Az 5G egy széles fejlesztési terület, és számos jelentős probléma van: többek között az 5G ultra nagy frekvenciatartományának általános meghatározatlansága, a rövid, mindössze méteres átviteli hosszúságok és a lényegesen több helyi hálózati infrastruktúra szükségessége. Egy másik nagy kihívás az EMI, az elektromágneses zavar, amely egy külső, akár ember által, akár a természetben előforduló forrás által okozott zavar, amely elektromágneses indukció vagy kapacitív csatolás révén hatással lehet egy elektronikus alkatrészre vagy eszközre.
Felhasznált anyagok
A megoldás az EMI-árnyékolás lehet, nevezetesen olyan speciális anyagok beépítése az elektronikus eszközök szerkezetébe, amelyek blokkolják mind a külső jelek belépését és megzavarását, mind a belső jelek kilépését és a környező elektronika zavarását. Az EMI-árnyékolás tudománya korántsem egyszerű, és számos téma átfogó megértését igényli, beleértve az anyagtudományt és az elektromágneses elméletet.
Természetesen számos bevált EMI árnyékolási megoldás működik már világszerte, de az 5G ultra magas frekvenciái új gondolkodást igényelnek.
A Parker Chomerics CHO-SHIELD® szabadalmaztatott, vezetőképes bevonatokat tartalmazó termékcsaládját a valós helyzetekben adódó 5G EMI-árnyékolási feladatokhoz fejlesztették ki. A termékcsalád minden egyes bevonata egy adott vezetőképes töltőanyag (például nikkel, arany vagy réz) előnyeit alkalmazza, és a következő négy gyantatípus egyikét tartalmazza: akril, epoxi, poliészter vagy poliuretán. A bevonatok egyedi jellemzői – bár lényegükben hasonlóak – minden terméknek lehetőséget adnak különböző alkalmazások kiszolgálására.
Ahhoz, hogy ezek az anyagok megfeleljenek az 5G alkalmazások követelményeinek, két nagyon különböző módszerrel végzett, átfogó tesztelésre volt szükség. A nagyfrekvenciás EMI árnyékolás tesztelésére a múltban ritkán került sor, így a bevált vizsgálati módszerek korántsem szokványosak.
Az elsődleges cél az volt, hogy a 18 GHz feletti nagyfrekvenciás alkalmazásokra szánt EMI-anyagokra összpontosítsunk, így a kifejezetten az 5G piacon való felhasználásra szánt, vezetőképes bevonattal ellátott termékeket, nevezetesen a CHO-SHIELD® 604, 608, 610, 2044 és 2056 termékeket értékeltük. Ezek a termékek ezüst poliuretán, ezüst epoxi poliészter, ezüst réz epoxi, nikkel akril és réz akril gyantákat alkalmaznak.
Egyedülálló vizsgálati módszer
A nagyfrekvenciás árnyékolás hatékonyságának mérése iránti növekvő kereslet kielégítésére a Parker Chomerics kifejlesztett egy egyedülálló vizsgálati módszert és berendezést: a nagyfrekvenciás árnyékolás hatékonyságának vizsgálatára szánt burkolatot, vagy röviden „Mini Box”-ot. A Mini Box egyfajta kisméretű IEEE-STD-299 tesztberendezés, amely 115 GHz-ig terjedő frekvenciákon képes értékelni az árnyékolás hatékonyságát. Az árnyékolás hatékonyságának vizsgálatára jellemzően használt nagyméretű tesztkamrák a berendezések kábelhossza és a szabványos berendezések használata miatt nem alkalmasak erre a feladatra. Továbbá az átviteli impedancia vizsgálati módszerek 1–10 GHz felett nem használhatók a vizsgálóberendezés és a minta mérete miatt.
1. ábra – A Parker Chomerics Mini Box ereje az egyszerűségében rejlik
Ami a vizsgálati mintákat illeti, CHO-SHIELD® vezetőképes bevonatokat vittek fel (permetezéssel) egy 133 mm átmérőjű Ultem műanyag korongra, amelyet főként azért választottak, mert a permittivitás és a permeabilitás értékei nem befolyásolják a vizsgálati adatokat.
Ennek a mintaméretnek az az előnye, hogy ugyanaz az átmérő alkalmas az ASTM D4935 és az IEEE-STD-299 szerinti vizsgálatra akár a fő tesztkamra, akár a Mini Box használatával. Így egyetlen vizsgálati minta lehetővé teszi a vizsgálati adatok gyűjtését 30 MHz-től 110 GHz-ig, bár ezekben a konkrét vizsgálatokban a 18 GHz-től 115 GHz-ig terjedő frekvenciatartományra összpontosítottunk.
2. ábra – A Mini Box használatával végzett vizsgálatoknál egy 100 mm átmérőjű gyűrű tartotta és szorította a vizsgálati mintát a helyén
Két tesztberendezés
A tesztelésre két berendezéssel került sor: a fő tesztkamra a 20 GHz és 40 GHz közötti frekvenciák tesztelésére; és a Mini Box a 40 GHz és 115 GHz közötti frekvenciák tesztelésére.
A fő tesztkamra egy 3,7 x 6 méteres, hegesztett acélkamra, két résszel és egy közös fallal rendelkezik, ahol egy hozzáférési panel található, amelyen a vizsgálati minta helyezkedik el. A tesztkamra egyik oldalán az adókészülék és az antenna, míg a másik oldalán a vevőkészülék és az antenna található. Az ebben a tesztkamrában végzett IEEE STD-299 tesztek hagyományos spektrumanalizátort, erősítőket és antennákat használnak, amelyek megfelelőek a kívánt frekvenciatartomány lefedésére.
3. ábra – A Parker Chomerics tesztkamra vázlata a vizsgálati minta és az antennák elhelyezkedésével
Ezzel szemben a Mini Box vizsgálati módszer a Keysight N5225A hálózati analizátor előnyeit használja ki. Az átviteli együtthatót két alkalommal mérik, egyszer úgy, hogy az anyag a helyén van a Mini Boxon, egyszer pedig úgy, hogy a két antenna között nincs semmi (IEEE-STD-299 nyílt referencia). A két átviteli együttható közötti különbség megállapításával határozható meg a kérdéses anyag árnyékolási hatékonysága.
4. ábra – A Mini Box tesztberendezés különböző komponenseit bemutató ábra
Az 5G alkalmazások nagyfrekvenciás tesztelése a „szabad tér” referenciavizsgálati módszerrel történt. Mindkét esetben (fő tesztkamra és Mini Box) az adó- és vevő antennák közvetlenül egymás felé mutattak, ugyanolyan távolságra egymástól, mint a végső árnyékolási hatékonyság méréseknél.
5. ábra – A vizsgálatot a „szabad tér” referenciavizsgálati módszerrel végezték
A végső vizsgálat után kiszámítható volt az árnyékolás hatékonysága a nyílt referenciamérés során kapott érték és a végső mérés közötti különbség alapján, decibelben (dB) kifejezve.
Lenyűgöző árnyékolási hatékonyság
Az eredmények valamennyi CHO-SHIELD® anyag esetében erős árnyékolási hatékonyságot mutatnak:
- CHO-SHIELD® 604: 60–82 dB (20–40 GHz) és 55–71 dB (40–115 GHz)
- CHO-SHIELD® 608: 79–83 dB (20–40 GHz) és 66–79 dB (40–115 GHz)
- CHO-SHIELD® 610: 79–95 dB (20–40 GHz) és 63–81 dB (40–115 GHz)
- CHO-SHIELD® 2044: 44–50 dB (20–40 GHz) és 43–54 dB (40–115 GHz
- CHO-SHIELD® 2056: 69–81 dB (20–40 GHz) és 63–85 dB (40–115 GHz)
Ahogyan az várható volt, vannak különbségek, de általában véve az összehasonlítás kivételes, figyelembe véve a vizsgálati módszerek közötti különbségeket.
Az eredmények azt mutatják, hogy az 5G piacra szánt vezetőképes bevonatok rendkívül hatékony megoldások az EMC-tervezésben. Az árnyékolás hatékonysága az adott frekvenciától függően jellemzően 40 és 80 dB között mozog.
6. ábra – A CHO-SHIELD® 604 árnyékolási hatékonyságának eredményeit két különböző vizsgálati frekvencián bemutató grafikon
Végül megjegyezzük, hogy a Parker Chomerics olyan árnyékolási hatékonysági tesztberendezéseket és vizsgálati módszereket tervez és használ, amelyek tükrözik a tényleges alkalmazásban használt vezetőképes bevonat termékét. A vállalat teljes körű közzétételi megközelítést alkalmaz az anyagok értékelése során. A széles körű tapasztalatok azt mutatják, hogy a végfelhasználók az általa közzétett vizsgálati adatokhoz hasonló árnyékolási hatékonysági eredményeket érnek el.
Szerző: David Inman, alkalmazások és tesztelési szolgáltatások vezetője
Chomerics: A Chomerics a Parker Hannifin Corporation egyik részlege, és az Engineered Materials csoport része. Világszerte vezető szerepet tölt be az elektromos és hővezető anyagok fejlesztése és alkalmazása terén az elektronikában, a közlekedésben és az alternatív energiarendszerekben. A részletekért látogasson el ide: www.parker.com/chomerics
Parker Hannifin: A Parker Hannifin a rangos Fortune 250 listában szereplő, a mozgató- és vezérlőrendszerek terén globális szinten piacvezetőnek minősülő cég. A vállalat már több mint 100 éve jár élen a jobb jövőhöz vezető innovatív mérnöki megoldások kidolgozása terén. További információ a www.parker.com weboldalon vagy a @parkerhannifin címen áll rendelkezésre.
