2020年1月16日 星期四

實驗室小劇場: 你的Ground不是我的Ground,RF接地這檔事

        如果你的職務頭銜與射頻RF相關,應該都會進隔離室Shielding Room或用隔離箱Shielding Box進行一些實驗測試,這隔離箱大部分目的是怕環境訊號干擾原本電路,因為實驗最重要的是要可以重覆Reproducibility,一個可以控制的環境是非常重要的,現在環境中一推Bluetooth與WiFi設備還有手機與基地台之間的溝通等等.....只能說電磁波無所不在,至於電磁波會不會致癌這議題其實太複雜,在微波爐 Microwave Oven 與 電磁學 Field and Wave Electromagnetics我自己個人意見對身體會有影響,畢竟醫學對癌症還是持續在研究中,是不用這麼恐慌電磁波,因為它也存在好一陣子了。

RF電路測試好夥伴 Shielding Room

        其實進到Shielding Room或隔離箱就是一個密閉導體的盒子,就想想自己是身處在微波爐裡面,因為金屬良導體(Electrical Wall)會反射電體波,但實驗過程你可能需要把訊號或探針(AC or DC)接到代測物,所以勢必要開一些洞讓這些線材能夠進去。

        今天就來看一個比較常看到的一個錯誤用法,下圖是一個Shielding Box要測試接收機的靈敏度(Receiver Sensitivity),前輩講的都有在聽要必要環境雜訊的影響,所以要在Shielding Room or Shielding Box進行,有時候我還看到來喜餅或餅乾吃完的鐵盒來實驗..囧,有用Shielding Box已經算很好了,這個在RF Cable處已經用鋁箔完全的封住。

        我拿著Apple Watch 與iPhone來測試看看這個Shielding Box合不合格,我們把iPhone放入隔離箱裡面然後關起來。


        這時候檢查 Apple Watch還是與iPhone連線中,並沒有斷線,整個連線還挺順的,雖然不能量化實際連線的品質,但可以確定RF訊號還是洩漏出來並且還不小。


Shielding Room Leaky and Grounding 訊號洩漏與接地

        到底發生什麼問題呢? 不是已經用鋁箔把洞都包起來了,怎麼收訊還這麼強勁,原因其實跟進長隧道還能聽到警廣FM與行動網路原理很類似,因為這樣的結構已經有點類似漏波電纜(Leaky Cable),但漏波電纜在是故意在Ground Shield上挖特定的孔洞讓電磁波洩漏出來。 

http://www.lscns.com/en/product/prod_view.asp?searchSeq=3161&searchCate=123

        我們把RF Cable抽出來後在測試一次,這時候還有一個約1cm左右的孔徑,但這時候任何位置也無法建立連線,但不是還有個洞這樣電磁波不會類似漏波電纜一樣洩漏出來嗎? 


        我們放大剛剛的RF Cable線狀況如下圖,可以看到因為RF cable最外面是一層絕緣層,所以無論黏的在緊,RF Coaxial Cable 的Ground Conductor沒有跟Shielding Box接在一起,這就有點變成天線Antenna的概念, 會把訊號耦合出來當然也會把外面的雜訊耦合進去。
   
        所以正確的做法是類似以下的,要把Cable的絕緣層剝除與Shielding Box的接在一起,這時候訊號會被限制在Cable中間的訊號導線,路徑上在透過串聯適當的濾波器,這樣的做法可以是DC電源訊號,測試Cable與RF Cable等等。

        所以專業的Shielding Box都有考慮這個濾波器設計IO接出口,所以下次不要在想嘗試用餅乾盒DIY了,就算要也要有一些基本的知識來改裝。


RF Coaxial Cable Grounding Effectiveness  銅管接地位置

        類似的問題也會出現在一些Debugging 過程,在一些不預期的狀況發生,常常會拿著一個Coaxial Cable取出特定節點的訊號,但在施工上有時候一些工程師會犯了以下的接地的錯誤。

        雖然銅管RF Coaxial Cable外圈都是地Ground,但RF頻率的波長較短,如果訊號是幾十MHz的可能還好,但如果是WiFi 2.4GHz在真空中的波長才12.5cm (光速 = 頻率 x 波長),所以接地位置改變我們用等校LC電路來描述就會多出一段寄生電感,這個除了阻抗會與估算的不一樣外還會引入不必要的雜訊等問題

Shielding Room Opening 隔離室的窗戶

       剛剛有提到漏波電纜與開孔的問題,這個問題其實是取決於到底要多大的隔離度,尤其十有些Shielding Case需要開孔散熱,還有隔離室人要在裡面,如果整個密閉其實很恐怖,尤其我遇過們把壞掉的情況,所以有開個窗戶是有必要的。

        那開孔(Opening) 的原則是什麼呢? 其實取決於要隔絕多少頻率以下的電磁波,與開孔的形狀深度有關,但基本上如果你隔離的訊號為2.4GHz, 波長為12.5cm,可能你會聽到來個1/4波長,或順口1/10波長的孔徑大小,這點類似PCB設計Ground Via要打多密的意思類似,當然整個封起來是最沒有爭議的了,這部分其實研究很多有興趣的可以參考一下文獻[2]。



參考文獻

[1] 微波爐 Microwave Oven 與 電磁學 Field and Wave Electromagnetics

[2]Design Techniques for EMC – Part 4 Shielding

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