吸波材料及其在手機電磁兼容設計中的應用

1、囂硪；設計與實現；手機電磁兼容設計中的應用王國強上海交通大學【關鍵詞吸波材料電磁兼容手機雜散輻射引言隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子產品正迅速向節(jié)能化方向發(fā)展。這些擁有各種個性化娛樂功能的電子產品的普及，在很大程度上豐富了人們的物質生活需要；但化、智能化、信息化、多系統、多功能及娛樂性等多元與此同時，也不可避免地帶來了一些問題，尤其是電磁兼容（）問題。電磁兼容問題的存在，往往使電收稿日期：子、電氣設備或系統不能正常工作，性能降低，甚至受氮一“糯參考文獻【】，【作者簡介】陳輝：華南理工大學電子與信息學院通信與信息系統專業(yè)級研究生，郭隊正連職參謀，主要研究方向為移動通信基站天線。嵩【】，：【】宋社連，

2、傅炳芳洪傳禮廠中華人民共和國通信行業(yè)標準【】，】，薛鋒章：華南理工大學電子與信息學院研究員，碩士研究生導師，長期從事天線與微波技術、移動通信領域的科研工作，目前的主要研究方向為移動通信天線。有多項科研及專利成果，已發(fā)表論文多篇囂瑟詈臻萬方數據：責任編輯：左永君到損壞。為解決這些問題，全球各地區(qū)基本都設置了與電磁兼容相關的市場準入認證，用以保護本地區(qū)的電磁環(huán)境。如：北美的、認證，歐盟的認證，日本的認證，澳洲的認證，臺灣地區(qū)的認證。中國的認證等。此外，由于消費類電子產品集成的功能越來越多，以手機為例，目前市場上一部智能手機。往往同時集成有移動通信、藍牙、攝像頭等，另外還具有、等多媒體功能，這使得手

3、機的工作頻率越來越高，系統內部各個子模塊之間的互相干擾也變得很突出。因此，電子產品內各子系統之間的電磁兼容設計問題也更加突出，在一定程度上增加了電子產品設計的難度。鑒于此，如何有效地解決電子產品的電磁兼容問題，為產品贏得市場機會。成為每一個電子產品設計工程師必須予以足夠重視的問題。而由于目前消費類電子產品的便攜化、小巧化、多通信系統融合及智能化等趨勢，使得在進行電子產品電磁兼容設計時，一些傳統的設計方法無法應用。比如：使用全封閉的金屬外殼，各子系統之間保證足夠的距離，產品內使用屏蔽罩等。因此，必須采用一些新型的電磁兼容設計方法和材料。其中，吸波材料作為一種新型的屏蔽材料。具有“輕、薄”特征的產

4、品已經面世，使得在手機產品的電磁兼容設計中應用吸波材料作為屏蔽材料成為可能。吸波材料介紹所謂吸波材料，是指能夠將投射到它表面的電磁波大部分吸收并轉化成其他形式的能量（主要是熱能）而幾乎無反射的材料。對于吸波材料的研究，起初是為適應現代戰(zhàn)爭的需要世紀年代，由于雷達的面世，引發(fā)了對于吸波材料的研究。年代，美國開始把吸波材料用于隱形飛機技術中，海灣戰(zhàn)爭隱形飛機的成功使用。使世界各國加大了對吸波材料研究的力度。隨著技術的發(fā)展，由于在民用領域電磁兼容問題日益嚴重，吸波材料責任編輯：左永君：二萬方數據；設計與實現攫；的應用與研究已遠遠超出軍事應用范圍，而更廣泛地用于微波暗室、電磁屏蔽、降低光學器件反射、避

5、免通訊設備干擾、建筑防輻、消除電視重影等許多方面陋?；驹碓O材料的介電常數和磁導率分別為，和，自由空間的介電常數和磁導率分別為。和。入射電磁波從自由空間照射在吸波材料上時（如圖），依據方程及邊界條件可知，當電磁波垂直入射時，材料界面的復反射系數為【】：廳磊）（）（）其中。并分別為吸波材料和自由空間的阻抗。圖電磁波從自由空間入射到吸波材料當電磁波作用在吸波材料上時，會使吸波材料內部產生磁化和極化，并對外加磁場產生影響。材料內部的電感應強度口、磁感應強度呂與電場強度、磁場強度之間的關系是：（），（）電、磁介質材料可以分別用自由空間部分及材料本身部分的電磁特性來加以描述。復介電常數（）和復磁導率（

6、所）是吸波材料電磁特性的兩個基本參數，寫成復數形式為：一滔、。一弘、式中：、以分別為吸波材料在電場和磁場作用下產生的極化和磁化程度的變量；。為在外加電場下，材料電偶矩產生重排引起損耗的量度；。為在，磁場作用下，材料磁偶矩產生重排引起損耗的量度。由此可見，對介質而言，承擔著電磁波吸波功能的是介電常數翥麓蚤蒜年第期強強；設計與實現和磁導率的虛部。和所。，它們引起能量的損耗。吸波材料對電磁波能量的吸收，可以由下式來表示吲：時，往往會采用多層吸波材料或阻抗?jié)u變的吸波材料。己只乞圭盯盯圭矚舊圭嗍一時式中：尸】：單位體積吸波材料所吸收的電磁能量；目】：入射電磁波的電場強度；圖具有匹配層的多層吸波材料設計】

7、：入射電磁波的磁場強度；盯【】：材料的電導率；【一】：電磁波的角速度，廠。廠是電磁波的頻率；，】：真空的介電常數，綜上所述，吸波材料要實現吸收電磁波的功能，必須滿足阻抗匹配及衰減匹配這兩個條件；且在設計時，必須采用一些方法來解決阻抗匹配與衰減匹配之；間的矛盾。吸波材料對電磁波的吸收能力，取決于材料的電導率、介電損耗及磁損耗，介電損耗取決于復介電常數的虛數部分，對電場起作用；而磁損耗由復磁導率的虛數部分決定，作用于磁場。因此，可以利用微波吸波材料的介電損耗來吸收電磁波的電場部：材料的復介電常數；】：真空的磁導率，；所：材料的復磁導率。為使吸波材料實現吸收電磁波的功能，首先必須能夠使電磁波不反射，

8、必須使得電磁波在材料界面的復反射系數為，亦即要求么磊，即吸波材料必須滿足阻抗匹配的條件。如電磁波是由自由空間入射到吸波材料，自由空間的阻抗是乙，那么，此時要求吸波材料的阻抗必須為。此外電磁波在入射到吸波材料內后。還，必須能夠分，這種類型的吸波材料稱為介電型吸波材料。在使用介電型吸波材料時，如果應用在距離射頻電路很近的鐵及鐵氧體之類的磁性材料，被稱為磁性吸波材料，這些材料對于直流來說是絕緣的，因此可以以直接接觸的方式應用于內部電路。分類在一定的足巨離內被衰減掉。電磁波在介質內傳播時，其能量的衰減與傳輸距離呈指數關系：?？谑俏ú牧系乃p常數，可以由下式表示】：一（工，）償反，（），（）一（）】（

9、）其中，日（弓一最。所），（與所一卑所吸波材料有許多分類方法，一般來講，主要有以下幾種：（）按損耗機理，可分為介電型吸波材料和磁性吸波材料。介電型吸波材料的主要特點是具有較高的介電常數和介電損耗角，以介質的電子極化或界面衰減來由式（）可以看出，要在較短的距離內實現很大的衰減，口必須很大，也就是說，導、。、所及所。必須很大。這是吸波材料實現吸收電磁波功能所必須滿足的另外一個條件，即吸波材！斗，須滿足衰減匹配。然而，我們發(fā)現。實際上這兩個條件是相互矛盾的：要滿足衰減匹配的要求，、昂。、所及所必須吸收電磁波。磁性吸波材料損耗機理主要為鐵磁共振吸收，具有較大的磁損耗角，以渦流損耗、磁滯損耗、剩余損耗衰

10、減來吸收電磁波。（）按成型工藝和承載能力?？煞譃橥扛残秃徒Y構型。涂覆型吸波材料是具有電磁波吸收功能的涂料。其工藝簡單，使用方便，因容易調節(jié)而受到重視。隱形兵很大，而這又會導致反射系數變大。因此，在實際設計未翟螽蒜：責任編輯：左永君萬方數據器幾乎都是用了涂覆型吸波材料。結構型吸波材料具有承載和吸波的雙重功能，其結構形式有蜂窩狀、角錐狀和波紋狀等。（）按吸收原理可分為吸收型和干涉型。吸收型吸波材料本身對雷達波進行吸收損耗，基本類型有復磁導率與復介電常數基本相等的吸收體、阻抗?jié)u變。寬頻”吸收體和衰減表面電流的薄層吸收體；干涉型則是利用吸波層表面和底層兩列反射波的振幅相等、相位相反進行干涉相消，如波長

11、“諧振”吸收體。這類材料的缺點是吸收頻帶較窄。（）按研究時期，可分為傳統吸波材料和新型吸波材料。鐵氧體、鈦酸鋇、金屬微粉、石墨、碳化硅、吸波材料研究較多，性能也較好。新型吸波材料包括納擬吸波材料等，它們具有不同于傳統吸波材料的吸波機理。其中納米材料和多晶鐵纖維是眾多新型吸波材料中性能最好的兩種。其中，如前所述，鐵氧體等磁性吸波材料，由于在直流工作時具有不導電的特性，因此可以直接貼附于發(fā)出等對產品尺寸要求較高的消費類電子產品中應用。吸波材料在手機電磁兼容設計中的應用手機在工作時，會不斷往外發(fā)射電磁波，最大功率可以達到，這對周圍環(huán)境的影響是很大的。比如，在手機通話的過程中，如果與固定電話距離較近，

12、且固定電話也在通話，那么，我們經常會在固定電話的手柄中聽到“滋滋滋”的聲音，非常刺耳。這就是典型的手機對固定電話的干擾現象。因此，為避免手機在工作時對周圍環(huán)境的干擾，必須對手機工作時的一些不必要的輻射（）進行限制。國際上對此有嚴格的限制，其中與手機相關的國際規(guī)范（）對此的規(guī)定如表所示晦】：責任編輯：左永君萬方數據弱設計與實現東表對雜散輻射的限制電平（）頻率（），一一一一一在處理手機的雜散輻射時，常用的措施有濾波、屏蔽等，而在某些特殊的情形下吸波材科的應用也是一個很好的解決辦法。下文通過一個典型案例，闡述吸波材料在解決手機雜散輻射問題時的應用。在本案例中，手機在耦合雜散輻射性能上不能滿足上述規(guī)范

13、的要求，主要的問題為：在手機各個頻段反射的二次諧波處，超出限制值。測試數據如表所示：表原始耦合二次、三次諧波測試數據（）二次諧波一三次諧波一從上述原始數據來看。手機在各頻段的二次、三次諧波點處超出了規(guī)范的要求，并且最大超出了。而手機在傳導測試時，各頻段的二次、三次諧波性能正常，完全滿足規(guī)范的要求，如表所示：表手機在傳導情形下的二次、三次諧波測試數據（）二次諧波一三次諧波一因此，需要進一步查找其他的原因。經排查發(fā)現，手機中內置的天線與該項測試有著明顯的相關性：當去除天線時，測試結果一切正常。能夠完全滿足規(guī)范要求；而在安裝上天線后，測試結果大大惡化。然而，在進行此項測試時，部分功能是完全處于關斷狀

14、態(tài)的，所以手機在耦合狀態(tài)下所測試到的二蠡年第期翟詈，臻；嘲設計與實現；次、三次諧波處的雜散輻射，應不是由天線本身輻射出來的。經仔細觀察，發(fā)現天線與手機天線位置相對，處于手機主板的兩端，天線背面有一個大的金屬地平面，且與手機天線相距。因此，懷疑是這塊金屬地平面形成了一個反射面。將手機天線發(fā)射出的電磁波反射回去，從而形成了能量的疊加，惡化了二次、三次諧波處的雜散輻射性能（如圖所示）。作為一種解決對策，在天線背面的金屬平面處粘貼一鐵氧體吸波材料，重新進行此項測試，結果得到了很大的改善，如表所示。圖手機內部布局圖表粘貼吸波材料后的測試結果（）二次諧波一三次諧波二次諧波改善幅度三次諧波改善幅度一由表可以

15、看出，在天線背面的金屬平面上粘貼吸波材料后，確實起到了吸收電磁波、減少反射的作總結近年來，隨著民用產品電磁兼容設計需求的不斷增多，吸波材料的應用場合已經遠遠超出最初的軍事領域，不斷向民用方向發(fā)展。同時。適合于民用產品如手機的電磁兼容設計等應用的產品也不斷被開發(fā)出若翟蚤蒜萬方數據的電磁兼容設計問題時是很有效的。隨著電子產品的小型化、多功能化、數字化發(fā)展以及工作頻率的不斷波材料在這些產品的電磁兼容設計方面，將可發(fā)揮越來越大的作用。釜簍一！。：參考文獻。一一，參考文獻。一，】趙靈智，胡社軍等吸波材料的吸波原理及其研究進展【現代防御技術（：】孟建華，楊桂琴，等吸波材料研究進展【磁性材料及器件，（）：”

16、一【（】：，【：【】一：（）：（）；：）【】（）：一，一【作者簡介】王國強：上海交通大學電子與通信工程專業(yè)在讀工程碩士，現任職于司，從事射頻系統集成設計工作：責任編輯：左永君吸波材料及其在手機電磁兼容設計中的應用作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數：王國強上海交通大學移動通信MOBILE COMMUNICATIONS2010，34(18)0次參考文獻(5條)1.ETSI 3GPP TS 51.010-1 V9.0.1.3rd Generation Partnership Project;Technical SpecificationGroup.GSM/EDGE Radio

17、Access Network Digital Cellular Telecommunications System(Phase 2+); MobileStation(MS)Conformance Specification; Part 1:Conformance Specification(Release 9) 20102.Xingcun Colin Tong Advanced Materials and Design for Electromagnetic Interference Shielding 20093.Sony Sony' s electromagnetic wave a

18、bsorber reduces EMC and SAR problem 20084.孟建華;楊桂琴 吸波材料研究進展期刊論文-磁性材料及器件 2004(04)5.趙靈智;胡社軍 吸波材料的吸波原理及其研究進展期刊論文-現代防御技術 2007(01)相似文獻(10條)1.期刊論文 袁力.Yuan Li 射頻吸波材料波導測試法裝置的仿真分析 -電子質量2007(1)射頻吸波材料在電磁兼容(EMC)領域有著廣泛的應用,密閉波導測試法是吸波材料性能測試的重要手段,適用于500MHz-1GHz頻率范圍,具有所需試樣數目較少的優(yōu)點.本文介紹了波導法的基本原理和實驗室設計完成的波導法裝置結構,并對影響波導法

19、裝置性能的因素進行仿真分析,在分析的基礎上優(yōu)化結構設計.2.學位論文 陳生 吸波材料抑制孔腔諧振研究 2008隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們在生產和生活中使用的電氣及電子設備的數量越來越多，引發(fā)電磁兼容問題(Elcctmmagneliccompatibility，EMC)也越來越嚴重，屏蔽作為抑制電磁干擾的一個重要手段，在的電子設備中得到了越來越廣泛的應用。電磁屏蔽主要是利用了良導體對電磁波產生的反射來實現電磁隔離的，從而容易引發(fā)諧振問題，吸波材料是指能夠吸收衰減入射電磁波能量，并通過材料的介質損耗使其電磁能轉換成熱能或其他能量形式的一類材料，貼裝吸波材料是解決系統電磁兼容問題的一個非常有效的方

20、法。本文圍繞吸波材料抑制孔腔諧振這一問題展開了理論研究和仿真工作，具體的工作如下：1、介紹了腔體的諧振頻率和場強分布，研究了基于廣義網絡法的諧振孔一腔分析，并利用成熟的仿真軟件加以仿真驗證，同時吸波材料的損耗特性和諧振條件有機地結合起來：2、分析了吸波材料的吸收原理、性能、類型并從路的角度出發(fā)推導了反射系數的求解過程；3、研究了吸波材料和腔體相互作用的微擾理論，推導了吸波材料相應電磁參數對腔體諧振參數的影響；研究了有限元算法在解決具有復雜邊界和復雜介質加載的孔腔諧振問題上的應用；4、在理論上證明了有限元算法的適用性以后，隨后借助成熟的商業(yè)軟件平臺，對吸波材料抑制孔腔諧振問題給出了詳細的建模過程

21、并進行了大量的仿真，研究了吸波材料種類、貼裝位置和電磁參數對諧振抑制效果的影響；針對外部干擾源通過孔縫耦合引起腔體諧振的情況，分析了吸波材料在不同種類孔縫下對諧振的抑制效果；針對內部電子器件輻射發(fā)射會引起諧振的情況，研究了內置印制電路板在不同位置和不同孔縫條件下，通過腔體諧振向外泄漏被吸波材料抑制情況；最后總結得出利用吸波材料抑制孔腔諧振所要遵循的基本原則。3.期刊論文 陶振聲.范學偉.王倩.舒揚.TAO Zhen-sheng.FAN Xue-wei.WANG Qian.SHU Yang 鐵氧體吸波材料的性能與應用 -磁性材料及器件2007,38(5)隨著電子技術的高速發(fā)展,對電磁兼容的要求越

22、來越高,吸波材料的應用越來越廣泛.本文對鐵氧體吸波材料原理、性能、工藝及應用進行了總結,重點介紹了北礦磁材的鐵氧體吸波材料, 最后對鐵氧體吸波材料的未來發(fā)展前景進行了展望.4.期刊論文 孟東林.沙斐.王國棟.陳嵩.肖恒杰.Meng Donglin.Sha Fei.Wang Guodong.Chen Song.Xiao Hengjie 電波暗室用吸波材料的性能優(yōu)化和選用 -安全與電磁兼容2005(z1)論述了電波暗室用吸波材料的性能,電波暗室大小對吸波材料性能的影響以及選用標準.著重闡述了吸波材料的全波分析優(yōu)化方法,并用于研究聚氨酯角錐吸波材料的不同含碳量、鈍口、空心、不同結構以及混合吸波材料等

23、對反射率性能的影響.5.學位論文 白保東 電磁兼容暗室特性的時域分析研究 2006電磁兼容暗室是電磁兼容性研究的關鍵設備，采用計算機分析、預測并設計其性能是當前電磁兼容性研究領域的熱點問題。而且，構建準確的電磁兼容暗室的計算機模型也是開展電磁兼容虛擬研究與設計的基礎，具有重要的工程應用價值。本文針對電磁兼容暗室時域分析及設計中的關鍵問題開展研究。主要工作及解決的問題是：1.考慮吸波體制造工藝中材料電導率的存在及影響，構建了有耗材料棱錐型吸波體時域分析模型。采用有限差分法格式模擬及分析了不同設計參數下吸波體陣列對電磁波的吸收作用。2.針對吸波材料特殊的色散特性，基于數字處理技術給出了一個新的考慮

24、介電常數色散特性、導磁率色散特性及電導率的多參數三維時域有限差分法格式、邊界條件和算法，從而能夠在不同入射波條件下更準確地模擬色散特性吸波材料中的電磁場。3.針對電磁兼容暗室性能難以模擬這樣的電大問題，利用小波尺度函數，給出了一個新的考慮材料有耗參數及色散特性多分辨率時域分析算法，并在此基礎上實現了對暗室性能的有效分析與預測。4.建立了考慮吸波材料有耗特性、色散特性的電磁兼容暗室計算機仿真模型。在此基礎上對暗室歸一化場地衰減等性能進行了分析研究。驗證了本文提出的改進型MRTD方法。本文針對電磁兼容暗室的設計與分析，提出了系統的復雜材料時域分析算法。對吸波體電磁波作用機理開展了比較深入的研究。提

25、出了解決色散材料模擬、電大問題計算、暗室性能分析等問題的方法，對電磁兼容暗室設計以及電子、電氣產品虛擬電磁兼容性研究提供了有效的分析理論與工具。6.會議論文 曲長云.周利華.肖漢流 超寬帶高性能鐵氧體瓦和介質尖壁組合吸波材料的研究和應用 1996該文敘述了電磁兼測試用屏蔽半暗室的特點，由于它要求的頻帶極寬，用一般介質尖劈材料成為不可能。該文介紹了屏蔽半暗室的特點及組合吸波材料的研制并給出組合吸波材料反回損耗測試結果。7.期刊論文 柏訓基.BAI Xun-ji 射頻吸波材料拱形法測試系統的軟件開發(fā)與應用 -機械2008,35(10)隨著電磁兼容的不斷發(fā)展和電磁波吸波材料的應用日益廣泛,拱形法作為

26、1 GHz以上頻率測試射頻吸波材料吸波性能的主要方法,對其研究有著重要意義.基于該測試方法的具體要求,針對該方法測試數據量龐大、數據處理和分析復雜等特點,在Lab VIEW開發(fā)環(huán)境下,編制了一套拱形法測試系統軟件,包括:計算機與矢量網絡分析儀通信模塊;測試數據和信息寫入ACCESS數據庫模塊;測試數據讀取并顯示模塊.通過開發(fā)軟件,不僅可以再現射頻吸波材料反射系數的幅頻特性曲線,而且可以顯示出反射系數的幅度-高度曲線和幅度-角度曲線,還可同時顯示僅某一測試參量不同的多條反射系數幅頻特性曲線,以利于反映材料反射系數隨各種測試參量的變化情況,另外程序也可將相同測試條件下不同吸波材料的反射系數幅頻特性曲線顯示在同一圖形中,從而可以方便地對不同吸波材料的吸波性能進行對比分析.實驗表明,測試軟件可以應用于拱形法測試,并有效地提高了測試以及處理、分析測試數據的效率.8.學位