인클로저가 울리는 이유 및 예측 방법

모든 금속 상자는 공명 캐비티입니다

벤치에서 방사능 방출 테스트를 통과한 제품이 챔버에 들어가면 완전히 부서지는 경험을 해본 적이 있으신가요?섀시 공명 소리가 당신을 괴롭힐 가능성은 꽤 높습니다.대부분의 사람들이 잊고 있는 것이 하나 있습니다. 모든 닫힌 (또는 거의 닫힌) 금속 인클로저는 공명 구멍과 똑같이 작동한다는 것입니다.전자레인지로 점심을 데우는 것과 같은 물리학이죠.특정 주파수에서 상자의 내부 크기가 전자기장의 반 파장 배수와 일직선이 되어 정상파가 형성되고 갑자기 해당 주파수의 에너지가 차폐되지 않고 증폭됩니다.모든 슬롯, 솔기 또는 케이블 관통부는 놀라울 정도로 효율적인 안테나로 바뀝니다.

신제품 인클로저를 설계할 때 가장 먼저 해야 할 일 중 하나는 이러한 공진 소리의 위치를 파악하는 것입니다.섀시 공진 주파수 열기 계산기를 사용하면 말 그대로 10초면 충분합니다. 얼마나 많은 골칫거리를 예방할 수 있는지 놀라실 겁니다.

지배 방정식

직사각형 금속 캐비티는 횡방향 전기 (TE) 및 횡방향 자기 (TM) 모드를 지원합니다.$\text{TE}_{mnp}$(또는$\text{TM}_{mnp}$) 모드의 공진 주파수는 다음과 같습니다.

여기서$c$은 광속 ($\approx 3 \times 10^8$m/s) 이고$L$,$W$,$H$은 인클로저의 내부 길이, 너비 및 높이 (미터) 입니다.정수$m$,$n$및$p$은 각 축에서 발생하는 반 파장 변동의 수를 나타냅니다.

TE 모드의 경우 세 인덱스 중 2개 이상이 0이 아니어야 합니다.$L > W > H$인 일반적인 인클로저에서는 일반적으로 최하위 모드가$\text{TE}_{101}$및$\text{TE}_{110}$입니다.계산기는 이 두 가지를 모두 보고하고 어느 쪽이 문제가 시작되는 빈도인$f_{\text{min}}$를 알려주는지 알려줍니다.

EMC에 중요한 이유

공진 상태에서는 인클로저의 차폐 효과가 바위처럼 떨어질 수 있습니다. 즉, 공진 외 성능 대비 20~40dB를 말하는 셈입니다.디지털 클록 고조파 또는 스위칭 컨버터 스퍼가 이러한 캐비티 모드 중 하나에 바로 닿으면 페라이트 비드나 입력 필터링으로도 해결할 수 없는 배기가스 급증이 발생할 수 있습니다.박스 자체가 문제입니다.

몇 가지 다른 방식으로 이런 일이 벌어지는 걸 봤어요.PCB의 어떤 것과도 확실하게 연결되지 않은 주파수에서는 예상치 못한 복사 방출 피크가 발생합니다.또는 멀티 보드 인클로저에서 보드 간 커플링이 있는데, 이 경우 한 보드의 노이즈가 캐비티 모드를 자극하여 다른 보드의 민감한 아날로그 프런트 엔드에 직접 연결됩니다.케이블을 약간 움직이거나 PCB 위치를 변경하면 측정된 진폭이 갑자기 10dB씩 변하는 등 테스트 결과가 엄청나게 일치하지 않게 됩니다.

대부분의 엔지니어는 이미 테스트 랩에 도착할 때까지 이 문제에 대해 생각하지 않고 후회합니다.

실제 사례: 일반적인 산업용 컨트롤러 인클로저

표준 압출 알루미늄 인클로저를 사용한 실제 사례를 살펴보겠습니다.내부 치수는 다음과 같습니다.

-$L = 250\text{ mm}$(0.25m) -$W = 150\text{ mm}$(0.15 m) -$H = 50\text{ mm}$(0.05 m)

이는 산업용 컨트롤러 또는 소형 계측 상자의 일반적인 치수입니다.처음 두 개의 공진 모드를 계산해 보겠습니다.

TE모드

$$f_{101} = \frac{3 \times 10^8}{2} \sqrt{\left(\frac{1}{0.25}\right)^2 + \left(\frac{0}{0.15}\right)^2 + \left(\frac{1}{0.05}\right)^2}$$

$$= 1.5 \times 10^8 \sqrt{16 + 0 + 400} = 1.5 \times 10^8 \sqrt{416}$$

$$= 1.5 \times 10^8 \times 20.40 \approx 3.06\text{ GHz}$$

### Te모드

$$f_{110} = \frac{3 \times 10^8}{2} \sqrt{\left(\frac{1}{0.25}\right)^2 + \left(\frac{1}{0.15}\right)^2 + \left(\frac{0}{0.05}\right)^2}$$

$$= 1.5 \times 10^8 \sqrt{16 + 44.44} = 1.5 \times 10^8 \sqrt{60.44}$$

$$= 1.5 \times 10^8 \times 7.775 \approx 1.166\text{ GHz}$$

따라서 최저 공진 주파수는 약 1.17GHz이며$\text{TE}_{110}$모드로 설정됩니다.해당하는 자유 공간 파장은 다음과 같습니다.

$$\lambda_{\text{min}} = \frac{c}{f_{\text{min}}} = \frac{3 \times 10^8}{1.166 \times 10^9} \approx 0.257\text{ m} \approx 257\text{ mm}$$

이것이 중요한 이유는 다음과 같습니다. 1.17GHz는 대부분의 제품 등급에서 일반적으로 최대 6GHz까지 실행되는 CISPR 32/FCC Part 15 복사 방출 테스트에서 스캔한 범위에 정확히 부합합니다.설계에 디지털 클럭 고조파, USB 3.x, PCIe 또는 HDMI와 같은 고속 직렬 링크 또는 스펙트럼 함량이 1.17GHz에 가까운 스위칭 컨버터가 있는 경우 이 인클로저는 이러한 신호를 감쇠하지 않고 증폭합니다.공진 부위 바로 앞에서 지방 스파이크가 크게 솟아오르는 것을 볼 수 있는데, 이게 어디서 왔는지 궁금하게 머리를 긁게 될 것입니다.

이 숫자를 섀시 공진 주파수 열기 계산기에 대입하면$f_{\text{min}}$에서의 파장과 함께 결과를 즉시 확인할 수 있습니다.매번 손으로 연산을 하지 않아도 됩니다.

실용적인 디자인 전략

공진이 어디에 있는지 알게 되면 여러 가지 방법으로 공진을 처리할 수 있습니다.설계 주기의 어느 단계에 있느냐에 따라 어떤 것들은 다른 것들보다 쉬울 수도 있습니다.

케이스 크기를 변경하십시오. 일찍 잡으면 가장 저렴한 해결책입니다.한 차원을 10~ 15% 만 변경해도 공진 주파수가 문제가 되는 주파수에서 멀어질 수 있습니다.아직 CAD 단계에 있다면 비용이 전혀 들지 않습니다.이미 금속을 절단했다면 비용이 많이 듭니다. 흡수제 재료를 추가하십시오. 내부 벽에 RF 흡수 폼이나 적재된 엘라스토머를 배치하면 캐비티의 Q가 약해져 공명 피크가 감소합니다.1GHz 이상의 고주파 인클로저에서 이런 현상을 많이 볼 수 있습니다.업소버가 공진을 제거하지는 못하지만 엣지를 제거하므로 10—15dB의 마진을 확보할 수 있습니다.흡수 재질이 작동 온도 범위에 맞는지 확인하기만 하면 됩니다. 인클로저를 분할하십시오. 내부 벽이나 실드는 큰 캐비티 하나를 작은 캐비티로 분리하여 최저 공진 주파수를 높입니다.이는 PCB의 두 부분 사이에 접지된 금속 칸막이를 설치하는 것처럼 간단할 수 있습니다.비결은 파티션이 인클로저 벽에 전기적으로 잘 접합되도록 하는 것입니다. GHz 주파수에서 나사 몇 개만으로는 충분하지 않을 수 있습니다. 조리개를 주의해서 관리하십시오. 공진 캐비티는 길이가$\lambda/2$에 근접하는 슬롯을 통해 가장 효율적으로 방사됩니다.솔기 길이와 통풍 슬롯을$\lambda_{\text{min}}/2$이하로 유지하는 것이 중요합니다.최저 공진이 1.17GHz인 경우 약 128mm보다 짧은 슬롯이 필요합니다.이보다 길면 문제가 생길 수 있습니다. 소음원을 재배치하십시오. 정상파 패턴은 캐비티 내부의 예측 가능한 위치에서 null과 최대값을 갖습니다.주파수를 이동할 수 없는 경우 (클럭 트리 또는 전원 공급 장치 토폴로지에 연결되어 있기 때문에) 물리적 소스를 필드 널로 옮길 수도 있습니다.이를 위해서는 약간의 EM 시뮬레이션이나 많은 시행착오가 필요하지만 다른 옵션이 없는 경우에도 작동할 수 있습니다.

빠른 온전성 검사 경험 규칙

빠른 추정을 위해 어떤 사람들은 가장 낮은 공명률에 대해 다음 근사치를 사용합니다.

여기서$H$가 훨씬 작다고 가정하면$L_{cm}$및$W_{cm}$두 개의 가장 큰 내부 치수는 센티미터 단위입니다.예를 들어$\sqrt{25^2 + 15^2} = \sqrt{850} \approx 29.2$,$f \approx 150/29.2 \approx 5.14$GHz를 제공합니다.잠깐, 그건 일치하지 않아요.그 이유는 이 근사값이 실제로는 적절한 캐비티 모드가 아니라 대각선 방향의 반파장 공명을 추정한 것이기 때문입니다.실제 캐비티 계산 (위 그림 참조) 에서는 1.17GHz가 나오는데, 이는 완전히 다릅니다.

여기서 얻을 수 있는 교훈은 단축키가 아닌 실제 공식을 사용하세요입니다. 특히 규정 준수가 어려운 경우에는 더욱 그렇습니다.경험에 비추어 보면 칵테일 파티를 예상하는 데 유용하지만, 실패한 테스트를 디버깅하려고 할 때는 실수를 하게 될 수도 있습니다.

시도해 보세요

다음 인클로저 설계를 확정하기 전에, 또는 현재 회로도에서 명확히 알 수 없는 미스테리한 배출 피크를 디버깅 중이라면 섀시 공진 주파수 계산기를 열고 상자 치수를 입력하세요.약 10초가 소요되며, 재스핀에 드는 비용이 많이 들거나 테스트 랩에서 문제 해결을 하느라 고생하는 일주일을 절약할 수 있습니다.차폐 효율성 계산 또는 조리개 누수 추정치를 함께 사용하여 인클로저가 EMC 챔버에 들어갔을 때 실제로 어떻게 작동할지를 전체적으로 파악할 수 있습니다.