- 吸波材料測試裝置的構(gòu)造
- 吸波材料測試方法
- 環(huán)天線放置在相互垂直的位置
- 相隔距離為環(huán)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(guī)范的不斷增多，市場上開始出現(xiàn)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(shè)計(jì)使得我們能夠很容易地將這些吸波材料應(yīng)用到一些不符合電磁干擾和射頻干擾（EMI/RFI）相關(guān)規(guī)范的產(chǎn)品表面。因此，選擇合適的吸波材料就成為符合EMI/RFI相關(guān)規(guī)范、維護(hù)系統(tǒng)性能完好的一個關(guān)鍵因素。
在10MHz到3000MHz的頻率范圍內(nèi)，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(dǎo)體的相互作用，而且它們的出現(xiàn)還會導(dǎo)致電磁場的二次輻射，因此為了保證產(chǎn)品符合相關(guān)規(guī)范，通常都會設(shè)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(tǒng)的正常運(yùn)行。
比較不同生產(chǎn)廠家提供的吸波材料的性能需要花費(fèi)大量的金錢和時間?？紤]到EMI測試試驗(yàn)室每天幾千美元的費(fèi)用，試錯試驗(yàn)（trialanderrortesting）的次數(shù)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(yàn)室進(jìn)行測試以確定效果最好的一種材料的方法已經(jīng)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(jìn)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(nèi)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(jīng)過靜電屏蔽的磁場環(huán)形天線構(gòu)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(guān)頻率范圍內(nèi)獲得70dB甚至更高的隔離度。SCRF中的一個環(huán)形天線被連接到射頻（RF）掃頻源，而另一個環(huán)形天線則被連接到RF掃頻接收機(jī)。如果將一塊與產(chǎn)品殼體相仿的導(dǎo)體板放置在接近兩環(huán)形天線的一個固定的位置上，那么就會在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電流，該表面電流所產(chǎn)生的二次輻射會被環(huán)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(chǔ)上，如果在導(dǎo)體板上覆蓋某種EMI吸波材料的樣品并重復(fù)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(jìn)行對比。
測試裝置的構(gòu)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(dǎo)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(shù)會提高該探頭的測量靈敏度，而其相應(yīng)的代價就是最高使用頻率的降低。
圖1.實(shí)驗(yàn)室加工制造的屏蔽環(huán)（頻率范圍：2MHz-600MHz）
環(huán)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(huán)天線和同軸線的連接點(diǎn)所正對的一部分圓環(huán)處有一個小的間隙之外，環(huán)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(huán)天線就會被完全短路，電場和磁場也會被屏蔽，環(huán)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(huán)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(yè)渠道訂購適合的探頭會更加經(jīng)濟(jì)、更加省時。下面列出的一些生產(chǎn)廠家所提供的屏蔽環(huán)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(huán)天線，兩個環(huán)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(shí)現(xiàn)。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(jī)上。如果測試試驗(yàn)室內(nèi)裝備有矢量網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)分析儀就能很好的完成本項(xiàng)測試任務(wù)。另外，測試過程中環(huán)天線必須被固定在介質(zhì)材料上，例如木頭和塑料?；镜臏y試裝置并不復(fù)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(dǎo)體板的情況下兩環(huán)天線耦合最小時的相對位置[page]
構(gòu)建測試裝置過程中最困難的一步就是調(diào)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(xì)調(diào)整第二個探頭的位置從而使得兩探頭之間的耦合最小。當(dāng)?shù)诙€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(jìn)行固定。因?yàn)閯倓偸┘拥臒崛勰z還沒有凝固，所以我們可以繼續(xù)手動微調(diào)第二個探頭的位置；當(dāng)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(jīng)過一個小時仔細(xì)的試錯和調(diào)整，我們可以用熱熔膠的方法在兩個十倍頻程的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(huán)會有助于我們在更大的頻率范圍內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)所需的至少70dB的隔離度。
兩環(huán)天線之間相隔最近的兩點(diǎn)間距離的大小并不是特別重要，相隔距離為環(huán)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(huán)天線之間的間距，而且暫時固定在測試平臺上的兩環(huán)天線之間的隔離度也大于70dB，那么我們就可以根據(jù)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(huán)天線，如圖3所示。使得兩環(huán)天線之間耦合最強(qiáng)的位置就是金屬板的最佳位置。由此造成的兩環(huán)天線之間耦合度的提高如果能夠達(dá)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(dǎo)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(shù)值相比，我們可以利用接收機(jī)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(jī)功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種理想的測試儀器，但覆蓋所需頻率范圍的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也是一個很好的解決方案。如果缺乏上述測試設(shè)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(huán)形磁場天線所覆蓋的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)掃頻測量。另外，如果干擾僅僅出現(xiàn)在個別頻率點(diǎn)上，那么即使缺乏相關(guān)的掃頻設(shè)備，我們也可以用信號發(fā)生器和某些測試接收機(jī)來完成相關(guān)的測試任務(wù)。
測試結(jié)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(jìn)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(huán)形天線直徑的三到五倍。PCB板覆銅的一側(cè)朝向環(huán)形天線。通過與無吸波材料的情況進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對不同EMI吸波材料的吸波性能進(jìn)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(yù)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(nèi)具備最佳吸波性能的材料。
