各種減小印制電路板邊緣輻射效應(yīng)的方法和技術(shù)

隨著電子設(shè)備向小型化和更高數(shù)率的方向發(fā)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(shè)備的物理尺寸時，這將導(dǎo)致噪聲的“天線效應(yīng)”增大。因此，防止噪聲耦合到這些能輻射或產(chǎn)生耦合場的“天線”結(jié)構(gòu)上變得更加重要，因為在更高的頻率上，采用低成本的方式來實現(xiàn)對產(chǎn)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(shè)備（EUTs）的物理尺寸，導(dǎo)致發(fā)生腔體的共振效應(yīng)。當閉合體尺寸等于半波長的整數(shù)倍時，對應(yīng)頻率就是一諧振頻率。在機箱內(nèi)產(chǎn)生的波，其波節(jié)點（即零振幅）位于外殼的導(dǎo)電壁上。此結(jié)構(gòu)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，然后場可以耦合到腔體內(nèi)的任何其他點或可以產(chǎn)生輻射。腔體諧振的危險是，如果一個噪聲源含有對應(yīng)諧振頻點的頻率成分，由于以腔體“Q-因數(shù)”產(chǎn)生的乘積或放大效應(yīng)，那么在諧振頻率上會激勵起很強的場。減弱該現(xiàn)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(shù)”，通常做法是在腔體內(nèi)安放吸收材料。

減少印刷電路板（PCB）的邊緣散射

通過恰當?shù)剡\用PCB設(shè)計技術(shù)，如走線布線，層疊分配，解耦和端接，由印刷電路板本身產(chǎn)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(yīng)以及印刷電路板的邊緣。邊緣效應(yīng)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(chǎn)生的輻射場可以在機箱結(jié)構(gòu)框架上激勵起電流。

有大量的研究，分析討論了各種減小印制電路板邊緣輻射效應(yīng)的方法和技術(shù)，如適當端接技術(shù)。隨這些技術(shù)應(yīng)用而產(chǎn)生的一個問題是，可能需要增加額外的組件并占用寶貴的PCB板空間，且實際效果往往并沒有減小輻射能量。而這些常用方法會產(chǎn)生能量反射，從而有可能產(chǎn)生附加的內(nèi)部諧振效應(yīng)和內(nèi)部的通孔耦合，這會導(dǎo)致輻射增強。

采用微波吸收材料沿印刷電路板的邊緣進行鋪設(shè)，這可以減小由邊緣引起的邊緣輻射，且不需要額外占用電路板的面積。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(xiàn)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。如果走線位于電路板的底層且臨近機箱殼體的底板，會出現(xiàn)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(nèi)部并形成循環(huán)電流。然后，這些循環(huán)電流會通過其所流經(jīng)路徑上的任何開槽，接縫或孔徑產(chǎn)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（大于10Ω）。吸波材料也可以方便地直接放置在走線的頂部，不需要采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(guān)箱上，頻率在6GHz時，可降低約4~6dB的輻射發(fā)射。

降低腔體諧振效應(yīng)

如前所述，一個六面導(dǎo)電的外殼或腔體可以支持電磁諧振。腔體的耦合是各種結(jié)構(gòu)自諧振產(chǎn)生的結(jié)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，千兆以太網(wǎng)路接口轉(zhuǎn)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，由于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(yīng)諧振頻點的頻率成分，由于以腔體“Q-因數(shù)”產(chǎn)生的乘積或放大效應(yīng)，那么在諧振頻率上會激勵起很強的場。減弱該效應(yīng)的一種方法是必須通過采取能損耗能量(Q-抑制)的措施來降低腔體的“Q-因數(shù)”。加在腔體內(nèi)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(nèi)夾層將處理更高頻率成分。吸波材料是用于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（即大于1 GHz）吸波效能非常高。

通過逐步地吸收能量并將其轉(zhuǎn)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(shù)。采用吸波材料較為方便，因為它將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能，而不必采用“接地”措施。只要吸波材料遮擋了場或放在場的傳播路徑上，那么它就能降低場的電磁能量。在腔體內(nèi)添加吸波材料的附加效應(yīng)是，它改變了腔體的有效介電常數(shù)，具體取決于添加材料量的多少。隨著材料體積在腔體內(nèi)部占比的增大，將對復(fù)合介電常數(shù)的影響更大。通過改變有效介電常數(shù)，可以引起諧振頻率點的位置偏移。該技術(shù)被用于一個開關(guān)盒的設(shè)計中，結(jié)果在8.5 GHz時實現(xiàn)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于高頻芯片器件，它粘接在高頻芯片器件上，因此是一個高效輻射體。無論信號多么好地在印制電路板上傳輸，如果芯片的電流寄生耦合到散熱器上，就會產(chǎn)生輻射發(fā)射。散熱器的每塊散熱片都相當于單極振子天線結(jié)構(gòu)，所有的散熱片就相當于天線陣。根據(jù)整體屏蔽效果或散熱器的諧振效應(yīng)，這些排放量可能會或可能不會超過規(guī)范規(guī)定限值?？刂粕崞鬏椛浒l(fā)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?yōu)殡姶蟪叽?，甚至變成更高效的輻射器。因此，設(shè)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(xiàn)低阻抗特性。使用的接觸點數(shù)量越多，阻抗越低，那么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(nèi)才能有效。一個例子是通過一塊彈性導(dǎo)電簧片將散熱器與其周圍的連續(xù)參考地進行連續(xù)的接地。然而，這不僅仍然需要占用相當?shù)碾娐钒迕娣e，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(yīng)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(fā)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(fā)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、電磁干擾吸波體、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(shù)語所指材料的磁和/或電特性已經(jīng)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(jīng)出現(xiàn)了在商業(yè)應(yīng)用中使用微波吸波材料趨勢。消費類電子產(chǎn)品、筆記本電腦，無線局域網(wǎng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和交換機，無線天線系統(tǒng)，蜂窩電話基站只是采用了這種技術(shù)的高頻設(shè)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(diào)諧頻率吸波材料

調(diào)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(diào)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(shè)計成，將其放在微波腔中時能表現(xiàn)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(shù)。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(shè)計成具有最高的損耗特性，這種材料是用來鋪設(shè)在導(dǎo)電或金屬表面并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的范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出高磁導(dǎo)率。

·柔性介質(zhì)泡沫吸波材料

○ 網(wǎng)織泡沫吸波材料

網(wǎng)織泡沫吸波材料是一種非常輕的導(dǎo)電碳加載的片狀材料，其能實現(xiàn)對法向和偏離法向方向入射電磁波的大幅度衰減。網(wǎng)織泡沫材料是用一個連續(xù)梯度涂層加工而成，從1~20 GHz頻率范圍內(nèi)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(zhì)、低成本的碳加載板材。它是用均勻涂層加工而成，從1到20 GHz頻率范圍內(nèi)，具有高插入損耗特性。

·射頻吸波材料

○ 卷曲泡沫吸波材料

卷曲泡沫吸波材料是輕質(zhì)的碳加載片狀材料，它的幾何形狀類似于一個“蛋托”。材料上的錐形體結(jié)構(gòu)使其實現(xiàn)了從1~20 GHz的高反射損耗。

·噴涂和灌注吸波材料

○ 吸波填縫劑、油墨和涂料

吸波涂敷材料可以用于各種應(yīng)用技術(shù)制造，如噴涂，注射，或浸泡涂覆。該材料可以由各種粘度一或兩部分材料加工而成。