各種減小印製電路板邊緣輻射效應的方法和技術

各種減小印製電路板邊緣輻射效應的方法和技術

李倩 發表於 2018-10-04 15:16:00

隨著電子設備向小型化和更高數率的方向發展，由此帶來的是組件之間的間距越來越小、波長不斷縮短。當波長縮短到接近組件和設備的物理尺寸時，這將導致噪聲的「天線效應」增大。因此，防止噪聲耦合到這些能輻射或產生耦合場的「天線」結構上變得更加重要，因為在更高的頻率上，採用低成本的方式來實現對產品的電磁防護也變得更為困難。

同時，較小的波長會接近許多受試設備（EUTs）的物理尺寸，導致發生腔體的共振效應。當閉合體尺寸等於半波長的整數倍時，對應頻率就是一諧振頻率。在機箱內產生的波，其波節點（即零振幅）位於外殼的導電壁上。此結構就起到了腔體諧振器的作用。例如，一個2英寸見方乘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，然後場可以耦合到腔體內的任何其他點或可以產生輻射。腔體諧振的危險是，如果一個噪聲源含有對應諧振頻點的頻率成分，由於以腔體「Q-因數」產生的乘積或放大效應，那麼在諧振頻率上會激勵起很強的場。減弱該現象的一種方法是通過能損耗能量(Q-抑制)的措施來降低腔體的「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

通過恰當地運用PCB設計技術，如走線布線，層疊分配，解耦和端接，由印刷電路板本身產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。邊緣效應是很嚴重的問題，因為電路板邊緣非常靠近機箱殼體，因此產生的輻射場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製電路板邊緣輻射效應的方法和技術，如適當端接技術。隨這些技術應用而產生的一個問題是，可能需要增加額外的組件並佔用寶貴的PCB板空間，且實際效果往往並沒有減小輻射能量。而這些常用方法會產生能量反射，從而有可能產生附加的內部諧振效應和內部的通孔耦合，這會導致輻射增強。

採用微波吸收材料沿印刷電路板的邊緣進行鋪設，這可以減小由邊緣引起的邊緣輻射，且不需要額外佔用電路板的面積。通過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題的可能性。吸波材料可以通過在電路板的邊緣開U型槽固定。

減少PCB板的走線輻射

將吸波材料直接放置在微帶線的上部可消除從走線上邊往外的場輻射。如果走線位於電路板的底層且臨近機箱殼體的底板，會出現一個特別棘手的耦合機制，如果走線位置板靠近外殼的底面。此時，耦合到機箱上的場將激勵起電流，電流流到機箱內部並形成循環電流。然後，這些循環電流會通過其所流經路徑上的任何開槽，接縫或孔徑產生輻射。將吸波材料用壓敏膠（PSA）粘在走線上就能減小耦合到機箱上的場。這樣放置吸波材料對走線的阻抗影響極小，因為吸波材料具有高阻抗特性（大於10Ω）。吸波材料也可以方便地直接放置在走線的頂部，不需要採用任何額外的安裝或機械緊固措施。這個方法已使用在一個開關箱上，頻率在6GHz時，可降低約4~6dB的輻射發射。

降低腔體諧振效應

如前所述，一個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，千兆乙太網路接口轉換器）模塊或一個平板殼體罩著的單塊PCB板，其和/或僅包含幾個組件，由於大部分空間體積是空的（即空氣），這就更像一個真正的諧振腔。諧振的危險是，如果一個噪聲源含有對應諧振頻點的頻率成分，由於以腔體「Q-因數」產生的乘積或放大效應，那麼在諧振頻率上會激勵起很強的場。減弱該效應的一種方法是必須通過採取能損耗能量(Q-抑制)的措施來降低腔體的「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越多是一個多層次的概念。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。吸波材料是用於處理這些更高頻的諧振頻率問題的一個可行手段。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（即大於1 GHz）吸波效能非常高。

通過逐步地吸收能量並將其轉換為熱 吸波材料減少了輻射或起到了「防護」作用，同時降低了一個空腔中的Q因數。採用吸波材料較為方便，因為它將電磁能轉換為熱能，而不必採用「接地」措施。只要吸波材料遮擋了場或放在場的傳播路徑上，那麼它就能降低場的電磁能量。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，具體取決於添加材料量的多少。隨著材料體積在腔體內部佔比的增大，將對複合介電常數的影響更大。通過改變有效介電常數，可以引起諧振頻率點的位置偏移。該技術被用於一個開關盒的設計中，結果在8.5 GHz時實現了約6dB的能量降低。

散熱器輻射

一般來說，散熱器的物理和電尺寸都大於高頻晶片器件，它粘接在高頻晶片器件上，因此是一個高效輻射體。無論信號多麼好地在印製電路板上傳輸，如果晶片的電流寄生耦合到散熱器上，就會產生輻射發射。散熱器的每塊散熱片都相當於單極振子天線結構，所有的散熱片就相當於天線陣。根據整體屏蔽效果或散熱器的諧振效應，這些排放量可能會或可能不會超過規範規定限值。控制散熱器輻射發射最常見的做法是接「地面」，把散熱器與PCBs的參考地連接。

隨著頻率的上升，散熱器的尺寸變為電大尺寸，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。使用的接觸點數量越多，阻抗越低，那麼就能更有效地減少輻射的排放量。一般來說，在頻率超過1 GHz時，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的接地，我們必須把接觸點間距減小到l/20以內才能有效。一個例子是通過一塊彈性導電簧片將散熱器與其周圍的連續參考地進行連續的接地。然而，這不僅仍然需要佔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減小散熱器葉片上的表面電流，從而減少潛在的輻射發射。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，也能減小輻射發射。

射頻吸波材料和微波吸波材料有許多不同的名稱。一些最常見的名稱包括：射頻吸波體、微波吸波體、電磁幹擾吸波體、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。所有這些不同術語所指材料的磁和/或電特性已經改變，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降低對高頻雷達的反射。然而，隨著時間的推移，已經出現了在商業應用中使用微波吸波材料趨勢。消費類電子產品、筆記本電腦，無線區域網設備，網絡伺服器和交換機，無線天線系統，蜂窩電話基站只是採用了這種技術的高頻設備中很少的一部分。

材料類型

· 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能表現出高的損耗特性。吸波材料將有效地通過衰減腔體諧振、諧振頻率或諧波來減小Q因數。在頻率從1~20 GHz時，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，這種材料是用來鋪設在導電或金屬表面並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的範圍內都呈現出高磁導率。

· 柔性介質泡沫吸波材料

○ 網織泡沫吸波材料

網織泡沫吸波材料是一種非常輕的導電碳加載的片狀材料，其能實現對法向和偏離法向方向入射電磁波的大幅度衰減。網織泡沫材料是用一個連續梯度塗層加工而成，從1~20 GHz頻率範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、低成本的碳加載板材。它是用均勻塗層加工而成，從1到20 GHz頻率範圍內，具有高插入損耗特性。

· 射頻吸波材料

○ 捲曲泡沫吸波材料

捲曲泡沫吸波材料是輕質的碳加載片狀材料，它的幾何形狀類似於一個「蛋託」。材料上的錐形體結構使其實現了從1~20 GHz的高反射損耗。

· 噴塗和灌注吸波材料

○ 吸波填縫劑、油墨和塗料

吸波塗敷材料可以用於各種應用技術製造，如噴塗，注射，或浸泡塗覆。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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