為抑制空腔諧振選擇吸波材料

2016-12-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

今天,很多微波電路設(shè)計(jì)人員都注意到,在微波電路板處于一個(gè)封閉的環(huán)境中時(shí),這些微波電路便發(fā)揮不了原先預(yù)測(cè)的應(yīng)有性能。內(nèi)部產(chǎn)生的空腔諧振將改變某些電路元件正確工作所需要的阻抗。隨著微波電路工作頻率不斷增加,此問題在電路設(shè)計(jì)中越來越普遍。

微波吸收材料已被證明能夠有效解決空腔諧振問題,更重要的是根據(jù)應(yīng)用要求而選用合適的吸波材料。

什么是空腔諧振?

封閉空間(空腔)內(nèi)電磁場(chǎng)方程的解顯示駐波模式可能存在。若矩形空腔中最長尺寸大于或等于自由空間波長的一半,這些駐波模式就可能存在。若頻率在此截頻點(diǎn)以下,空腔諧振就無法存在。

圖1顯示了一個(gè)尺寸為a、b、c的矩形空腔,空腔內(nèi)填滿了一種均勻材料。

圖1:尺寸為a、b、c的矩形空腔,內(nèi)部填滿了一種均勻的材料

空腔諧振可以出現(xiàn)在以下頻率:

其中,ε是材料的電容率,μ是材料的磁導(dǎo)率,m、n和p都是整數(shù)。

在這種配置下,TE011模式為主模,因?yàn)樵撃Ｊ桨l(fā)生在空腔諧振能夠存在的最低頻率。從(1)式可以看到,此主諧振?？纱嬖诘念l率(截頻點(diǎn))與材料參數(shù)幅度ε和μ乘積的平方根成反比。如果電路的工作頻率在空腔的截頻點(diǎn)以下,將不會(huì)存在空腔諧振問題,因?yàn)楦鶕?jù)(1)式可以排除空腔諧振的存在性。

空腔諧振有什么問題?

當(dāng)一個(gè)電路被順利地設(shè)計(jì)、制造且運(yùn)作良好,但又需要用電路板蓋板作為保護(hù)或者屏蔽的時(shí)候,空腔諧振將成為一個(gè)問題。為達(dá)到屏蔽的目的,蓋板采用金屬制成或在內(nèi)膜上布滿金屬。這將在諧振可能存在的電路板上方形成一個(gè)空腔。當(dāng)工作頻率達(dá)到微波和毫米波段時(shí),空腔諧振影響已經(jīng)成為一個(gè)主要問題。

在完美導(dǎo)體包圍的矩形空腔中,TE011模式電磁場(chǎng)方程的解如下所示:

在公式(2)~(4)中,x、y和z軸已分別被指定為空腔最短、次短和最長的尺寸,另外,E0被定義為規(guī)范化電場(chǎng)強(qiáng)度。我們從(2)和(3)式中的j注意到,駐波具有E場(chǎng)和H場(chǎng)彼此相差90o的特性。整個(gè)空腔內(nèi)瞬態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之比將作為位置函數(shù)而劇烈波動(dòng),從而對(duì)電路造成未知(通常為不期望)的影響,包括引入了有源器件的不穩(wěn)定性。在空腔壁處,H場(chǎng)將達(dá)到最大值,這可能會(huì)導(dǎo)致在這些諧振頻率處,屏蔽效能被減弱。通常,被認(rèn)為是需要留意屏蔽材料的屏蔽問題,實(shí)際上卻是空腔諧振問題。

解決空腔諧振問題

任何解決空腔諧振問題的目標(biāo),都是去降低關(guān)鍵點(diǎn)的電壓駐波比(VSWR)。這些關(guān)鍵點(diǎn)可能是有源器件,微帶濾波器,或者甚至是連接到其他電路元件簡單直通線的輸入或輸出。如果可以減小空腔尺寸,截頻點(diǎn)將可能被提升到很高的數(shù)值,而不會(huì)在電路中產(chǎn)生空腔諧振問題。然而,加大空腔尺寸而又不對(duì)電路產(chǎn)生不利影響通常不可能實(shí)現(xiàn)。

將某一特定電路元件重新定位到空腔內(nèi)的不同位置也可以解決這個(gè)問題。另外,巧妙地分隔空間對(duì)抑制駐波也很有幫助,但這兩種方法會(huì)令工程設(shè)計(jì)時(shí)間增長并可能延誤生產(chǎn)。

在空腔內(nèi)使用微波吸收材料已被證明對(duì)抑制空腔諧振非常有效。吸波材料(特別是磁性種類)擁有極高的電容率和磁導(dǎo)率,以及高損耗值。由電容率和磁導(dǎo)率的基本定義可知,它們分別代表儲(chǔ)存電能和磁能的能力。將此概念引入空腔情形,電磁場(chǎng)方程的解表明能量主要存在于高電容率或高磁導(dǎo)率的材料。這將減少空腔(內(nèi)含微波電路)空區(qū)域內(nèi)的可用能量,從而減少阻抗變化和對(duì)電路的影響。

圖2是一個(gè)空腔內(nèi)駐波場(chǎng)(指定E、H或者兩者)電磁仿真的示例。圖中顯示的是一個(gè)諧振頻率為4.57GHz、3×5×0.8英寸空腔的TE032模式。三個(gè)不同的圖代表三個(gè)不同相位點(diǎn)(0o,45o,112.5o)的駐波場(chǎng)強(qiáng)(以伏特計(jì)算)。請(qǐng)留意能量如何均勻地分布在空腔內(nèi)。

圖2:空腔內(nèi)駐波場(chǎng)(指定E、H或者兩者)電磁仿真示例

圖3顯示的是圖2所示相同空腔的電磁仿真,但在空腔內(nèi)加入了一塊薄磁損耗吸波材料。請(qǐng)留意電磁能量幾乎全部駐留在吸波材料之中。使用吸波材料將顯著降低空腔內(nèi)空區(qū)域的VSWR。

圖3:與圖2所示相同空腔的電磁仿真,但在空腔內(nèi)加入了一塊薄磁損耗吸波材料

對(duì)部分填充空腔內(nèi)的場(chǎng)進(jìn)行電磁建模非常直接簡單,但在計(jì)算上稍顯繁復(fù)。圖2和圖3花了近一天時(shí)間得以完成。新版的一般電路建模軟件將具備吸波材料參數(shù)庫,以幫助預(yù)測(cè)引入吸波材料的影響。

為抑制空腔諧振應(yīng)用選擇合適的吸波材料

在選擇吸波材料之前,認(rèn)識(shí)到用于自由空間中的吸波材料和用于空腔中的吸波材料的區(qū)別非常重要。自由空間吸波材料的特點(diǎn)是,在特定頻率或狹窄的頻率范圍諧振。這是由于材料在四分之一波長厚度時(shí),在自由空間中吸收效果最好,當(dāng)然,這只發(fā)生在一個(gè)頻率。例如,ECCOSORB SF-10是一種磁負(fù)載自由空間吸波材料,諧振頻率為10GHz。其物理厚度為0.056英寸,可降低金屬表面反射達(dá)20dB。

在此頻率產(chǎn)生諧振并不是材料的固有特性,而是由于材料厚度,使得吸波材料在自由空間的單一頻率產(chǎn)生諧振。大多數(shù)微波吸收材料在本質(zhì)上都可以吸收微波頻段內(nèi)大范圍頻率的能量,在微波頻段內(nèi),典型材料損耗正切會(huì)隨著頻率的增加而減少。但是,由于波長也會(huì)同時(shí)縮短,每厘米傳播的總衰減損耗將會(huì)增加。如前文所述,高電容率、高磁導(dǎo)率,以及高損耗值都將可取。在可能放置吸波材料的空腔壁處,駐波E場(chǎng)的正切值為零,而H場(chǎng)則達(dá)最大值,這將使磁性吸波材料更加有效,即使價(jià)格相對(duì)較高。

在選擇空腔諧振吸波材料時(shí)需要考慮的重要因素包括:吸波材料基材,厚度,空腔內(nèi)吸波材料的安裝位置,易用性,以及成本。本文對(duì)每點(diǎn)都分別進(jìn)行了討論。

吸波材料基材

如之前所述,應(yīng)用于空腔諧振的吸波材料具有寬帶特性:材料本身在很寬的頻率范圍內(nèi)展示了高磁損耗和(或)高電介質(zhì)損耗。一些材料在較低的微波頻段內(nèi)擁有較好的吸收效果,而另一些則在較高的微波頻段及毫米波頻段內(nèi)擁有較好的吸收效果。細(xì)看制造商目錄將會(huì)發(fā)現(xiàn),某些材料只在特定頻率發(fā)生諧振,并且通常都是窄帶。這并不適用于空腔諧振的情況。在一個(gè)密閉空間內(nèi),這并不是一個(gè)考慮因素,而合適的度量應(yīng)為材料衰減能力、電容率和磁導(dǎo)率,這些才是反映材料抑制空腔諧振能力的較好指標(biāo)。

含鐵或鐵氧體的磁負(fù)載吸波材料是空腔諧振最有效的吸波材料。這些材料的特點(diǎn)是高電容率,高磁導(dǎo)率,以及高磁損耗?；耐ǔＪ窍鹉z,例如:硅膠或聚氨酯膠。常用的材料包括ECCOSORB MCS,它使用不同磁性材料的混合材料,以在2GHz以下頻段發(fā)揮良好的吸收性能(厚度為0.04英寸)。對(duì)于較高頻段,ECCOSORB GDS(0.03英寸)或ECCOSORBBSR(0.01~0.1英寸)已被證明能夠有效抑制空腔諧振。這些材料一個(gè)共同的品質(zhì)因數(shù)是,它們都用分貝每厘米來表示衰減能力。該數(shù)值由被測(cè)參數(shù)計(jì)算得到,是衡量材料吸收特性一個(gè)有用的標(biāo)準(zhǔn)。它不同于插入損耗,因?yàn)樗⒉话▉碜圆牧媳砻媸涞姆瓷洹８唠娙萋驶蚋叽艑?dǎo)率意味著能量傾向于駐留在吸波材料內(nèi)部(因此遠(yuǎn)離電路),同時(shí)高吸收率會(huì)降低空腔的Q值,從而降低VSWR。圖4顯示了一種設(shè)計(jì)用于微波頻段的吸波材料相對(duì)電容率和磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系。圖5則顯示的是該吸波材料衰減程度(以分貝每厘米表示)與頻率的關(guān)系。

圖4:吸波材料的相對(duì)電容率和磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系

圖5:吸波材料的衰減程度(以分貝每厘米表示)與頻率的關(guān)系

如圖4和圖5所示,該材料的高電容率、高磁導(dǎo)率、高磁損耗正切值和高衰減能力,令其成為抑制空腔諧振的理想選擇。相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部很高(在2GHz約為4),同時(shí),相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部也很高(約為40),這將使能量“希望”留在吸波材料內(nèi)部。請(qǐng)注意,相對(duì)電容率比相對(duì)磁導(dǎo)率高出很多非常常見。

僅含電介質(zhì)(非磁性)屬性的吸波材料也可以充當(dāng)有效的空腔諧振吸收材料。但由于在導(dǎo)電壁處電場(chǎng)為零而磁場(chǎng)達(dá)最大值,電介質(zhì)吸波材料在效果上不及磁性吸波材料。電介質(zhì)吸波材料通常由加載導(dǎo)電液的聚氨酯泡棉材料構(gòu)成。其可提供各種濃度,但與磁性吸波材料一樣,高電容率(實(shí)數(shù)和虛數(shù))將為吸收空腔諧振提供最佳性能。這些吸波材料同樣需要較厚(0.125英寸或以上),才能實(shí)現(xiàn)與磁性吸收材料相同程度的抑制效果,但是這通?？捎蛇@種電介質(zhì)吸波材料相對(duì)便宜的價(jià)格予以補(bǔ)償。用于該應(yīng)用的一種典型的電介質(zhì)吸收材料是ECCOSORB LS-26,它可提供不同厚度的選擇。LS-26是一種輕量的聚氨酯泡棉吸收材料,如果空腔可以容納較厚的吸波材料,電介質(zhì)泡棉吸波材料是可行的解決辦法。另一個(gè)問題是這種材料能夠?qū)щ?當(dāng)它接觸到電路上的有源器件時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問題。但是可以通過噴涂絕緣層或者使用聚乙烯薄膜來降低此風(fēng)險(xiǎn)。

選擇吸波材料感興趣的物理參數(shù)包括:耐溫性能、除氣性能和粘接性能。硅橡膠具有非常好的耐高溫性能(177oC)和良好的除氣性能,并且在現(xiàn)今市場(chǎng)上也是最受歡迎的材料。市場(chǎng)上可用的其他橡膠材料還包括:聚氨酯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠。

厚度

選擇吸波材料的厚度相當(dāng)簡單,因?yàn)橹C振抑制效果與厚度成正比。同時(shí),諧振抑制效果也與諧振頻率成正比,這意味著,較高的頻率可以使用較薄的材料。0.04英寸左右厚的磁性吸波材料已被證明能夠有效應(yīng)用于較低的微波范圍(直到10GHz),與此同時(shí),0.02~0.03英寸厚度能夠有效應(yīng)用于較高的微波頻段,而毫米波段則更是可以使用0.01英寸。而純電介質(zhì)(非磁性)吸波材料的厚度通常都不會(huì)小于0.125英寸。

空腔內(nèi)吸波材料的安裝位置

絕少情況下,空腔所有內(nèi)壁需要貼滿吸波材料,即使是其中一面內(nèi)壁,也沒有必要將其全部貼滿。然而不幸的是,由于用來確定吸波材料最佳安裝位置的分析工具尚未開發(fā)出來,工程師往往需要采用剪切粘貼和反復(fù)試驗(yàn)的方法。因此,出于這一原因,吸波材料供應(yīng)商一般都會(huì)慷慨地為其提供樣品。預(yù)先確定最佳安裝放置比較困難,因?yàn)橛袝r(shí)吸波材料用于抑制空腔諧振,有時(shí)又用于將VSWR峰值轉(zhuǎn)移到較有利的位置。

幸運(yùn)的是,吸波材料安裝位置具有一些一般原則可以遵循。把吸波材料安放在駐波最大值處是一個(gè)好的出發(fā)點(diǎn)。大多數(shù)空腔基本都呈矩形形狀,因此,(1)式可以用來確定可能的諧振頻率。通常,僅需要對(duì)主模進(jìn)行抑制。在這種情況下,場(chǎng)將會(huì)在空腔的中點(diǎn)位置達(dá)到一個(gè)最大值,該邏輯可很容易用于找出更高階模式的最大值。確定(1)式中的m、n和p,再加上對(duì)引起問題頻率的認(rèn)識(shí),將有助于確定最佳的吸波材料安裝位置。

易用性

橡膠和泡棉吸波材料,都可以輕松地用模具或者刀片切割。它們中大部分都配有不干膠壓敏膠紙(PSA)。這已成為一般的選用方法,因?yàn)樗苊饬耸褂寐闊┑娜軇┎牧虾驼澈蟿?而且現(xiàn)今壓敏材料的粘接質(zhì)量也非常出色。如果是長期的應(yīng)用,可采用環(huán)氧樹脂直接在空腔中成形。此應(yīng)用是利用雙組份的液態(tài)環(huán)氧樹酯吸波材料在蓋板空腔合適的位置直接成形。

成本

成本始終是最重要的考慮因素。一般情況下,大多數(shù)預(yù)算都沒有計(jì)入吸波材料的成本。事實(shí)上,吸波材料有時(shí)仍被認(rèn)為僅是在工程師設(shè)計(jì)出現(xiàn)缺陷后用來補(bǔ)救的東西。不過,相比于重新設(shè)計(jì)電路板蓋板或者重新布置電路元器件而言,吸波材料確是消除問題經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

正如前文所提到的,泡棉電介質(zhì)吸波材料最為便宜。如果一個(gè)殼體可以容納一個(gè)1/8英寸厚度的吸波材料,并且不需要考慮除氣性能,那么,泡棉電介質(zhì)吸波材料是一個(gè)很好的選擇。但是如果必須采用一種更薄的材料,和(或)需要避免除氣問題,那么硅橡膠磁性吸波材料將是最好的選擇。使用壓敏(PSA)膠帶是最具成本效益的吸波材料操作方式。由于越薄的吸波材料成本越低,因此以各種厚度做試驗(yàn)來確定能夠滿足要求的最薄尺寸將非常值得。最后,這也是審慎的做法,即以不同安裝位置做試驗(yàn),來確定解決空腔諧振問題所必需的最小覆蓋范圍。

本文小結(jié)

隨著電路工作頻率的增加速度較電路板空腔尺寸的減少速度更快,空腔諧振的問題將只會(huì)變得越來越普遍。聰明的工程師可以采用重新設(shè)計(jì)來解決這些問題,但是往往最快和最具成本效益的解決方案,卻是使用吸波材料來抑制空腔諧振。

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