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關(guān)于光通信模塊中電磁兼容結(jié)構(gòu)的研究

作者: 時(shí)間:2017-10-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  1 引 言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/366027.htm

  隨著通信技術(shù)的發(fā)展,光模塊以及設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加,使電磁環(huán)境日益復(fù)雜,電磁污染越來越嚴(yán)重。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中,如何減少各種電子設(shè)備之間的電磁騷擾,提高光模塊的性能,使各種設(shè)備可以共存并能正常工作,已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

  EMC(ElectromagneTIc CompaTIbility)設(shè)計(jì)的目的是:電子設(shè)備或系統(tǒng)能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作,無性能降低或故障;同時(shí),對(duì)該電磁環(huán)境不是一個(gè)污染源。為了實(shí)現(xiàn),首先要分析形成電磁干擾的因素,才能找到解決問題的方法。

  形成電磁干擾必須同時(shí)具備以下三因素:

 ?、?電磁騷擾源,指產(chǎn)生電磁騷擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

  ② 耦合途徑或稱耦合通道,指把能量從騷擾源耦合(或傳輸)到敏感設(shè)備上的通路或媒介。

 ?、?敏感設(shè)備,指對(duì)電磁騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

  針對(duì)以上三個(gè)因素,有多種途徑可以抑制電磁干擾的影響,而從光模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),采用電磁屏蔽的方法來切斷電磁騷擾的耦合途徑,是改善其電磁兼容性能的關(guān)鍵而行之有效的技術(shù)手段之一。

  2 電磁屏蔽結(jié)構(gòu)分析

  2.1 屏蔽效能

  電磁屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離,以控制電場、磁場和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講,就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的騷擾源包圍起來,防止騷擾電磁場向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來,防止它們受到外界電磁場的影響。因?yàn)槠帘误w對(duì)來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的騷擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量、反射能量和抵消能量的作用,所以屏蔽體具有減弱騷擾的功能。

  屏蔽體對(duì)輻射騷擾的抑制能力用電場屏蔽效能SE或磁場屏蔽效能SH來表示:

  SE=20lg(E1/E2)(dB)

  SH=20lg(H1/H2)(dB)

  式中E1、H1分別為未屏蔽時(shí)測得的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度;E2、H2分別為屏蔽后測得的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。

  2.2 屏蔽材料

  要確定應(yīng)該使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能和材料的什么參數(shù)有關(guān)。根據(jù)屏蔽的機(jī)理可以將屏蔽分為三大類:電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

  電場屏蔽是為降低騷擾電場對(duì)敏感電路的耦合電壓,在騷擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體,并將金屬屏蔽體接地。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地,就能使騷擾電場對(duì)敏感電路的耦合電壓變得很小。電場屏蔽以反射為主,因此屏蔽體的厚度不必過大,可采用薄層屏蔽或者在塑料上鍍一層薄的導(dǎo)電層。

  磁場屏蔽有低頻和高頻之分。低頻磁場屏蔽是利用高導(dǎo)磁率的材料構(gòu)成低磁阻通路,使大部分磁場被集中在屏蔽體內(nèi)。因此屏蔽體的導(dǎo)磁率越高,厚度越大,磁阻越小,磁場屏蔽的效果越好。當(dāng)磁場頻率較高時(shí),高導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率下降,磁損增加,而應(yīng)采用高導(dǎo)電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場來抵消騷擾磁場來實(shí)現(xiàn)屏蔽。用來屏蔽磁場的屏蔽體均不需接地。

  電磁場屏蔽一般采用高導(dǎo)電率的材料作屏蔽體,并將屏蔽體接地。它是利用高導(dǎo)電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場來抵消騷擾磁場,又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場屏蔽。由于隨著頻率的增高,波長變得和屏蔽體上的孔縫尺寸接近,因而電磁場屏蔽的關(guān)鍵除了要采用高導(dǎo)電率材料,還要控制屏蔽體的孔縫泄漏。

  屏蔽材料的導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能分別用相對(duì)電導(dǎo)率σr和相對(duì)磁導(dǎo)率μr來衡量,表1中列出了常用屏蔽材料的σr及μr值[1]。

  

  由此可見,為了提高屏蔽效能,高導(dǎo)電率材料可采用鋁、銅,或者鋁鍍銅,要求更高時(shí),還可再鍍層銀。高導(dǎo)磁率材料可采用不銹鋼或者鐵,同時(shí)可適當(dāng)增加材料的厚度。

  2.3 屏蔽設(shè)計(jì)

  有兩個(gè)因素會(huì)影響屏蔽體的屏蔽效能:第一,屏蔽體必須是完整的,表面可連續(xù)導(dǎo)電;第二,不能有直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體,防止造成天線效應(yīng)。但是在實(shí)際應(yīng)用中屏蔽體上往往有散熱孔,或者屏蔽體本身由若干個(gè)零件組成,存在裝配間隙。

  縫隙或孔洞是否會(huì)泄漏電磁波,取決于縫隙或孔洞相對(duì)于電磁波波長的尺寸。當(dāng)波長遠(yuǎn)大于孔縫尺寸時(shí),并不會(huì)產(chǎn)生明顯的泄漏;當(dāng)孔縫尺寸等于半波長的整數(shù)倍時(shí),電磁泄漏最大。一般要求孔縫尺寸小于最短波長的1/10~1/2。因此,當(dāng)騷擾的頻率較高時(shí),波長較短,須關(guān)注這個(gè)問題。

  對(duì)于裝配而成的屏蔽體,有以下幾種改善屏蔽效能的方式:

  ① 應(yīng)使接觸面盡量平整,以減小接觸阻抗。

 ?、?在接觸面上增加彈性導(dǎo)電材料防止電磁波的縫隙泄漏。如導(dǎo)電泡棉或者金屬簧片襯墊。

 ?、?由螺釘聯(lián)接的組裝件,可減小安裝螺釘?shù)拈g距,以減小縫隙長度。

 ?、?將接觸面做成單止口或者雙止口的裝配方式,以增加屏蔽體密閉性,如圖1所示。

  

  圖1 止口結(jié)構(gòu)示意圖

  對(duì)于通風(fēng)孔的設(shè)計(jì),可以使用幾個(gè)小圓孔代替一個(gè)大孔,并且保證通風(fēng)孔之間的間距大于1/2波長。如圖2所示。

  

  圖2 通風(fēng)孔示意圖

  3 測試結(jié)果及分析

  以公司產(chǎn)品為試驗(yàn)平臺(tái),在XFP模塊管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用上述方法進(jìn)行優(yōu)化,制作出模塊樣品,并針對(duì)該樣品進(jìn)行了實(shí)際的測試。樣品結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  

  圖3 XFP模塊外形圖

  根據(jù)FCC 47 CFR Part 15 Subpart B secTIon 15.109(a),電磁騷擾場強(qiáng)的峰值限值為74 dBμV/m,平均值限值為54 dBμV/m。

  改善前的XFP模塊電磁騷擾場強(qiáng)在水平方向的測試結(jié)果如圖4和表2所示:

  

  圖4 改善前水平方向測試圖

  表2 改善前水平方向測試數(shù)據(jù)

  

  改善前的XFP模塊電磁騷擾場強(qiáng)在垂直方向的測試結(jié)果如圖5和表3所示:

  

  圖5 改善前垂直方向測試圖

  表3 改善前垂直方向測試數(shù)據(jù)

  

  改善后的XFP模塊電磁騷擾場強(qiáng)在水平方向的測試結(jié)果如圖6和表4所示:

  

  圖6 改善后水平方向測試圖

  表4 改善后水平方向測試數(shù)據(jù)

  

  改善后的XFP模塊電磁騷擾場強(qiáng)在垂直方向的測試結(jié)果如圖7和表5所示:

  

  圖7 改善后垂直方向測試圖

  表5 改善后垂直方向測試數(shù)據(jù)

  

  由以上測試數(shù)據(jù)可見,改善后的電磁騷擾場強(qiáng)最大峰值下降了近2dBμV/m,平均值下降了近6dBμV/m。

  4 結(jié)束語

  在光收發(fā)合一模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,必須要將電磁屏蔽設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。具體展開屏蔽設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)先確定騷擾源的特征,再選擇合適的屏蔽材料,然后結(jié)合適當(dāng)?shù)钠帘畏绞揭郧筮_(dá)到最佳的屏蔽效果。通過樣品的測試結(jié)果表明,模塊的電磁兼容性能得到了很大的改善,且模塊各項(xiàng)工作性能指標(biāo)沒有受到任何影響。



關(guān)鍵詞: 光通信模塊 電磁兼容

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