用于EMI/RF吸波材料性能比較

中心議題：

• 吸波材料測(cè)試裝置的構(gòu)造
• 吸波材料測(cè)試方法

解決方案：

• 環(huán)天線放置在相互垂直的位置
• 相隔距離為環(huán)天線直徑的二分之一
• 利用表面電流減少裝置測(cè)試

隨著工程師們需要遵循的輻射電磁干擾（EMI）規(guī)范的不斷增多，市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)各種類型的EMI吸波材料。一般而言，市場(chǎng)上所提供的這些吸波材料的厚度很薄并具有很好的外形柔韌性，再加上其背面帶有粘合劑的設(shè)計(jì)使得我們能夠很容易地將這些吸波材料應(yīng)用到一些不符合電磁干擾和射頻干擾（EMI/RFI）相關(guān)規(guī)范的產(chǎn)品表面。因此，選擇合適的吸波材料就成為符合EMI/RFI相關(guān)規(guī)范、維護(hù)系統(tǒng)性能完好的一個(gè)關(guān)鍵因素。

在10MHz到3000MHz的頻率范圍內(nèi)，大部分吸波材料都會(huì)采用加入有損耗的磁性材料（例如，羰基鐵或者鐵氧體粉末等）的方式來(lái)削弱其表面電流。這些表面電流源于有害EMI和導(dǎo)體的相互作用，而且它們的出現(xiàn)還會(huì)導(dǎo)致電磁場(chǎng)的二次輻射，因此為了保證產(chǎn)品符合相關(guān)規(guī)范，通常都會(huì)設(shè)法降低該表面電流。除此之外，這些表面電流還可能會(huì)對(duì)其它電路造成干擾，妨礙系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

比較不同生產(chǎn)廠家提供的吸波材料的性能需要花費(fèi)大量的金錢和時(shí)間?？紤]到EMI測(cè)試試驗(yàn)室每天幾千美元的費(fèi)用，試錯(cuò)試驗(yàn)（trialanderrortesting）的次數(shù)必須被限制到最少。因此，通過(guò)攜帶若干種可能會(huì)使用到的吸波材料到EMI試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試以確定效果最好的一種材料的方法已經(jīng)被證明是一種非常昂貴的解決方法。而本文所介紹的這種簡(jiǎn)單的表面電流減小測(cè)試裝置（SCRF）則允許我們對(duì)各種吸波材料樣品的性能進(jìn)行快速、簡(jiǎn)單的比較，從而縮小吸波材料的選擇范圍，確定某頻率范圍內(nèi)具體EMI問(wèn)題所需的性能最好的一種或兩種吸波材料。

SCRF裝置主要由兩個(gè)經(jīng)過(guò)靜電屏蔽的磁場(chǎng)環(huán)形天線構(gòu)成，而且通過(guò)將它們小心地放置在相互垂直的位置上可以在相關(guān)頻率范圍內(nèi)獲得70dB甚至更高的隔離度。SCRF中的一個(gè)環(huán)形天線被連接到射頻（RF）掃頻源，而另一個(gè)環(huán)形天線則被連接到RF掃頻接收機(jī)。如果將一塊與產(chǎn)品殼體相仿的導(dǎo)體板放置在接近兩環(huán)形天線的一個(gè)固定的位置上，那么就會(huì)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電流，該表面電流所產(chǎn)生的二次輻射會(huì)被環(huán)形天線接收，由此造成的天線接收信號(hào)的增大的典型值約為20dB到30dB。在此基礎(chǔ)上，如果在導(dǎo)體板上覆蓋某種EMI吸波材料的樣品并重復(fù)上述測(cè)試過(guò)程，就可以測(cè)量得到電磁場(chǎng)二次輻射的減小量。我們可以利用這種二次輻射的減小量來(lái)對(duì)不同吸波材料的吸波性能進(jìn)行對(duì)比。

測(cè)試裝置的構(gòu)造

加工制造出一個(gè)如圖1所示的探頭并不困難。該探頭是由帶固體Teflon@絕緣層的#24AWG導(dǎo)線在一個(gè)1.5厘米的心軸上繞兩圈而得到的。加大直徑、提高圈數(shù)會(huì)提高該探頭的測(cè)量靈敏度，而其相應(yīng)的代價(jià)就是最高使用頻率的降低。

圖1.實(shí)驗(yàn)室加工制造的屏蔽環(huán)（頻率范圍：2MHz-600MHz）

環(huán)天線的一端被焊接到同軸線的芯線上，而另一端則被焊接到同軸線的屏蔽層上。除了在環(huán)天線和同軸線的連接點(diǎn)所正對(duì)的一部分圓環(huán)處有一個(gè)小的間隙之外，環(huán)天線的其它部分都被銅帶完全覆蓋。如果沒(méi)有這個(gè)小的間隙，那么環(huán)天線就會(huì)被完全短路，電場(chǎng)和磁場(chǎng)也會(huì)被屏蔽，環(huán)天線也就無(wú)法完成測(cè)量。另外，銅帶和同軸線的屏蔽層之間、前后交疊的銅帶之間連接則是通過(guò)大量使用焊料來(lái)完成的。依照上述方法我們可以加工兩個(gè)相同的環(huán)天線。如圖1所示的探頭所適用的頻率范圍在3MHz到600MHz之間。

通過(guò)商業(yè)渠道訂購(gòu)適合的探頭會(huì)更加經(jīng)濟(jì)、更加省時(shí)。下面列出的一些生產(chǎn)廠家所提供的屏蔽環(huán)天線的樣品都會(huì)明確給出其各自的適用頻率范圍，可以作為參考。
ARATechnologies,DeerPark,NY;www.aratech-inc.com
Com-Power,LakerForest,CA;www.com-power.com
CredenceTecnologies,Soquel,CA;www.credencetech.com
Electro-Metrics,Johnstown,NY;www.electro-metrics.com
EMCTestSystems,CedarPark,TX;www.emctest.com
FischerCustomerCommunications,Torrance,CA;www.fischercc.com

如圖2所示，不論是選擇加工還是購(gòu)買環(huán)天線，兩個(gè)環(huán)天線都必須被小心地放置在相互垂直的位置上，以便獲得兩天線之間的最小耦合；而用于支撐測(cè)試裝置的平臺(tái)則可以簡(jiǎn)單的用木頭和塑料來(lái)實(shí)現(xiàn)。如前所述，測(cè)試裝置中的一個(gè)探頭會(huì)被連接到RF掃頻源，而另一個(gè)探頭則會(huì)被連接到掃頻接收機(jī)上。如果測(cè)試試驗(yàn)室內(nèi)裝備有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，那么只要其RF信號(hào)源和接收端口之間的隔離度大于70dB，則綜合了頻譜分析儀功能和掃頻信號(hào)源功能的網(wǎng)絡(luò)分析儀就能很好的完成本項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。另外，測(cè)試過(guò)程中環(huán)天線必須被固定在介質(zhì)材料上，例如木頭和塑料?；镜臏y(cè)試裝置并不復(fù)雜，通過(guò)在木塊上插入螺絲釘就可以得到一個(gè)如圖2所示的簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置。


圖2.在沒(méi)有導(dǎo)體板的情況下兩環(huán)天線耦合最小時(shí)的相對(duì)位置
構(gòu)建測(cè)試裝置過(guò)程中最困難的一步就是調(diào)整天線之間的相對(duì)位置以獲得兩天線之間的最小耦合。首先，我們可以將某個(gè)探頭粘附在支撐平臺(tái)上。然后，在支撐平臺(tái)的二維面上仔細(xì)調(diào)整第二個(gè)探頭的位置從而使得兩探頭之間的耦合最小。當(dāng)?shù)诙€(gè)探頭的大致位置確定以后，我們可以對(duì)第二個(gè)探頭采用施加高溫、快速定型熱熔膠的方法來(lái)進(jìn)行固定。因?yàn)閯倓偸┘拥臒崛勰z還沒(méi)有凝固，所以我們可以繼續(xù)手動(dòng)微調(diào)第二個(gè)探頭的位置；當(dāng)熱熔膠凝固之后，第二個(gè)探頭就可以被精確地放置在耦合度最小的位置上了。經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)仔細(xì)的試錯(cuò)和調(diào)整，我們可以用熱熔膠的方法在兩個(gè)十倍頻程的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)80dB的隔離度。另外，在測(cè)試裝置的同軸線上加入一個(gè)或若干個(gè)夾扣磁環(huán)會(huì)有助于我們?cè)诟蟮念l率范圍內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)所需的至少70dB的隔離度。

兩環(huán)天線之間相隔最近的兩點(diǎn)間距離的大小并不是特別重要，相隔距離為環(huán)天線直徑的二分之一或者一個(gè)直徑都可以獲得很好的性能。一旦確定了兩環(huán)天線之間的間距，而且暫時(shí)固定在測(cè)試平臺(tái)上的兩環(huán)天線之間的隔離度也大于70dB，那么我們就可以根據(jù)吸波材料將要附著的表面選擇一塊材料類似的金屬板，并將其靠近兩個(gè)環(huán)天線，如圖3所示。使得兩環(huán)天線之間耦合最強(qiáng)的位置就是金屬板的最佳位置。由此造成的兩環(huán)天線之間耦合度的提高如果能夠達(dá)到20dB甚至更大，那么它對(duì)提高整體的測(cè)量精度就非常有利，尤其是對(duì)于那些高性能的待測(cè)吸波材料更是如此。


圖3.導(dǎo)體板上的表面電流將耦合度提高了20-30dB

測(cè)試

為了測(cè)量某給定材料的吸波性能，需要將其附著在SCRF裝置的金屬板上。通過(guò)和沒(méi)有附著吸波材料情況下測(cè)試裝置測(cè)量得到的數(shù)值相比，我們可以利用接收機(jī)直接測(cè)量到EMI反射的減小量。

盡管可以同時(shí)提供RF掃頻源和接收機(jī)功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種理想的測(cè)試儀器，但覆蓋所需頻率范圍的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也是一個(gè)很好的解決方案。如果缺乏上述測(cè)試設(shè)備，我們也可以利用更廉價(jià)的頻譜分析儀及其跟蹤源來(lái)完成EMI吸波材料性能的比較。上面介紹的這三種測(cè)試儀器都可以在環(huán)形磁場(chǎng)天線所覆蓋的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃頻測(cè)量。另外，如果干擾僅僅出現(xiàn)在個(gè)別頻率點(diǎn)上，那么即使缺乏相關(guān)的掃頻設(shè)備，我們也可以用信號(hào)發(fā)生器和某些測(cè)試接收機(jī)來(lái)完成相關(guān)的測(cè)試任務(wù)。

測(cè)試結(jié)果

利用表面電流減少裝置，我們對(duì)來(lái)自BrigitflexInc和ARCTechnologies的不同EMI吸波材料樣品的性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試所選擇的金屬面是單面或者雙面覆銅的FR-4型印刷電路板（PCB）。覆銅PCB板每面的尺寸約為環(huán)形天線直徑的三到五倍。PCB板覆銅的一側(cè)朝向環(huán)形天線。通過(guò)與無(wú)吸波材料的情況進(jìn)行對(duì)比，SCRF裝置中材料A所帶來(lái)的覆銅FR-4印刷電路板反射的減少量如圖4所示。圖中稍高的那條曲線是參考曲線，而稍低的一條曲線則是加入了待測(cè)吸波材料引起的損耗之后的曲線。與此類似，將材料B在如圖4所示的測(cè)試裝置中進(jìn)行測(cè)量可以得到如圖5所示的更大的衰減損耗。


圖4.材料A顯示出了4-6dB的表面電流減少量

圖5.材料B顯示出了6-9dB的表面電流減少量

本文設(shè)計(jì)加工了一種簡(jiǎn)單的表面電流減少測(cè)試裝置，通過(guò)它可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)不同EMI吸波材料的吸波性能進(jìn)行相對(duì)的比較。盡管吸波材料所引起的表面電流的減少量并不完全等于預(yù)期的EMI減少量的測(cè)量值，但該方法可以很快的確定在特定頻率范圍內(nèi)具備最佳吸波性能的材料。