用于EMI/RF吸波材料性能比較

中心議題：

• 吸波材料測試裝置的構造
• 吸波材料測試方法

解決方案：

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

隨著工程師們需要遵循的輻射電磁干擾（EMI）規范的不斷增多，市場上開始出現各種類型的EMI吸波材料。一般而言，市場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計使得我們能夠很容易地將這些吸波材料應用到一些不符合電磁干擾和射頻干擾（EMI/RFI）相關規范的產品表面。因此，選擇合適的吸波材料就成為符合EMI/RFI相關規范、維護系統性能完好的一個關鍵因素。

在10MHz到3000MHz的頻率范圍內，大部分吸波材料都會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）的方式來削弱其表面電流。這些表面電流源于有害EMI和導體的相互作用，而且它們的出現還會導致電磁場的二次輻射，因此為了保證產品符合相關規范，通常都會設法降低該表面電流。除此之外，這些表面電流還可能會對其它電路造成干擾，妨礙系統的正常運行。

比較不同生產廠家提供的吸波材料的性能需要花費大量的金錢和時間。考慮到EMI測試試驗室每天幾千美元的費用，試錯試驗（trialanderrortesting）的次數必須被限制到最少。因此，通過攜帶若干種可能會使用到的吸波材料到EMI試驗室進行測試以確定效果最好的一種材料的方法已經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單的表面電流減小測試裝置（SCRF）則允許我們對各種吸波材料樣品的性能進行快速、簡單的比較，從而縮小吸波材料的選擇范圍，確定某頻率范圍內具體EMI問題所需的性能最好的一種或兩種吸波材料。

SCRF裝置主要由兩個經過靜電屏蔽的磁場環形天線構成，而且通過將它們小心地放置在相互垂直的位置上可以在相關頻率范圍內獲得70dB甚至更高的隔離度。SCRF中的一個環形天線被連接到射頻（RF）掃頻源，而另一個環形天線則被連接到RF掃頻接收機。如果將一塊與產品殼體相仿的導體板放置在接近兩環形天線的一個固定的位置上，那么就會在導體表面產生電流，該表面電流所產生的二次輻射會被環形天線接收，由此造成的天線接收信號的增大的典型值約為20dB到30dB。在此基礎上，如果在導體板上覆蓋某種EMI吸波材料的樣品并重復上述測試過程，就可以測量得到電磁場二次輻射的減小量。我們可以利用這種二次輻射的減小量來對不同吸波材料的吸波性能進行對比。

測試裝置的構造

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

圖1.實驗室加工制造的屏蔽環（頻率范圍：2MHz-600MHz）

環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。除了在環天線和同軸線的連接點所正對的一部分圓環處有一個小的間隙之外，環天線的其它部分都被銅帶完全覆蓋。如果沒有這個小的間隙，那么環天線就會被完全短路，電場和磁場也會被屏蔽，環天線也就無法完成測量。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大量使用焊料來完成的。依照上述方法我們可以加工兩個相同的環天線。如圖1所示的探頭所適用的頻率范圍在3MHz到600MHz之間。

通過商業渠道訂購適合的探頭會更加經濟、更加省時。下面列出的一些生產廠家所提供的屏蔽環天線的樣品都會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買環天線，兩個環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；而用于支撐測試裝置的平臺則可以簡單的用木頭和塑料來實現。如前所述，測試裝置中的一個探頭會被連接到RF掃頻源，而另一個探頭則會被連接到掃頻接收機上。如果測試試驗室內裝備有矢量網絡分析儀，那么只要其RF信號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源功能的網絡分析儀就能很好的完成本項測試任務。另外，測試過程中環天線必須被固定在介質材料上，例如木頭和塑料。基本的測試裝置并不復雜，通過在木塊上插入螺絲釘就可以得到一個如圖2所示的簡單的測試裝置。


圖2.在沒有導體板的情況下兩環天線耦合最小時的相對位置
構建測試裝置過程中最困難的一步就是調整天線之間的相對位置以獲得兩天線之間的最小耦合。首先，我們可以將某個探頭粘附在支撐平臺上。然后，在支撐平臺的二維面上仔細調整第二個探頭的位置從而使得兩探頭之間的耦合最小。當第二個探頭的大致位置確定以后，我們可以對第二個探頭采用施加高溫、快速定型熱熔膠的方法來進行固定。因為剛剛施加的熱熔膠還沒有凝固，所以我們可以繼續手動微調第二個探頭的位置；當熱熔膠凝固之后，第二個探頭就可以被精確地放置在耦合度最小的位置上了。經過一個小時仔細的試錯和調整，我們可以用熱熔膠的方法在兩個十倍頻程的范圍內實現80dB的隔離度。另外，在測試裝置的同軸線上加入一個或若干個夾扣磁環會有助于我們在更大的頻率范圍內達到試驗所需的至少70dB的隔離度。

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


圖3.導體板上的表面電流將耦合度提高了20-30dB

測試

為了測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。通過和沒有附著吸波材料情況下測試裝置測量得到的數值相比，我們可以利用接收機直接測量到EMI反射的減小量。

盡管可以同時提供RF掃頻源和接收機功能的矢量網絡分析儀是一種理想的測試儀器，但覆蓋所需頻率范圍的標量網絡分析儀也是一個很好的解決方案。如果缺乏上述測試設備，我們也可以利用更廉價的頻譜分析儀及其跟蹤源來完成EMI吸波材料性能的比較。上面介紹的這三種測試儀器都可以在環形磁場天線所覆蓋的頻率范圍內實現掃頻測量。另外，如果干擾僅僅出現在個別頻率點上，那么即使缺乏相關的掃頻設備，我們也可以用信號發生器和某些測試接收機來完成相關的測試任務。

測試結果

利用表面電流減少裝置，我們對來自BrigitflexInc和ARCTechnologies的不同EMI吸波材料樣品的性能進行了對比測試。測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形天線直徑的三到五倍。PCB板覆銅的一側朝向環形天線。通過與無吸波材料的情況進行對比，SCRF裝置中材料A所帶來的覆銅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所示的測試裝置中進行測量可以得到如圖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

本文設計加工了一種簡單的表面電流減少測試裝置，通過它可以在實驗室環境下對不同EMI吸波材料的吸波性能進行相對的比較。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期的EMI減少量的測量值，但該方法可以很快的確定在特定頻率范圍內具備最佳吸波性能的材料。