は 10 秒で完了します。

支配方程式

長方形の金属キャビティは、横電気 (TE) モードと横磁気 (TM) モードをサポートします。「MATHINLINE_9」(または「MATHINLINE_10」) モードの共振周波数は次のとおりです。

「MATHBLOCK_0」

ここで、「MATHINLINE_11」は光速 (「MATHINLINE_12」m/s) で、「MATHINLINE_13」、「MATHINLINE_14」、「MATHINLINE_15」はエンクロージャーの内部の長さ、幅、高さ (メートル単位) です。整数「MATHINLINE_16」、「MATHINLINE_17」、および「MATHINLINE_18」は、各軸に沿った半波長変動の数を示します。

TE モードでは、3 つのインデックスのうち少なくとも 2 つがゼロ以外でなければなりません。一般的なエンクロージャー (「MATHINLINE_19」) で最も低い次数のモードは、通常「MATHINLINE_20」と「MATHINLINE_21」です。計算機は両方をレポートし、さらにどちらが「MATHINLINE_22」になるか（トラブルが最初に始まる周波数）を特定します。

なぜそれがEMCにとって重要なのか

共振時には、エンクロージャのシールド効果が劇的に低下することがあります。オフ共振性能と比べて20～40dB低下することもあります。デジタル・クロックの高調波やスイッチング・コンバータのスパーがたまたまこれらのキャビティ・モードのいずれかに当たった場合、エミッション・スパイクが発生しますが、ボックス自体が問題であるため、フェライトやフィルタをいくら使用しても抑えられません。

一般的な結果としては、次のようなものがあります。

-PCB上の明らかな発生源とは一致しない周波数での予期しない放射性エミッションピーク -マルチボード・エンクロージャのボード間の結合。あるボードのノイズがキャビティ・モードを励起し、それが別のボードの高感度アナログ・フロントエンドに結合する。 -一貫性のないテスト結果 — ケーブルを移動したり PCB を再配置したりすると、電界パターンがわずかに変化し、測定された振幅が変化します。

実際の例:一般的な産業用コントローラ・エンクロージャー

内部寸法の標準的な押し出しアルミニウム製エンクロージャーを考えてみましょう。

-「マチンライン_23」(0.25 m) -「マティンライン_24」(0.15 m) -「マティンライン_25」(0.05 m)

TEモード

「マスブロック_1」

「マスブロック_2」

「マスブロック_3」

TE モード

「マスブロック_4」

「マスブロック_5」

「マスブロック_6」

つまり、最低共振周波数は「MATHINLINE_26」モードで設定された約1.17GHzです。対応する自由空間波長は次のとおりです。

「マスブロック_7」

これは、CISPR 32/FCC Part 15の放射性エミッションテスト（多くの製品クラスで通常最大6 GHzまで動作する）でスキャンされた範囲に完全に収まっています。設計にデジタルクロック高調波、高速シリアルリンク (USB 3.x、PCIe、HDMI)、または1.17 GHzに近い容量のスイッチングコンバータが使用されている場合、このエンクロージャはそれらの信号を減衰させるのではなく増幅します。

同じ数値を [シャーシ共振周波数を開く] (https://rftools.io/calculators/emc/chassis-resonance/) 計算機に差し込むと、「MATHINLINE_27」の波長とともに結果がすぐに得られます。

実践的な設計戦略

共振がどこにあるかがわかれば、いくつかの選択肢があります。

1.エンクロージャーの寸法を変更してください。 1つの寸法を10～ 15% 変えただけでも、共振が問題のある周波数からずれることがあります。これは設計の早い段階で行うのが最も安価です。

2.吸収材を追加 RF吸収フォームまたは充填エラストマーを内壁に置くと、空洞のQが減衰し、共振ピークが減少します。これは、1 GHz を超える高周波エンクロージャーではよくあることです。

3.エンクロージャーを仕切ります。 内壁またはシールドは、1つの大きな空洞を小さな空洞に分割し、最も低い共振の周波数を高くします。

4。開口部の管理は慎重に行ってください。 共振空洞は、長さが「MATHINLINE_28」に近いスロットから最も効率的に放射されるため、継ぎ目の長さと通気スロットを「MATHINLINE_29」よりかなり低く保つことが重要です。

5.ノイズ源を再配置してください。 定在波パターンでは、予測可能な位置にゼロと最大値があります。周波数を移動できない場合は、発生源をフィールドヌルに移動できることがあります。

クイックサニティチェックの経験則

素早いメンタル推定では、箱の共振が最小になるのはおおよそ次のようになります。

「MATHBLOCK_8」

ここで、「MATHINLINE_30」と「MATHINLINE_31」はセンチメートル単位の2つの最も大きい内部寸法です（「MATHINLINE_32」の方がはるかに小さいと仮定します）。この例では、「MATHINLINE_33」で「MATHINLINE_34」GHzとしました。待ってください。これは対角線に沿った半波の推定値であり、キャビティモードの式ではありません。(上図のように) 適切なキャビティ計算を行うと、1.17 GHz が得られます。教訓:近道ではなく実際の公式を使用する。特にコンプライアンスが問題になっている場合はなおさらです。

やってみよう

次のエンクロージャー設計を完成させる前、またはミステリアスなエミッションピークをデバッグする場合は、[シャーシの共振周波数] (https://rftools.io/calculators/emc/chassis-resonance/) 計算機を開いて、ボックスの寸法を記入してください。数秒で完了し、コストのかかる再スピンの手間を省くことができます。これをシールド効果または開口漏れの計算と組み合わせると、エンクロージャーがEMCチャンバー内でどのように動作するかの全体像を把握できます。