關(guān)于光通信模塊中電磁兼容性能的研究

1 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，光模塊以及設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加，使電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁污染越來越嚴(yán)重。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何減少各種電子設(shè)備之間的電磁騷擾，提高光模塊的電磁兼容性能，使各種設(shè)備可以共存并能正常工作，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

電磁兼容EMC（ElectromagneTIc CompaTIbility）設(shè)計(jì)的目的是：電子設(shè)備或系統(tǒng)能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作，無(wú)性能降低或故障；同時(shí)，對(duì)該電磁環(huán)境不是一個(gè)污染源。為了實(shí)現(xiàn)電磁兼容，首先要分析形成電磁干擾的因素，才能找到解決問題的方法。

形成電磁干擾必須同時(shí)具備以下三因素：

① 電磁騷擾源，指產(chǎn)生電磁騷擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

② 耦合途徑或稱耦合通道，指把能量從騷擾源耦合（或傳輸）到敏感設(shè)備上的通路或媒介。

③ 敏感設(shè)備，指對(duì)電磁騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

針對(duì)以上三個(gè)因素，有多種途徑可以抑制電磁干擾的影響，而從光模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用電磁屏蔽的方法來切斷電磁騷擾的耦合途徑，是改善其電磁兼容性能的關(guān)鍵而行之有效的技術(shù)手段之一。

2 電磁屏蔽結(jié)構(gòu)分析

2.1 屏蔽效能

電磁屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的騷擾源包圍起來，防止騷擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。因?yàn)槠帘误w對(duì)來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的騷擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽體具有減弱騷擾的功能。

屏蔽體對(duì)輻射騷擾的抑制能力用電場(chǎng)屏蔽效能SE或磁場(chǎng)屏蔽效能SH來表示：

SE=20lg（E1/E2）（dB）

SH=20lg（H1/H2）（dB）

式中E1、H1分別為未屏蔽時(shí)測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度；E2、H2分別為屏蔽后測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.2 屏蔽材料

要確定應(yīng)該使用什么材料制造屏蔽體，需要知道材料的屏蔽效能和材料的什么參數(shù)有關(guān)。根據(jù)屏蔽的機(jī)理可以將屏蔽分為三大類：電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。

電場(chǎng)屏蔽是為降低騷擾電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合電壓，在騷擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地，就能使騷擾電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合電壓變得很小。電場(chǎng)屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，可采用薄層屏蔽或者在塑料上鍍一層薄的導(dǎo)電層。

磁場(chǎng)屏蔽有低頻和高頻之分。低頻磁場(chǎng)屏蔽是利用高導(dǎo)磁率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場(chǎng)被集中在屏蔽體內(nèi)。因此屏蔽體的導(dǎo)磁率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場(chǎng)屏蔽的效果越好。當(dāng)磁場(chǎng)頻率較高時(shí)，高導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率下降，磁損增加，而應(yīng)采用高導(dǎo)電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來抵消騷擾磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)屏蔽。用來屏蔽磁場(chǎng)的屏蔽體均不需接地。

電磁場(chǎng)屏蔽一般采用高導(dǎo)電率的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用高導(dǎo)電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來抵消騷擾磁場(chǎng)，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。由于隨著頻率的增高，波長(zhǎng)變得和屏蔽體上的孔縫尺寸接近，因而電磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵除了要采用高導(dǎo)電率材料，還要控制屏蔽體的孔縫泄漏。

屏蔽材料的導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能分別用相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率μr來衡量，表1中列出了常用屏蔽材料的σr及μr值［1］。

由此可見，為了提高屏蔽效能，高導(dǎo)電率材料可采用鋁、銅，或者鋁鍍銅，要求更高時(shí)，還可再鍍層銀。高導(dǎo)磁率材料可采用不銹鋼或者鐵，同時(shí)可適當(dāng)增加材料的厚度。

2.3 屏蔽設(shè)計(jì)

有兩個(gè)因素會(huì)影響屏蔽體的屏蔽效能：第一，屏蔽體必須是完整的，表面可連續(xù)導(dǎo)電；第二，不能有直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體，防止造成天線效應(yīng)。但是在實(shí)際應(yīng)用中屏蔽體上往往有散熱孔，或者屏蔽體本身由若干個(gè)零件組成，存在裝配間隙。

縫隙或孔洞是否會(huì)泄漏電磁波，取決于縫隙或孔洞相對(duì)于電磁波波長(zhǎng)的尺寸。當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于孔縫尺寸時(shí)，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的泄漏;當(dāng)孔縫尺寸等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄漏最大。一般要求孔縫尺寸小于最短波長(zhǎng)的1/10～1/2。因此，當(dāng)騷擾的頻率較高時(shí)，波長(zhǎng)較短，須關(guān)注這個(gè)問題。

對(duì)于裝配而成的屏蔽體，有以下幾種改善屏蔽效能的方式：

① 應(yīng)使接觸面盡量平整，以減小接觸阻抗。

② 在接觸面上增加彈性導(dǎo)電材料防止電磁波的縫隙泄漏。如導(dǎo)電泡棉或者金屬簧片襯墊。

③ 由螺釘聯(lián)接的組裝件，可減小安裝螺釘?shù)拈g距，以減小縫隙長(zhǎng)度。

④ 將接觸面做成單止口或者雙止口的裝配方式，以增加屏蔽體密閉性，如圖1所示。

圖1 止口結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)，可以使用幾個(gè)小圓孔代替一個(gè)大孔，并且保證通風(fēng)孔之間的間距大于1/2波長(zhǎng)。如圖2所示。

圖2 通風(fēng)孔示意圖

3 測(cè)試結(jié)果及分析

以公司產(chǎn)品為試驗(yàn)平臺(tái)，在XFP模塊管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用上述方法進(jìn)行優(yōu)化，制作出模塊樣品，并針對(duì)該樣品進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。樣品結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 XFP模塊外形圖

根據(jù)FCC 47 CFR Part 15 Subpart B secTIon 15.109（a），電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)的峰值限值為74 dBμV/m，平均值限值為54 dBμV/m。

改善前的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)在水平方向的測(cè)試結(jié)果如圖4和表2所示：

圖4 改善前水平方向測(cè)試圖

表2 改善前水平方向測(cè)試數(shù)據(jù)

改善前的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)在垂直方向的測(cè)試結(jié)果如圖5和表3所示：

圖5 改善前垂直方向測(cè)試圖

表3 改善前垂直方向測(cè)試數(shù)據(jù)

改善后的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)在水平方向的測(cè)試結(jié)果如圖6和表4所示：

圖6 改善后水平方向測(cè)試圖

表4 改善后水平方向測(cè)試數(shù)據(jù)

改善后的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)在垂直方向的測(cè)試結(jié)果如圖7和表5所示：

圖7 改善后垂直方向測(cè)試圖

表5 改善后垂直方向測(cè)試數(shù)據(jù)

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)可見，改善后的電磁騷擾場(chǎng)強(qiáng)最大峰值下降了近2dBμV/m，平均值下降了近6dBμV/m。

4 結(jié)束語(yǔ)

在光收發(fā)合一模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須要將電磁屏蔽設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。具體展開屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定騷擾源的特征，再選擇合適的屏蔽材料，然后結(jié)合適當(dāng)?shù)钠帘畏绞揭郧筮_(dá)到最佳的屏蔽效果。通過樣品的測(cè)試結(jié)果表明，模塊的電磁兼容性能得到了很大的改善，且模塊各項(xiàng)工作性能指標(biāo)沒有受到任何影響。