技术

用于电磁防护的吸波材料

2017-04-26 来源：电磁干扰与兼容作者：Andrew Sundsmo 字号：大中小

随着电子设备向小型化和更高数率的方向发展，由此带来的是组件之间的间距越来越小、波长不断缩短。当波长缩短到接近组件和设备的物理尺寸时，这将导致噪声的“天线效应”增大。因此，防止噪声耦合到这些能辐射或产生耦合场的“天线”结构上变得更加重要，因为在更高的频率上，采用低成本的方式来实现对产品的电磁防护也变得更为困难。

同时，较小的波长会接近许多受试设备（EUTs）的物理尺寸，导致发生腔体的共振效应。当闭合体尺寸等于半波长的整数倍时，对应频率就是一谐振频率。在机箱内产生的波，其波节点（即零振幅）位于外壳的导电壁上。此结构就起到了腔体谐振器的作用。例如，一个2英寸见方乘1/2英寸的金属腔体其一阶模的谐振频率在12 GHz左右。在这些非常高的频率，即使是弱耦合也可以激励起强烈的振荡，然后场可以耦合到腔体内的任何其他点或可以产生辐射。腔体谐振的危险是，如果一个噪声源含有对应谐振频点的频率成分，由于以腔体“Q-因数”产生的乘积或放大效应，那么在谐振频率上会激励起很强的场。减弱该现象的一种方法是通过能损耗能量(Q-抑制)的措施来降低腔体的“Q-因数”，通常做法是在腔体内安放吸收材料。

减少印刷电路板（PCB）的边缘散射

通过恰当地运用PCB设计技术，如走线布线，层叠分配，解耦和端接，由印刷电路板本身产生的辐射可以达到最小。然而，印刷电路板组件仍然存在其它几个能成为辐射源的机制。这些机制包括组件本身，功率/信号回流层的腔体谐振效应以及印刷电路板的边缘。边缘效应是很严重的问题，因为电路板边缘非常靠近机箱壳体，因此产生的辐射场可以在机箱结构框架上激励起电流。

有大量的研究，分析讨论了各种减小印制电路板边缘辐射效应的方法和技术，如适当端接技术。随这些技术应用而产生的一个问题是，可能需要增加额外的组件并占用宝贵的PCB板空间，且实际效果往往并没有减小辐射能量。而这些常用方法会产生能量反射，从而有可能产生附加的内部谐振效应和内部的通孔耦合，这会导致辐射增强。

采用微波吸收材料沿印刷电路板的边缘进行铺设，这可以减小由边缘引起的边缘辐射，且不需要额外占用电路板的面积。通过消耗能量不让能量反射回电路板，吸波材料也能降低出现电路板谐振问题的可能性。吸波材料可以通过在电路板的边缘开U型槽固定。

减少PCB板的走线辐射

将吸波材料直接放置在微带线的上部可消除从走线上边往外的场辐射。如果走线位于电路板的底层且临近机箱壳体的底板，会出现一个特别棘手的耦合机制，如果走线位置板靠近外壳的底面。此时，耦合到机箱上的场将激励起电流，电流流到机箱内部并形成循环电流。然后，这些循环电流会通过其所流经路径上的任何开槽，接缝或孔径产生辐射。将吸波材料用压敏胶（PSA）粘在走线上就能减小耦合到机箱上的场。这样放置吸波材料对走线的阻抗影响极小，因为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线的顶部，不需要采用任何额外的安装或机械紧固措施。这个方法已使用在一个开关箱上，频率在6GHz时，可降低约4~6dB的辐射发射。

降低腔体谐振效应

如前所述，一个六面导电的外壳或腔体可以支持电磁谐振。腔体的耦合是各种结构自谐振产生的结果，如在PCB上的槽缝，金属壳体，PCB板和金属外壳之间的槽缝。然而，小尺寸壳体如GBIC（GigaBit Interface Converter，千兆以太网路接口转换器）模块或一个平板壳体罩着的单块PCB板，其和/或仅包含几个组件，由于大部分空间体积是空的（即空气），这就更像一个真正的谐振腔。谐振的危险是，如果一个噪声源含有对应谐振频点的频率成分，由于以腔体“Q-因数”产生的乘积或放大效应，那么在谐振频率上会激励起很强的场。减弱该效应的一种方法是必须通过采取能损耗能量(Q-抑制)的措施来降低腔体的“Q-因数”。加在腔体内的吸波材料起到了电阻性负载的作用。今天，我们看到的防护概念越来越多是一个多层次的概念。平板壳体将处理较低的频率，而微波吸波材料的内夹层将处理更高频率成分。吸波材料是用于处理这些更高频的谐振频率问题的一个可行手段。虽然吸波材料在低频端的吸收效果不断地降低，但在较高频段（即大于1 GHz）吸波效能非常高。

通过逐步地吸收能量并将其转换为热吸波材料减少了辐射或起到了“防护”作用，同时降低了一个空腔中的Q因数。采用吸波材料较为方便，因为它将电磁能转换为热能，而不必采用“接地”措施。只要吸波材料遮挡了场或放在场的传播路径上，那么它就能降低场的电磁能量。在腔体内添加吸波材料的附加效应是，它改变了腔体的有效介电常数，具体取决于添加材料量的多少。随着材料体积在腔体内部占比的增大，将对复合介电常数的影响更大。通过改变有效介电常数，可以引起谐振频率点的位置偏移。该技术被用于一个开关盒的设计中，结果在8.5 GHz时实现了约6dB的能量降低。

散热器辐射

一般来说，散热器的物理和电尺寸都大于高频芯片器件，它粘接在高频芯片器件上，因此是一个高效辐射体。无论信号多么好地在印制电路板上传输，如果芯片的电流寄生耦合到散热器上，就会产生辐射发射。散热器的每块散热片都相当于单极振子天线结构，所有的散热片就相当于天线阵。根据整体屏蔽效果或散热器的谐振效应，这些排放量可能会或可能不会超过规范规定限值。控制散热器辐射发射最常见的做法是接“地面”，把散热器与PCBs的参考地连接。

随着频率的上升，散热器的尺寸变为电大尺寸，甚至变成更高效的辐射器。因此，设计的任何散热器接地方案也必须在更高频率上有效。散热器和印刷电路参考地之间的连接将有电感且连接必须是呈现低阻抗特性。使用的接触点数量越多，阻抗越低，那么就能更有效地减少辐射的排放量。一般来说，在频率超过1 GHz时，散热器的接地措施不能有效地减少电磁辐射。因此，必须考虑其他方法。为了改善在高频率时的接地，我们必须把接触点间距减小到l/20以内才能有效。一个例子是通过一块弹性导电簧片将散热器与其周围的连续参考地进行连续的接地。然而，这不仅仍然需要占用相当的电路板面积，而且它已被证明在10 GHz以上都不能有效减少辐射排放量。利用吸波材料减小散热器上的表面电流，从而降低散热器的辐射效应已被证明是有效的。因此，可以利用吸波材料通过减小散热器叶片上的表面电流，从而减少潜在的辐射发射。研究表明，把吸波材料直接放置在散热器下面，即放置在散热器与印刷电路板之间，也能减小辐射发射。

射频吸波材料和微波吸波材料有许多不同的名称。一些最常见的名称包括：射频吸波体、微波吸波体、电磁干扰吸波体、雷达吸波材料或RAM、磁性雷达吸波材料或mag-RAM，EMI抑制材料或表面波吸波体。所有这些不同术语所指材料的磁和/或电特性已经改变，但它们都能吸收或损耗能量。

从历史上看，全球的军事力量都使用微波吸波材料来降低对高频雷达的反射。然而，随着时间的推移，已经出现了在商业应用中使用微波吸波材料趋势。消费类电子产品、笔记本电脑，无线局域网设备，网络服务器和交换机，无线天线系统，蜂窝电话基站只是采用了这种技术的高频设备中很少的一部分。

材料类型

· 具有柔性又薄的磁性负载橡胶吸波材料：调谐频率吸波材料

调谐频率吸波材料，或谐振频率吸波材料，在离散频率上具有极大的反射损耗的特性，通常衰减可达20dB。调谐频率吸波材料提供了从1~40 GHz窄带吸收特性。

· MR2腔体谐振吸波材料

腔体谐振吸波材料被设计成，将其放在微波腔中时能表现出高的损耗特性。吸波材料将有效地通过衰减腔体谐振、谐振频率或谐波来减小Q因数。在频率从1~20 GHz时，腔体谐振吸波材料能吸收掉从法向和高角度入射的电磁波能量。

· 由Mast Tech公司供应的射频吸波泡沫材料

○ 表面波吸波材料

表面波吸波材料是具最强磁性负载的合成橡胶吸波材料。表面波吸波材料设计成具有最高的损耗特性，这种材料是用来铺设在导电或金属表面并吸收行波或表面波的。表面波吸波材料能吸收从1~20 GHz的行波或表面波能量。

○ 低频吸波材料

低频吸波材料在亚微波频段具有高衰减特性。材料被做成各种形状的磁性颗粒，在频率从1 MHz~3 GHz的范围内都呈现出高磁导率。