吸波材料及其在手机电磁兼容设计中的应用

【摘要】文章详细介绍了吸波材料的应用背景及其基本原理,并在此基础上,通过一个案例阐述了吸波材料在手机产品电磁兼容设计中的应用。测试结果表明,吸波材料在解决手机产品的电磁兼容问题时,其效果是显著的。

【关键词】吸波材料 电磁兼容 手机 杂散辐射

1 引言

随着电子技术的飞速发展,电子产品正迅速向节能化、智能化、信息化、多系统、多功能及娱乐性等多元化方向发展。这些拥有各种个性化娱乐功能的电子产品的普及,在很大程度上丰富了人们的物质生活需要;但与此同时,也不可避免地带来了一些问题,尤其是电磁兼容(EMC)问题。电磁兼容问题的存在,往往使电子、电气设备或系统不能正常工作,性能降低,甚至受到损坏。为解决这些问题,全球各地区基本都设置了与电磁兼容相关的市场准入认证,用以保护本地区的电磁环境,如:北美的FCC、NEBC认证,欧盟的CE认证,日本的VCCEI认证,澳洲的C-TICK认证,台湾地区的BSMI认证,中国的3C认证等。

此外,由于消费类电子产品集成的功能越来越多,以手机为例,目前市场上一部智能手机,往往同时集成有GSM移动通信、蓝牙、Wi-Fi、摄像头等,另外还具有MP3、MP4等多媒体功能,这使得手机的工作频率越来越高,系统内部各个子模块之间的互相干扰也变得很突出。因此,电子产品内各子系统之间的电磁兼容设计问题也更加突出,在一定程度上增加了电子产品设计的难度。

鉴于此,如何有效地解决电子产品的电磁兼容问题,为产品赢得市场机会,成为每一个电子产品设计工程师必须予以足够重视的问题。而由于目前消费类电子产品的便携化、小巧化、多通信系统融合及智能化等趋势,使得在进行电子产品电磁兼容设计时,一些传统的设计方法无法应用,比如:使用全封闭的金属外壳,各子系统之间保证足够的距离,产品内使用屏蔽罩等。因此,必须采用一些新型的电磁兼容设计方法和材料。其中,吸波材料作为一种新型的屏蔽材料,具有“轻、薄”特征的产品已经面世,使得在手机产品的电磁兼容设计中应用吸波材料作为屏蔽材料成为可能。

2 吸波材料

2.1 介绍

所谓吸波材料,是指能够将投射到它表面的电磁波大部分吸收并转化成其他形式的能量(主要是热能)而几乎无反射的材料[1]。

对于吸波材料的研究,起初是为适应现代战争的需要――20世纪40年代,由于雷达的面世,引发了对于吸波材料的研究。1950年代,美国开始把吸波材料用于隐形飞机技术中,海湾战争F117隐形飞机的成功使用,使世界各国加大了对吸波材料研究的力度。随着技术的发展,由于在民用领域电磁兼容问题日益严重,吸波材料的应用与研究已远远超出军事应用范围,而更广泛地用于微波暗室、电磁屏蔽、降低光学器件反射、避免通讯设备干扰、建筑防辐、消除电视重影等许多方面[2]。

2.2 基本原理

设材料的介电常数和磁导率分别为εr和μr,自由空间的介电常数和磁导率分别为ε0和μ0。入射电磁波从自由空间照射在吸波材料上时(如图1),依据Maxwell方程及边界条件可知,当电磁波垂直入射时,材料界面的复反射系数为[1]:

R=(ZM-Z0)/(ZM+Z0) (1)

其中,ZM和Z0分别为吸波材料和自由空间的阻抗。

式中:εr'、μr'分别为吸波材料在电场和磁场作用下产生的极化和磁化程度的变量;εr"为在外加电场下,材料电偶矩产生重排引起损耗的量度;μr"为在外加磁场作用下,材料磁偶矩产生重排引起损耗的量度。由此可见,对介质而言,承担着电磁波吸波功能的是介电常数和磁导率的虚部εr"和μr",它们引起能量的损耗。

吸波材料对电磁波能量的吸收,可以由下式来表示[3]:

式中:

P[W/m3]:单位体积吸波材料所吸收的电磁能量;

E[V/m]:入射电磁波的电场强度;

H[A/m]:入射电磁波的磁场强度;

σ[S/m]:材料的电导率;

ω[sec-1]:电磁波的角速度,ω=2πf,f是电磁波的频率;

ε0[F/m]:真空的介电常数,8.854×10-12F/m;

εr:材料的复介电常数;

μ0[A/m]:真空的磁导率,1.2566×10-6A/m;

μr:材料的复磁导率。

为使吸波材料实现吸收电磁波的功能,首先必须能够使电磁波不反射,必须使得电磁波在材料界面的复反射系数为R=0,亦即要求ZM=Z0,即吸波材料必须满足阻抗匹配的条件。如电磁波是由自由空间入射到吸波材料,自由空间的阻抗是Z0=377Ω,那么,此时要求吸波材料的阻抗必须为ZM=Z0=377Ω。

此外,电磁波在入射到吸波材料内后,还必须能够在一定的距离内被衰减掉。电磁波在介质内传播时,其能量的衰减与传输距离x呈指数关系:Ploss=e-αx。α是吸波材料的衰减常数,可以由下式表示[4]:

α=-(μ0ε0)1/2ω(a2+b2)1/4sin[(1/2)tan-1(-a/b)] (7)

其中,a=(εr'μr'-εr"μr"),b=(εr'μr"-εr"μr')。

由式(7)可以看出,要在较短的距离内实现很大的衰减,α必须很大,也就是说,εr'、εr"、μr'及μr"必须很大。这是吸波材料实现吸收电磁波功能所必须满足的另外一个条件,即吸波材料必须满足衰减匹配。

然而,我们发现,实际上这两个条件是相互矛盾的:要满足衰减匹配的要求,εr'、εr"、μr'及μr"必须很大,而这又会导致反射系数变大。因此,在实际设计时,往往会采用多层吸波材料或阻抗渐变的吸波材料。

综上所述,吸波材料要实现吸收电磁波的功能,必须满足阻抗匹配及衰减匹配这两个条件;且在设计时,必须采用一些方法来解决阻抗匹配与衰减匹配之间的矛盾。吸波材料对电磁波的吸收能力,取决于材料的电导率、介电损耗及磁损耗,介电损耗取决于复介电常数的虚数部分,对电场起作用;而磁损耗由复磁导率的虚数部分决定,作用于磁场。因此,可以利用微波吸波材料的介电损耗来吸收电磁波的电场部分,这种类型的吸波材料称为介电型吸波材料。在使用介电型吸波材料时,如果应用在距离射频电路很近的位置,会存在导致电路短路的风险。填充物是特殊的铁及铁氧体之类的磁性材料,被称为磁性吸波材料,这些材料对于直流来说是绝缘的,因此可以以直接接触的方式应用于内部电路。

2.3 分类

吸波材料有许多分类方法,一般来讲,主要有以下几种[2]:

(1)按损耗机理,可分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。介电型吸波材料的主要特点是具有较高的介电常数和介电损耗角,以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波。磁性吸波材料损耗机理主要为铁磁共振吸收,具有较大的磁损耗角,以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗衰减来吸收电磁波。

(2)按成型工艺和承载能力,可分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波材料是具有电磁波吸收功能的涂料,其工艺简单,使用方便,因容易调节而受到重视,隐形兵器几乎都是用了涂覆型吸波材料。结构型吸波材料具有承载和吸波的双重功能,其结构形式有蜂窝状、角锥状和波纹状等。

(3)按吸收原理,可分为吸收型和干涉型。吸收型吸波材料本身对雷达波进行吸收损耗,基本类型有复磁导率与复介电常数基本相等的吸收体、阻抗渐变“宽频”吸收体和衰减表面电流的薄层吸收体;干涉型则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等、相位相反进行干涉相消,如1/4波长“谐振”吸收体,这类材料的缺点是吸收频带较窄。

(4)按研究时期,可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧体、钛酸钡、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等属于传统吸波材料,它们通常都具有吸收频带窄、密度大等缺点。其中铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料研究较多,性能也较好。新型吸波材料包括纳米材料、手性材料、导电高聚物、多晶铁纤维及电路模拟吸波材料等,它们具有不同于传统吸波材料的吸波机理。其中纳米材料和多晶铁纤维是众多新型吸波材料中性能最好的两种。

其中,如前所述,铁氧体等磁性吸波材料,由于在直流工作时具有不导电的特性,因此可以直接贴附于发出干扰的电路上,这一特性使得磁性吸波材料很适合在手机等对产品尺寸要求较高的消费类电子产品中应用。

3 吸波材料在手机电磁兼容设计中的应用

手机在工作时,会不断往外发射电磁波,最大功率可以达到2w,这对周围环境的影响是很大的。比如,在手机通话的过程中,如果与固定电话距离较近,且固定电话也在通话,那么,我们经常会在固定电话的手柄中听到“滋滋滋”的声音,非常刺耳,这就是典型的手机对固定电话的干扰现象。因此,为避免手机在工作时对周围环境的干扰,必须对手机工作时的一些不必要的辐射(spurious emission)进行限制。国际上对此有严格的限制,其中与手机相关的国际规范(3GPP TS 51.010-1 V9.0.1(2010-02))对此的规定如表1所示[5]:

在处理手机的杂散辐射时,常用的措施有滤波、屏蔽等,而在某些特殊的情形下,吸波材料的应用也是一个很好的解决办法。下文通过一个典型案例,阐述吸波材料在解决手机杂散辐射问题时的应用。

在本案例中,手机在耦合杂散辐射性能上不能满足上述规范的要求,主要的问题为:在手机各个频段反射的二次谐波处,超出限制值。测试数据如表2所示:

从上述原始数据来看,手机在各频段的二次、三次谐波点处超出了3GPP规范的要求,并且最大超出了23.53dBm。

而手机在传导测试时,各频段的二次、三次谐波性能正常,完全满足规范的要求,如表3所示:

因此,需要进一步查找其他的原因。经排查发现,手机中内置的GPS天线与该项测试有着明显的相关性:当去除GPS天线时,测试结果一切正常,能够完全满足规范要求;而在安装上GPS天线后,测试结果大大恶化。然而,在进行此项测试时,GPS部分功能是完全处于关断状态的,所以,手机在耦合状态下所测试到的二次、三次谐波处的杂散辐射,应不是由GPS天线本身辐射出来的。经仔细观察,发现GPS天线与手机天线位置相对,处于手机主板的两端,GPS天线背面有一个大的金属地平面,且与手机天线相距62mm。因此,怀疑是这块金属地平面形成了一个反射面,将手机天线发射出的电磁波反射回去,从而形成了能量的叠加,恶化了二次、三次谐波处的杂散辐射性能(如图3所示)。作为一种解决对策,在GPS天线背面的金属平面处粘贴一铁氧体吸波材料,重新进行此项测试,结果得到了很大的改善,如表4所示。

由表4可以看出,在GPS天线背面的金属平面上粘贴吸波材料后,确实起到了吸收电磁波、减少反射的作用,从而改善了耦合二次、三次谐波辐射性能。

4 总结

近年来,随着民用产品电磁兼容设计需求的不断增多,吸波材料的应用场合已经远远超出最初的军事领域,不断向民用方向发展。同时,适合于民用产品如手机的电磁兼容设计等应用的产品也不断被开发出来。从上述实例可以看出,吸波材料在解决手机产品的电磁兼容设计问题时是很有效的。随着电子产品的小型化、多功能化、数字化发展以及工作频率的不断提升,吸波材料,尤其是具有不导电性能的铁氧体吸波材料,在这些产品的电磁兼容设计方面,将可发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]赵灵智,胡社军,等. 吸波材料的吸波原理及其研究进展[J]. 现代防御技术,2007,35(1):27-31.

[2]孟建华,杨桂琴,等. 吸波材料研究进展[J]. 磁性材料及器件,2004,35(4):11-14.

[3]Sony. 2008. Sony’s electromagnetic wave absorber reduces EMC and SAR problem[EB/OL]. /Products/SC-HP/cx_news/vol25/pdf/emcstw.pdf.

[4]Xingcun Colin Tong. Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding[C]. CRC Press Taylor & Francis Group, 2009:237-255.

[5]ETSI. 3GPP TS 51.010-1 V9.0.1. 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group. GSM/EDGE Radio Access Network Digital Cellular Telecommunications System(Phase 2+); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification(Release 9)[EB/OL]. (2010-02)/ftp/Specs/archive/51_series/51.010-1/51010-1-901.zip.

【作者简介】

王国强:上海交通大学电子与通信工程专业在读工程硕士,现任职于希姆通信息技术(上海)有限公司,从事射频系统集成设计工作。