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吸波材料在電磁防護上的妙用!

來(lái)源: 時(shí)間:2022-04-12 08:52:02 瀏覽次數:

隨著(zhù)電子設備向小型化和更高數率的方向發(fā)展,由此帶來(lái)的是組件之間的間距越來(lái)越小、波長(cháng)不斷縮短。當波長(cháng)縮短到接近組件和設備的物理尺寸時(shí),這將導致噪聲的“天線(xiàn)效應”增大。因此,防止噪聲耦合到這些能輻射或產(chǎn)生耦合場(chǎng)的“天線(xiàn)”結構上變得更加重要,因為在更高的頻率上,采用低成本的方式來(lái)實(shí)現對產(chǎn)品的電磁防護也變得更為困難。

隨著(zhù)電子設備向小型化和更高數率的方向發(fā)展,由此帶來(lái)的是組件之間的間距越來(lái)越小、波長(cháng)不斷縮短。當波長(cháng)縮短到接近組件和設備的物理尺寸時(shí),這將導致噪聲的“天線(xiàn)效應”增大。因此,防止噪聲耦合到這些能輻射或產(chǎn)生耦合場(chǎng)的“天線(xiàn)”結構上變得更加重要,因為在更高的頻率上,采用低成本的方式來(lái)實(shí)現對產(chǎn)品的電磁防護也變得更為困難。

同時(shí),較小的波長(cháng)會(huì )接近許多受試設備(EUTs)的物理尺寸,導致發(fā)生腔體的共振效應。當閉合體尺寸等于半波長(cháng)的整數倍時(shí),對應頻率就是一諧振頻率。在機箱內產(chǎn)生的波,其波節點(diǎn)(即零振幅)位于外殼的導電壁上。此結構就起到了腔體諧振器的作用。例如,一個(gè)2英寸見(jiàn)方乘1/2英寸的金屬腔體其一階模的諧振頻率在12 GHz左右。在這些非常高的頻率,即使是弱耦合也可以激勵起強烈的振蕩,然后場(chǎng)可以耦合到腔體內的任何其他點(diǎn)或可以產(chǎn)生輻射。腔體諧振的危險是,如果一個(gè)噪聲源含有對應諧振頻點(diǎn)的頻率成分,由于以腔體“Q-因數”產(chǎn)生的乘積或放大效應,那么在諧振頻率上會(huì )激勵起很強的場(chǎng)。減弱該現象的一種方法是通過(guò)能損耗能量(Q-抑制)的措施來(lái)降低腔體的“Q-因數”,通常做法是在腔體內安放吸收材料。


減少印刷電路板(PCB)的邊緣散射


通過(guò)恰當地運用PCB設計技術(shù),如走線(xiàn)布線(xiàn),層疊分配,解耦和端接,由印刷電路板本身產(chǎn)生的輻射可以達到最小。然而,印刷電路板組件仍然存在其它幾個(gè)能成為輻射源的機制。這些機制包括組件本身,功率/信號回流層的腔體諧振效應以及印刷電路板的邊緣。邊緣效應是很?chē)乐氐膯?wèn)題,因為電路板邊緣非??拷鼨C箱殼體,因此產(chǎn)生的輻射場(chǎng)可以在機箱結構框架上激勵起電流。

有大量的研究,分析討論了各種減小印制電路板邊緣輻射效應的方法和技術(shù),如適當端接技術(shù)。隨這些技術(shù)應用而產(chǎn)生的一個(gè)問(wèn)題是,可能需要增加額外的組件并占用寶貴的PCB板空間,且實(shí)際效果往往并沒(méi)有減小輻射能量。而這些常用方法會(huì )產(chǎn)生能量反射,從而有可能產(chǎn)生附加的內部諧振效應和內部的通孔耦合,這會(huì )導致輻射增強。

采用微波吸收材料沿印刷電路板的邊緣進(jìn)行鋪設,這可以減小由邊緣引起的邊緣輻射,且不需要額外占用電路板的面積。通過(guò)消耗能量不讓能量反射回電路板,吸波材料也能降低出現電路板諧振問(wèn)題的可能性。吸波材料可以通過(guò)在電路板的邊緣開(kāi)U型槽固定。


減少PCB板的走線(xiàn)輻射


將吸波材料直接放置在微帶線(xiàn)的上部可消除從走線(xiàn)上邊往外的場(chǎng)輻射。如果走線(xiàn)位于電路板的底層且臨近機箱殼體的底板,會(huì )出現一個(gè)特別棘手的耦合機制,如果走線(xiàn)位置板靠近外殼的底面。此時(shí),耦合到機箱上的場(chǎng)將激勵起電流,電流流到機箱內部并形成循環(huán)電流。然后,這些循環(huán)電流會(huì )通過(guò)其所流經(jīng)路徑上的任何開(kāi)槽,接縫或孔徑產(chǎn)生輻射。將吸波材料用壓敏膠(PSA)粘在走線(xiàn)上就能減小耦合到機箱上的場(chǎng)。這樣放置吸波材料對走線(xiàn)的阻抗影響極小,因為吸波材料具有高阻抗特性(大于10Ω)。吸波材料也可以方便地直接放置在走線(xiàn)的頂部,不需要采用任何額外的安裝或機械緊固措施。這個(gè)方法已使用在一個(gè)開(kāi)關(guān)箱上,頻率在6GHz時(shí),可降低約4~6dB的輻射發(fā)射。


降低腔體諧振效應


如前所述,一個(gè)六面導電的外殼或腔體可以支持電磁諧振。腔體的耦合是各種結構自諧振產(chǎn)生的結果,如在PCB上的槽縫,金屬殼體,PCB板和金屬外殼之間的槽縫。然而,小尺寸殼體如GBIC(GigaBit Interface Converter,千兆以太網(wǎng)路接口轉換器)模塊或一個(gè)平板殼體罩著(zhù)的單塊PCB板,其和/或僅包含幾個(gè)組件,由于大部分空間體積是空的(即空氣),這就更像一個(gè)真正的諧振腔。諧振的危險是,如果一個(gè)噪聲源含有對應諧振頻點(diǎn)的頻率成分,由于以腔體“Q-因數”產(chǎn)生的乘積或放大效應,那么在諧振頻率上會(huì )激勵起很強的場(chǎng)。減弱該效應的一種方法是必須通過(guò)采取能損耗能量(Q-抑制)的措施來(lái)降低腔體的“Q-因數”。加在腔體內的吸波材料起到了電阻性負載的作用。目前,我們看到的防護概念越來(lái)越多是一個(gè)多層次的概念。平板殼體將處理較低的頻率,而微波吸波材料的內夾層將處理更高頻率成分。吸波材料是用于處理這些更高頻的諧振頻率問(wèn)題的一個(gè)可行手段。雖然吸波材料在低頻端的吸收效果不斷地降低,但在較高頻段(即大于1 GHz)吸波效能非常高。

通過(guò)逐步地吸收能量并將其轉換為熱 吸波材料減少了輻射或起到了“防護”作用,同時(shí)降低了一個(gè)空腔中的Q因數。采用吸波材料較為方便,因為它將電磁能轉換為熱能,而不必采用“接地”措施。只要吸波材料遮擋了場(chǎng)或放在場(chǎng)的傳播路徑上,那么它就能降低場(chǎng)的電磁能量。在腔體內添加吸波材料的附加效應是,它改變了腔體的有效介電常數,具體取決于添加材料量的多少。隨著(zhù)材料體積在腔體內部占比的增大,將對復合介電常數的影響更大。通過(guò)改變有效介電常數,可以引起諧振頻率點(diǎn)的位置偏移。該技術(shù)被用于一個(gè)開(kāi)關(guān)盒的設計中,結果在8.5 GHz時(shí)實(shí)現了約6dB的能量降低。


散熱器輻射


一般來(lái)說(shuō),散熱器的物理和電尺寸都大于高頻芯片器件,它粘接在高頻芯片器件上,因此是一個(gè)高效輻射體。無(wú)論信號多么好地在印制電路板上傳輸,如果芯片的電流寄生耦合到散熱器上,就會(huì )產(chǎn)生輻射發(fā)射。散熱器的每塊散熱片都相當于單極振子天線(xiàn)結構,所有的散熱片就相當于天線(xiàn)陣。根據整體屏蔽效果或散熱器的諧振效應,這些排放量可能會(huì )或可能不會(huì )超過(guò)規范規定限值??刂粕崞鬏椛浒l(fā)射最常見(jiàn)的做法是接“地面”,把散熱器與PCBs的參考地連接。

隨著(zhù)頻率的上升,散熱器的尺寸變?yōu)殡姶蟪叽?,甚至變成更高效的輻射器。因此,設計的任何散熱器接地方案也必須在更高頻率上有效。散熱器和印刷電路參考地之間的連接將有電感且連接必須是呈現低阻抗特性。使用的接觸點(diǎn)數量越多,阻抗越低,那么就能更有效地減少輻射的排放量。一般來(lái)說(shuō),在頻率超過(guò)1 GHz時(shí),散熱器的接地措施不能有效地減少電磁輻射。因此,必須考慮其他方法。為了改善在高頻率時(shí)的接地,我們必須把接觸點(diǎn)間距減小到l/20以?xún)炔拍苡行?。一個(gè)例子是通過(guò)一塊彈性導電簧片將散熱器與其周?chē)倪B續參考地進(jìn)行連續的接地。然而,這不僅仍然需要占用相當的電路板面積,而且它已被證明在10 GHz以上都不能有效減少輻射排放量。利用吸波材料減小散熱器上的表面電流,從而降低散熱器的輻射效應已被證明是有效的。因此,可以利用吸波材料通過(guò)減小散熱器葉片上的表面電流,從而減少潛在的輻射發(fā)射。研究表明,把吸波材料直接放置在散熱器下面,即放置在散熱器與印刷電路板之間,也能減小輻射發(fā)射。

射頻吸波材料和微波吸波材料有許多不同的名稱(chēng)。一些最常見(jiàn)的名稱(chēng)包括:射頻吸波體、微波吸波體、電磁干擾吸波體、雷達吸波材料或RAM、磁性雷達吸波材料或mag-RAM,EMI抑制材料或表面波吸波體。所有這些不同術(shù)語(yǔ)所指材料的磁和/或電特性已經(jīng)改變,但它們都能吸收或損耗能量。

從歷史上看,全球的軍事力量都使用微波吸波材料來(lái)降低對高頻雷達的反射。然而,隨著(zhù)時(shí)間的推移,已經(jīng)出現了在商業(yè)應用中使用微波吸波材料趨勢。消費類(lèi)電子產(chǎn)品、筆記本電腦,無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設備,網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和交換機,無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)系統,蜂窩電話(huà)基站只是采用了這種技術(shù)的高頻設備中很少的一部分。


材料類(lèi)型


· 具有柔性又薄的磁性負載橡膠吸波材料:調諧頻率吸波材料

調諧頻率吸波材料,或諧振頻率吸波材料,在離散頻率上具有極大的反射損耗的特性,通常衰減可達20dB。調諧頻率吸波材料提供了從1~40 GHz窄帶吸收特性。

· 腔體諧振吸波材料

腔體諧振吸波材料被設計成,將其放在微波腔中時(shí)能表現出高的損耗特性。吸波材料將有效地通過(guò)衰減腔體諧振、諧振頻率或諧波來(lái)減小Q因數。在頻率從1~20 GHz時(shí),腔體諧振吸波材料能吸收掉從法向和高角度入射的電磁波能量。

· 射頻吸波泡沫材料

○ 表面波吸波材料

表面波吸波材料是具最強磁性負載的合成橡膠吸波材料。表面波吸波材料設計成具有最高的損耗特性,這種材料是用來(lái)鋪設在導電或金屬表面并吸收行波或表面波的。表面波吸波材料能吸收從1~20 GHz的行波或表面波能量。

○ 低頻吸波材料

低頻吸波材料在亞微波頻段具有高衰減特性。材料被做成各種形狀的磁性顆粒,在頻率從1 MHz~3 GHz的范圍內都呈現出高磁導率。

· 柔性介質(zhì)泡沫吸波材料

○ 網(wǎng)織泡沫吸波材料

網(wǎng)織泡沫吸波材料是一種非常輕的導電碳加載的片狀材料,其能實(shí)現對法向和偏離法向方向入射電磁波的大幅度衰減。網(wǎng)織泡沫材料是用一個(gè)連續梯度涂層加工而成,從1~20 GHz頻率范圍內都具有寬帶反射損耗的特性。

○ 有損泡沫吸波材料

有損泡沫吸波材料是輕質(zhì)、低成本的碳加載板材。它是用均勻涂層加工而成,從1到20 GHz頻率范圍內,具有高插入損耗特性。

· 射頻吸波材料

○ 卷曲泡沫吸波材料

卷曲泡沫吸波材料是輕質(zhì)的碳加載片狀材料,它的幾何形狀類(lèi)似于一個(gè)“蛋托”。材料上的錐形體結構使其實(shí)現了從1~20 GHz的高反射損耗。

· 噴涂和灌注吸波材料

○ 吸波填縫劑、油墨和涂料

吸波涂敷材料可以用于各種應用技術(shù)制造,如噴涂,注射,或浸泡涂覆。該材料可以由各種粘度一或兩部分材料加工而成。


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