用于EMI/RF吸波材料性能比较

中心议题：

• 吸波材料测试装置的构造
• 吸波材料测试方法

解决方案：

• 环天线放置在相互垂直的位置
• 相隔距离为环天线直径的二分之一
• 利用表面电流减少装置测试

随着工程师们需要遵循的辐射电磁干扰（EMI）规范的不断增多，市场上开始出现各种类型的EMI吸波材料。一般而言，市场上所提供的这些吸波材料的厚度很薄并具有很好的外形柔韧性，再加上其背面带有粘合剂的设计使得我们能够很容易地将这些吸波材料应用到一些不符合电磁干扰和射频干扰（EMI/RFI）相关规范的产品表面。因此，选择合适的吸波材料就成为符合EMI/RFI相关规范、维护系统性能完好的一个关键因素。

在10MHz到3000MHz的频率范围内，大部分吸波材料都会采用加入有损耗的磁性材料（例如，羰基铁或者铁氧体粉末等）的方式来削弱其表面电流。这些表面电流源于有害EMI和导体的相互作用，而且它们的出现还会导致电磁场的二次辐射，因此为了保证产品符合相关规范，通常都会设法降低该表面电流。除此之外，这些表面电流还可能会对其它电路造成干扰，妨碍系统的正常运行。

比较不同生产厂家提供的吸波材料的性能需要花费大量的金钱和时间。考虑到EMI测试试验室每天几千美元的费用，试错试验（trialanderrortesting）的次数必须被限制到最少。因此，通过携带若干种可能会使用到的吸波材料到EMI试验室进行测试以确定效果最好的一种材料的方法已经被证明是一种非常昂贵的解决方法。而本文所介绍的这种简单的表面电流减小测试装置（SCRF）则允许我们对各种吸波材料样品的性能进行快速、简单的比较，从而缩小吸波材料的选择范围，确定某频率范围内具体EMI问题所需的性能最好的一种或两种吸波材料。

SCRF装置主要由两个经过静电屏蔽的磁场环形天线构成，而且通过将它们小心地放置在相互垂直的位置上可以在相关频率范围内获得70dB甚至更高的隔离度。SCRF中的一个环形天线被连接到射频（RF）扫频源，而另一个环形天线则被连接到RF扫频接收机。如果将一块与产品壳体相仿的导体板放置在接近两环形天线的一个固定的位置上，那么就会在导体表面产生电流，该表面电流所产生的二次辐射会被环形天线接收，由此造成的天线接收信号的增大的典型值约为20dB到30dB。在此基础上，如果在导体板上覆盖某种EMI吸波材料的样品并重复上述测试过程，就可以测量得到电磁场二次辐射的减小量。我们可以利用这种二次辐射的减小量来对不同吸波材料的吸波性能进行对比。

测试装置的构造

加工制造出一个如图1所示的探头并不困难。该探头是由带固体Teflon@绝缘层的#24AWG导线在一个1.5厘米的心轴上绕两圈而得到的。加大直径、提高圈数会提高该探头的测量灵敏度，而其相应的代价就是最高使用频率的降低。

图1.实验室加工制造的屏蔽环（频率范围：2MHz-600MHz）

环天线的一端被焊接到同轴线的芯线上，而另一端则被焊接到同轴线的屏蔽层上。除了在环天线和同轴线的连接点所正对的一部分圆环处有一个小的间隙之外，环天线的其它部分都被铜带完全覆盖。如果没有这个小的间隙，那么环天线就会被完全短路，电场和磁场也会被屏蔽，环天线也就无法完成测量。另外，铜带和同轴线的屏蔽层之间、前后交叠的铜带之间连接则是通过大量使用焊料来完成的。依照上述方法我们可以加工两个相同的环天线。如图1所示的探头所适用的频率范围在3MHz到600MHz之间。

通过商业渠道订购适合的探头会更加经济、更加省时。下面列出的一些生产厂家所提供的屏蔽环天线的样品都会明确给出其各自的适用频率范围，可以作为参考。
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

如图2所示，不论是选择加工还是购买环天线，两个环天线都必须被小心地放置在相互垂直的位置上，以便获得两天线之间的最小耦合；而用于支撑测试装置的平台则可以简单的用木头和塑料来实现。如前所述，测试装置中的一个探头会被连接到RF扫频源，而另一个探头则会被连接到扫频接收机上。如果测试试验室内装备有矢量网络分析仪，那么只要其RF信号源和接收端口之间的隔离度大于70dB，则综合了频谱分析仪功能和扫频信号源功能的网络分析仪就能很好的完成本项测试任务。另外，测试过程中环天线必须被固定在介质材料上，例如木头和塑料。基本的测试装置并不复杂，通过在木块上插入螺丝钉就可以得到一个如图2所示的简单的测试装置。


图2.在没有导体板的情况下两环天线耦合最小时的相对位置
构建测试装置过程中最困难的一步就是调整天线之间的相对位置以获得两天线之间的最小耦合。首先，我们可以将某个探头粘附在支撑平台上。然后，在支撑平台的二维面上仔细调整第二个探头的位置从而使得两探头之间的耦合最小。当第二个探头的大致位置确定以后，我们可以对第二个探头采用施加高温、快速定型热熔胶的方法来进行固定。因为刚刚施加的热熔胶还没有凝固，所以我们可以继续手动微调第二个探头的位置；当热熔胶凝固之后，第二个探头就可以被精确地放置在耦合度最小的位置上了。经过一个小时仔细的试错和调整，我们可以用热熔胶的方法在两个十倍频程的范围内实现80dB的隔离度。另外，在测试装置的同轴线上加入一个或若干个夹扣磁环会有助于我们在更大的频率范围内达到试验所需的至少70dB的隔离度。

两环天线之间相隔最近的两点间距离的大小并不是特别重要，相隔距离为环天线直径的二分之一或者一个直径都可以获得很好的性能。一旦确定了两环天线之间的间距，而且暂时固定在测试平台上的两环天线之间的隔离度也大于70dB，那么我们就可以根据吸波材料将要附着的表面选择一块材料类似的金属板，并将其靠近两个环天线，如图3所示。使得两环天线之间耦合最强的位置就是金属板的最佳位置。由此造成的两环天线之间耦合度的提高如果能够达到20dB甚至更大，那么它对提高整体的测量精度就非常有利，尤其是对于那些高性能的待测吸波材料更是如此。


图3.导体板上的表面电流将耦合度提高了20-30dB

测试

为了测量某给定材料的吸波性能，需要将其附着在SCRF装置的金属板上。通过和没有附着吸波材料情况下测试装置测量得到的数值相比，我们可以利用接收机直接测量到EMI反射的减小量。

尽管可以同时提供RF扫频源和接收机功能的矢量网络分析仪是一种理想的测试仪器，但覆盖所需频率范围的标量网络分析仪也是一个很好的解决方案。如果缺乏上述测试设备，我们也可以利用更廉价的频谱分析仪及其跟踪源来完成EMI吸波材料性能的比较。上面介绍的这三种测试仪器都可以在环形磁场天线所覆盖的频率范围内实现扫频测量。另外，如果干扰仅仅出现在个别频率点上，那么即使缺乏相关的扫频设备，我们也可以用信号发生器和某些测试接收机来完成相关的测试任务。

测试结果

利用表面电流减少装置，我们对来自BrigitflexInc和ARCTechnologies的不同EMI吸波材料样品的性能进行了对比测试。测试所选择的金属面是单面或者双面覆铜的FR-4型印刷电路板（PCB）。覆铜PCB板每面的尺寸约为环形天线直径的三到五倍。PCB板覆铜的一侧朝向环形天线。通过与无吸波材料的情况进行对比，SCRF装置中材料A所带来的覆铜FR-4印刷电路板反射的减少量如图4所示。图中稍高的那条曲线是参考曲线，而稍低的一条曲线则是加入了待测吸波材料引起的损耗之后的曲线。与此类似，将材料B在如图4所示的测试装置中进行测量可以得到如图5所示的更大的衰减损耗。


图4.材料A显示出了4-6dB的表面电流减少量

图5.材料B显示出了6-9dB的表面电流减少量

本文设计加工了一种简单的表面电流减少测试装置，通过它可以在实验室环境下对不同EMI吸波材料的吸波性能进行相对的比较。尽管吸波材料所引起的表面电流的减少量并不完全等于预期的EMI减少量的测量值，但该方法可以很快的确定在特定频率范围内具备最佳吸波性能的材料。