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        關于光通信模塊中電磁兼容性能的研究

        -2019-02-13-

        1 引 言

        隨著通信技術的發展,光模塊以及設備的數量和種類不斷增加,使電磁環境日益復雜,電磁污染越來越嚴重。在這種復雜的電磁環境中,如何減少各種電子設備之間的電磁騷擾,提高光模塊的電磁兼容性能,使各種設備可以共存并能正常工作,已成為電子產品設計中的一項關鍵內容。

        電磁兼容EMC(ElectromagneTIc CompaTIbility)設計的目的是:電子設備或系統能在預期的電磁環境中正常工作,無性能降低或故障;同時,對該電磁環境不是一個污染源。為了實現電磁兼容,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具備以下三因素:

        ① 電磁騷擾源,指產生電磁騷擾的元件、器件、設備、分系統、系統或自然現象。

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

        ③ 敏感設備,指對電磁騷擾發生響應的設備。

        針對以上三個因素,有多種途徑可以抑制電磁干擾的影響,而從光模塊結構設計的角度出發,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鍵而行之有效的技術手段之一。

        2 電磁屏蔽結構分析

        2.1 屏蔽效能

        電磁屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離,以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體講,就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的騷擾源包圍起來,防止騷擾電磁場向外擴散;用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來,防止它們受到外界電磁場的影響。因為屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統等外部的騷擾電磁波和內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分別為未屏蔽時測得的電場強度和磁場強度;E2、H2分別為屏蔽后測得的電場強度和磁場強度。

        2.2 屏蔽材料

        要確定應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有關。根據屏蔽的機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敏感電路的耦合電壓,在騷擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體,并將金屬屏蔽體接地。只要設法使金屬屏蔽體良好接地,就能使騷擾電場對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磁率的材料構成低磁阻通路,使大部分磁場被集中在屏蔽體內。因此屏蔽體的導磁率越高,厚度越大,磁阻越小,磁場屏蔽的效果越好。當磁場頻率較高時,高導磁材料的導磁率下降,磁損增加,而應采用高導電率材料產生的渦流的反向磁場來抵消騷擾磁場來實現屏蔽。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電率的材料作屏蔽體,并將屏蔽體接地。它是利用高導電率材料產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現電場屏蔽。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鍵除了要采用高導電率材料,還要控制屏蔽體的孔縫泄漏。

        屏蔽材料的導電性能和導磁性能分別用相對電導率σr和相對磁導率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,高導電率材料可采用鋁、銅,或者鋁鍍銅,要求更高時,還可再鍍層銀。高導磁率材料可采用不銹鋼或者鐵,同時可適當增加材料的厚度。

        2.3 屏蔽設計

        有兩個因素會影響屏蔽體的屏蔽效能:第一,屏蔽體必須是完整的,表面可連續導電;第二,不能有直接穿透屏蔽體的導體,防止造成天線效應。但是在實際應用中屏蔽體上往往有散熱孔,或者屏蔽體本身由若干個零件組成,存在裝配間隙。

        縫隙或孔洞是否會泄漏電磁波,取決于縫隙或孔洞相對于電磁波波長的尺寸。當波長遠大于孔縫尺寸時,并不會產生明顯的泄漏;當孔縫尺寸等于半波長的整數倍時,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,當騷擾的頻率較高時,波長較短,須關注這個問題。

        對于裝配而成的屏蔽體,有以下幾種改善屏蔽效能的方式:

        ① 應使接觸面盡量平整,以減小接觸阻抗。

        ② 在接觸面上增加彈性導電材料防止電磁波的縫隙泄漏。如導電泡棉或者金屬簧片襯墊。

        ③ 由螺釘聯接的組裝件,可減小安裝螺釘的間距,以減小縫隙長度。

        ④ 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 止口結構示意圖

        對于通風孔的設計,可以使用幾個小圓孔代替一個大孔,并且保證通風孔之間的間距大于1/2波長。如圖2所示。


        圖2 通風孔示意圖

        3 測試結果及分析

        以公司產品為試驗平臺,在XFP模塊管殼結構設計中綜合運用上述方法進行優化,制作出模塊樣品,并針對該樣品進行了實際的測試。樣品結構如圖3所示。


        圖3 XFP模塊外形圖

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

        改善前的XFP模塊電磁騷擾場強在水平方向的測試結果如圖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據


        改善前的XFP模塊電磁騷擾場強在垂直方向的測試結果如圖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據


        改善后的XFP模塊電磁騷擾場強在水平方向的測試結果如圖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據


        改善后的XFP模塊電磁騷擾場強在垂直方向的測試結果如圖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據


        由以上測試數據可見,改善后的電磁騷擾場強最大峰值下降了近2dBμV/m,平均值下降了近6dBμV/m。

        4 結束語

        在光收發合一模塊的結構設計中,必須要將電磁屏蔽設計作為重點考慮的內容。具體展開屏蔽設計時,應先確定騷擾源的特征,再選擇合適的屏蔽材料,然后結合適當的屏蔽方式以求達到最佳的屏蔽效果。通過樣品的測試結果表明,模塊的電磁兼容性能得到了很大的改善,且模塊各項工作性能指標沒有受到任何影響。


        上海海悅電子科技有限公司專業供應電磁兼容測試設備,竭誠歡迎您的來電咨詢。

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