Plata de absorção da supressão eletromagnética de ondas: Como o ruído próximo ao campo em sistemas eletrônicos de alta frequência é "absorvido" em vez de "refletido"

No design de circuitos digitais de alta velocidade e módulos de RF, um dilema de engenharia recorrente é que o ruído eletromagnético dentro do encerramento de escudo é repetidamente refletido dentro da cavidade metal, finalmente ainda se acoplando a circuitos sensíveis ou radiando para espaço externo. O escudo metal atrapa energia eletromagnética dentro da cavidade, mas não realmente a elimina. O comprimento de onda de ondas eletromagnéticas próximas à cavidade, embalagem de chips e conector é comparável ao tamanho estrutural, e a interferência secundária causada por ondas refletidas pode ser mais destrutiva do que o ruído original.

A abordagem para resolver esse problema precisa mudar de "reflexão" para "absorção". A função da placa de absorção da supressão eletromagnética de ondas é converter a energia de ondas eletromagnéticas incidentes em energia térmica dentro do material, em vez de refletir de volta para o sistema.

O mecanismo de perda central da absorção de placas de onda: como perda magnética e perda dielétrica funcionam juntos

A capacidade de atenuação de ondas eletromagnéticas de uma placa de ondas é determinada tanto pela permeabilidade magnética complex a (μ=μ '- j μ '') como pela constante dielétrica complexa (ε=ε' - j ε ''). Entre eles, a parte imaginaria da permeabilidade magnética μ '' reflete a intensidade da perda magnética, e a parte imaginaria da constante dielétrica ε '' reflete a intensidade da perda dielétrica.

Para a supressão de ruído em campo próximo na banda de frequência GHz, perda magnética é geralmente o mecanismo dominante. A perda magnética converte energia eletromagnética em energia térmica através de processos como ressonância da parede de domínio, ressonância natural e perda de corrente de eddy. Após a orientação e dispersão de pó magnético mole de nanocristalina em folha na matriz de resina, uma rede efetiva de perda magnética pode ser formada no intervalo de frequência de MHz a GHz. Tomando como exemplo o pó de carbonil de ferro, sua alta permeabilidade magnética e suas características de perda magnética têm vantagens de absorção significativas na faixa de frequência (dezenas de MHz a vários GHz).

No entanto, simplesmente aumentar perdas magnéticas não é suficiente. O grau correspondente entre a impedância da superfície do material e a impedância do espaço livre (377 Ω) determina a proporção de ondas eletromagnéticas entrando no material. Se a permeabilidade magnética aumentar enquanto a constante dielétrica não é controlada, o incumprimento da impedância levará a reflexão superficial aumentada, resultando em mais energia ser refletida de volta para o sistema. Portanto, o design de placas de ondas absorventes de alto desempenho requer um equilíbrio entre "perda magnética alta" e "coincidência de impedância": através do revestimento da superfície e dos processos de controle constante dielétrico, a razão de μ/ε é mantida dentro de uma janela favorável à incidência de ondas eletromagnéticas.

A relação correspondente entre espessura e frequência: por que placas absorventes mais espessas são necessárias para absorção de baixa frequência

Há uma relação definitiva entre a espessura correspondente da placa absorvente e a frequência alvo. De acordo com o princípio da correspondência de comprimento de onda trimestral, quando a espessura da camada absorvente é igual a um estranho múltiplo de um quarto do comprimento de onda da onda eletromagnética dentro do material, a fase da onda refletida da superfície é oposta à da onda refletida da superfície de trás, resultando em cancelação de interferência e minimizando a perda de reflexão. A fórmula para a espessura correspondente pode ser expressa como:

Entre eles, t_mPara corresponder à espessura, f_mPara corresponder à frequência, n é um n úmero estranho. Essa relação indica que à medida que a frequência alvo diminui, a espessura correspondente requerida aumenta. Isso significa que na faixa frequência de várias centenas de MHz a várias GHz, alcançar uma absorção efetiva muitas vezes requer camadas absorventes mais espessas.

Essa restrição física afeta diretamente o grau de liberdade na seleção de engenharia. Para fontes de ruído de baixa frequência (como a frequência de troca e suas harmonias de um suprimento de energia de troca), se o espaço permite, utilizando uma placa de absorção de ondas com diâmetro de 1 mm ou mais pode alcançar um bom efeito de absorção. Em cenários restritos ao espaço, é necessário alcançar a banda de frequência alvo que corresponda a espessuras mais finas aumentando a permeabilidade magnética do material. Por exemplo, uma placa de onda absorvente com uma parte real de permeabilidade magnética μ' de 200 pode cobrir a banda de frequência de 100 MHz – 8 GHz a uma espessura de 0,2 mm, com uma perda de reflexão de um único ponto de frequência de -22 dB.

Seleção do sistema material: limite aplicável entre o tipo de perda magnética e o tipo de perda dielétrica

Platas absorventes de ondas podem ser divididas em três categorias baseadas em seus mecanismos de perda, cada uma adequada para diferentes frequências e cenários:

Materiales de perda magnética dominam a supressão de ruído em campo próximo na faixa média a baixa de frequência (1 MHz – 6 GHz) porque o componente magnético em campo próximo nessa faixa de frequências é forte, e materiais de alta permeabilidade podem efetivamente acoplar e atenuar a energia de campo magnético. Materiales de perda dielétrica apresentam melhores características de absorção de banda larga em bandas de frequência mais elevadas (banda X e acima), mas muitas vezes requerem maior espessura para alcançar desempenho de baixa frequência comparável aos materiais de perda magnética. Ao integrar dois tipos de mecanismos de perda, o sistema composto dielétrico magnético pode alargar a largura de banda de absorção efetiva ao mesmo tempo que mantém a correspondência de impedância. A largura de banda de absorção efetiva de alguns sistemas pode exceder 9 GHz.

Três julgamentos de engenharia em seleção

Os engenheiros sugerem priorizar os seguintes três pontos quando avaliam os absortores, pois sua ordem afeta diretamente a racionalidade da solução final.