¿Por qué mi GPS y Wi-Fi funcionan dentro de una caja sellada revestida de cobre?

Acabo de terminar de ensamblar un proyecto basado en Raspberry Pi en una caja de bricolaje hecha de PCB FR4 revestido de cobre, con los bordes soldados entre sí y la superficie de cobre conectada a tierra.

Esperaba que, cuando colocara la tapa de la caja, el Wi-Fi integrado y el receptor GPS USB dejaran de funcionar; es decir, el Pi dejaría el Wi-Fi y se perdería la solución GPS.

En cambio, no hay un efecto discernible. Wi-Fi y GPS funcionan como si la tapa metálica no estuviera presente.

Dada la razón por la que puse este proyecto en una carcasa revestida de cobre fue para protegerlo de la RF (funcionará en el campo cercano de un transmisor VHF FM de 5W), podría entender lo que está sucediendo aquí.

Aquí hay una foto

y con la tapa temporal puesta ...

(tenga en cuenta que el cable pelado delgado es solo para asegurar que la tapa esté haciendo contacto eléctrico, y el banco de alimentación USB en la parte superior solo está proporcionando presión hacia abajo también para garantizar el contacto)

rf shielding

— tomfanning
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Por favor, publique una foto de la caja. ¿Estás seguro de que la parte superior de la caja hace contacto eléctrico con el resto de la caja?

— mkeith

Hecho, y sí, definitivamente.

— tomfanning

No estoy seguro, pero tal vez sea importante si la tapa hace un buen contacto eléctrico a lo largo de todo el borde de la caja . Si usted acaba de colocar la tapa de allí con el alambre delgado, que sólo podría hacer un buen contacto en el que uno de los cables ...

— marcelm

Sí, es importante que la tapa haga contacto en múltiples lugares. Básicamente, los espacios en una jaula de faraday deben ser pequeños en comparación con una longitud de onda. 2.5 GHz son 12cm de espacio libre. 5 GHz son 6 cm en espacio libre. Dispararía por un buen contacto cada 1 cm más o menos. Además, hay un agujero cuadrado bastante grande. Es posible que desee intentar cubrir eso también, si es operacionalmente posible. O reduzca la apertura al mínimo y proporcione contacto entre la jaula de faraday y la cubierta externa del conector si se necesita el conector en uso.

— mkeith

A juzgar por lo que he visto con respecto a cómo se protege el equipo de RF de alta gama, apuesto a que si tuviera una unión de soldadura continua a lo largo de todos los bordes, incluida la tapa que forma una caja totalmente sellada, el PI debería caerse faz de la tierra. Tienes un gran recorte alrededor del ... ¿HDMI? conector, que también filtrará algo de RF posiblemente junto con el cable de alimentación a menos que use condensadores de alimentación y algunas perlas / estranguladores de ferrita. WIFI necesita menos de una billonésima parte de potencia de señal para funcionar, mientras que el GPS puede funcionar un millón de veces menos que el WIFI. El blindaje de RF es difícil;)

— Sam

Respuestas:

Para que la caja sea un escudo eficaz de Faraday, todo el periférico de la tapa superior debe estar en contacto eléctrico con el resto de la caja. De lo contrario, RF puede acoplarse fácilmente desde el plano en gran parte aislado de la tapa a la electrónica interna.

Tampoco pase por alto la gran abertura que tiene al costado del gabinete. Dudo que permita que el GPS funcione, pero podría permitir la entrada / salida de una señal de 2.4 GHz.

— Glenn W9IQ
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Muchas gracias. Probaré con pestañas de cobre a lo largo del borde superior de las secciones verticales para obtener un buen contacto en todo momento. También con aberturas en la caja. Será interesante experimentar para ver si las aberturas permiten microondas pero bloquean VHF.

— tomfanning

Permitir microondas pero bloquear VHF en realidad sería un escenario ideal para mi diseño: Wi-Fi y GPS trabajando desde el interior de un chasis que está protegido en VHF.

— tomfanning

Incluso si tiene buenos puntos de contacto cada cm más o menos, si sus antenas están muy cerca de los espacios (unos pocos mm), la energía de RF entrará fuertemente.

Hace unos meses, respondí una pregunta sobre "por qué las jaulas de metal alrededor de los receptores IR".

¿Por qué hay muchos receptores IR en jaulas metálicas?

Al leer las conferencias de Richard Feynmann, descubrí que la atenuación es 1 neper (8.6dB) * 2 * pi * longitud de onda / separación.

Por lo tanto, una rejilla de alambre de 3 mm (que hace la jaula de Faraday) con la antena a 3 mm dentro de la rejilla, tiene una atenuación de e ^ - (6.28) = 1/533 o 54dB.

— analogsystemsrf
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Hay dos grandes trampas aquí. El primero es el problema de la tapa. La tapa debe estar bien conectada a lo largo de todo el borde. La forma más fácil de hacer esto es usar un poco de cinta de aluminio.

El segundo problema es que tienes cables que penetran en la jaula. Cualquier cable o cable que atraviese un agujero actuará como antena. Los agujeros por sí mismos están bien, siempre que sean pequeños, el problema es el cable.

Presumiblemente necesitas cables. Básicamente hay tres formas de obtener señales y energía dentro y fuera de una jaula de Faraday. Primero es usar fibra óptica. Esto es simple y efectivo, pero costoso, no estándar y lento o realmente costoso. También es difícil enviar mucha potencia sobre la fibra.

El segundo es agregar filtros a cada cable en forma de condensador o red pi al blindaje justo en el punto de penetración. Esto es bueno para señales de potencia y baja velocidad como puertos serie, pero no para alta velocidad.

La última forma es usar cables blindados y conectar el blindaje del cable al gabinete justo en el punto de penetración. Esto es lo que debe hacer para señales de alta velocidad como usb o Ethernet. Si observa el panel IO en la parte posterior de una PC, verá que hay una pieza de metal con recortes para los conectores y los dedos de resorte. El propósito de esa pieza es conectar eléctricamente las pantallas de tierra del conector al chasis. Sin él, los protectores solo se conectarían a la tierra de la placa base y el blindaje se vería comprometido.

— Evan
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Las cuentas de ferrita a presión son otra opción para los cables. No son tan eficaces como un buen filtrado en origen o blindaje, pero a unos pocos GHz deberían funcionar bastante bien.

— Andrew

Es bueno comprender la importancia de no dejar un espacio entre los conectores y el chasis, incluso si está conectado a tierra. Gracias.

— tomfanning

Sí, debería haber mencionado ferritas, totalmente en blanco en eso. No es tan bueno como el blindaje, pero también son una buena solución de "cinturón y tirantes" si le preocupa que su conexión de blindaje al chasis no sea excelente.

— Evan