文 | 煜捷史馆

编辑 | 煜捷史馆

-＜导电聚合物复合材料＞-

目前的技术在很大程度上依赖于使用广泛频率信号的电子设备和无线通信系统。

世界范围内关于下一代无线网络的发展和整合的努力，"第五代 "或5G和固有的关键新兴技术设想了特定的应用领域。

城市物联网（IoT）等概念旨在支持智能城市的愿景，智能交通和无线传感器网络（WSN），以及更多的行业激励系统，都是当前技术越来越依赖无线通信系统的例子。

如无线通信领域的技术趋势，更严格的电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）法规，都带来了新的挑战，特别是激励了对导电聚合物复合材料（CPC）的电磁干扰屏蔽的研究。

接下来，煜捷将为你讲述导电聚合物复合材料，是如何提升电磁干扰EMI中的屏蔽效能的。

电磁干扰的固有问题可以通过不同的方法来解决，如接地、粘合、过滤、隔离和屏蔽。特别是EMI屏蔽，包括通过使用导电屏障将敏感的电子设备与不需要的电气噪声隔离开来。

EMI屏蔽受到作为屏蔽的外壳设计、外壳的安装、使用的垫圈、环境暴露、屏蔽的连续性等因素的强烈影响，并最终受到用于制造作为EMI屏蔽的部件的材料的影响。

在聚合物纳米复合材料的背景下，诸如填充物的小规模、聚合物与填充物的亲和力以及复合材料加工链上所涉及的决定填充物分散、分布和填充物取向的热机械历史等因素，使得预测此类材料的电性能成为一项非常具有挑战性的任务。

因此，与金属相比，关于金属作为EMI屏蔽的知识已经相当成熟，需要进行实验性的EMI SE测量，以帮助CPC材料的发展，这些材料的应用需要有电磁兼容性，也就是通常所说的EMC。

为了量化材料的EMI SE能力，已经开发了几种SE测试方法，其中一些方法如ASTM D4935-10[5]和IEEE Std 299-2006标准所定义的方法是众所周知的。

但是由于大量的潜在测试条件、待测材料的电气性质以及设置相关的误差，同一材料的EMI SE值可能在不同的测试方法中有所不同。

因此，一个更强大的测试装置来测量EMI屏蔽将是非常可取的。

机箱的EMI屏蔽测试方法首先由MIL-STD-285标准引入，后来被改进版的IEEE Std 299-2006标准所取代。

后来的工作，如建议改进IEEE标准，以允许测量尺寸小于2米的外壳，并定义明确的失败/通过衰减限制。

在其中中提出了一种混响室技术，用于测量0.1米立方体和更小的外壳的SE。

这种输入导致了IEEE Std 299.1-2013标准的产生，该标准涵盖了IEEE Std 299-2006标准中未涵盖的尺寸在0.1米和2米之间的外壳的EMI屏蔽测试。

然而，在模式搅拌混响法中，由于该方法的统计性质，EMI SE测量对测试装置的几何形状的敏感性有限。

鉴于较低的频率与混响室的几何形状有关，该方法只能安全地用于通常高于1 GHz的频率。

虽然外壳的SE测试方法考虑了外壳的设计特点等方面，但用于协助开发EMI屏障的方法侧重于材料本身，因此采用了平面材料的EMI SE测试方法。

波导和传输线支架是用于表征此类材料的两种方法。

传输线方法有两种不同的方法来测量EMI SE，即连续导体（CC）和分裂导体（SC）。

CC配置，基于1988年撤销的ASTM ES7-83标准，包括一条50欧姆的连续线，可以拆卸以插入一个环形测试样品。

-＜s-参数＞-

A. 屏蔽效果(SE)

在最简单的情况下，一个电磁波最初在自由空间行驶时，撞到了一个屏障。由于自由空间和屏障之间的阻抗差异，部分波的初始入射功率PIN）被反射PRE），吸收PAB），和传输PTR）以不同的比例：

矢量网络分析仪（VNA）测量散射参数（S参数）的相位和幅度，这些参数是被测设备（DUT）或类似的被测材料（MUT）的特征。

S参数允许同时获得特定频率范围内的反射和传输功率。

B. SE测试器的特点

制造的SE测试器设置的性能是通过使用一组参数来评估的，这些参数在微波界是众所周知的。

在无损网络中，进入所有网络端口的信号功率之和等于离开所有网络端口的信号功率之和，这意味着网络本身没有功率损失，这被表述为：

-＜设置设计和验证＞-

A. 设置设计的考虑因素

对于SE测试装置的设计，我们选择了定义的同轴支架方法。

这种方法是首选，因为它简单、紧凑，而且可以根据所需的样品尺寸定制测试器的尺寸，并将工作频率范围设定为VNA上的高频率。

为了获得最佳的SE测试装置，以下简称SE测试器，最初考虑了图中示意性的四种不同的装置设计，并使用电磁（EM）波模拟软件CST STUDIO SUITE®进行了有限元方法（FEM）模拟。

配置A（图a）是最简单的情况，内导体的直径d = 3.040 mm，与APC-7mm连接器的针脚相同。

在配置B（图 b）中，同轴线的设计使用了一个阻抗匹配的阶梯，代表从APC-7mm连接器到更大直径的同轴线的过渡。

配置C（图c）使用同轴-锥形-同轴设计，而配置D（图 d）使用2个位置的同轴-球形-锥形过渡设计。

实现了类似于图a)中的传输线，在高达13.5 GHz的频率范围内工作。但没有提到空SE测试仪的插入损耗性能。

B. 电磁波模拟

每个配置的几何形状都与软件数据库中的材料相关联，即空气作为介电介质（ε=1.00059；μ=1.0），退火铜（σ=58e+06 S/m；μ=1.0）作为导体，而聚四氟乙烯（PTFE）（ε=2.1；μ=1.0）则包括中心环。

按照图所示的不同设计概念，进行了频率高达12.0GHz的电磁波模拟，以评估每种配置的性能。

图中显示了不同SE测试仪配置的IL和VSWR。对于频率低于3.0GHz的配置A，IL<0.02dB，对于更高的频率，IL<1.01dB。

在配置B中观察到的高插入损耗是由于阶梯过渡处的阻抗失配造成的。

对于低于3.0GHz的频率，得到的最大IL为0.92dB。IL值随着频率的增加而恶化）所示。

配置C显示IL<0.03 dB，接近配置D在频率低于3.0 GHz时获得的IL<0.02 dB值，然而配置D的谐振峰更常见，IL值随着频率的增加而增加，如VSWR图所示。

根据模拟结果，配置D提供了可用性和模拟性能之间的最佳权衡，这是我们为进一步优化而选择的配置。

C. 设置优化

在配置D（图d）的设计中增加了一些几何特征，如定心环和过切，以评估它们对SE测试仪性能的影响。

图中显示了配置D.1（4个环/4个过切）、配置D.2（2个环/2个过切）、配置D.4（2个环/无切）和配置D.3（没有环或凹槽的原始配置D）的IL和VSWR仿真值。

D. 间隙-距离的影响

为了评估缝隙距离，或等价的样品厚度，以下简称缝隙，如何影响电磁波的传播，我们实施了一个脚本，生成SE测试器配置D.4的2D轮廓，缝隙从0.5毫米到4.0毫米不等。然后用CST STUDIO SUITE®创建SE Tester/样品的轴对称三维几何形状。

使用8种不同厚度和两种准EMI透明材料，即聚酰亚胺（PI）（ε=3.5；μ=1.0）和聚四氟乙烯（ε=2.1；μ=1.0）的参考和负载试样进行了电磁波模拟。

八次模拟的S参数值被导出到ASCII文件中计算SE，与实验数据的计算过程类似。

从图所示的模拟SE值可以看出，与图b)相比，PI的ω0值向低频率转移。

在配置A中，样品厚度和频率的增加导致了ω0周围吸收区域的扩大。

尽管配置A给出了最低的IL值，但这一结果似乎表明，具有较大横截面的设置，即较大的D和d，如配置D.4，比具有小横截面的设计更可取，因为小横截面的电磁波被严格限制，因此更容易受到间隙效应的影响。

而在配置B中，仍然有可能从2GHz、5.5GHZ和9GHz左右的PI的ω0中区分出峰值，该配置中的阻抗失配导致局部误差被视为SE。这种影响随着间隙厚度和频率的增加而加剧。

根据模拟结果，我们得出结论，配置D.4产生了最好的结果，因此是进一步实施的首选设计。

-＜实验测量＞-

A. 设置结构

配置D.4的设计被用来制作详细的2D技术图纸，用于制造最终的SE测试器。

SE测试器是用AMPCOLOY®972材料（σ=51e+06 S/m）制造的，使用的是DMU 60 monoBLOCK®数控铣床的整体硬质合金刀具。

下图是三维CAD和制造的SE测试器的切面图。

B. 设置验证

为了进行S参数测量，使用了Agilent 8753ES VNA，其频率范围为30 kHz至3 GHz，并配有两根相位匹配的50欧姆APC-7mm测试端口电缆。

为了与VNA连接，使用了Prologix, LLC GPIB-USB控制器和一台笔记本电脑。

为了获取数据和调整VNA的设置（输出功率、刺激信号的开始/停止频率、跟踪点的数量、数据格式，以及其他），使用MATLAB®的仪器控制工具箱实现了一个脚本。

对新制造的SE测试器的验证是通过进行50次测量来完成的，每次测量之前都要对空的SE测试器进行卸载和安装。

我们计算了每次测试的空SE测试仪的SE贡献，空SE测试器的平均总杂散屏蔽低于-1dB（图8 a），标准偏差（STD）（图8 b），小于0.14dB。

对于低于1GHz的频率，STD比其他频率范围内看到的要大。小的STD值表明，SE测试器的安装和卸载过程产生了良好的可重复性。

因此，空的SE测试器的传输特性被认为是平坦的，作为频率的函数，在30kHz到3GHz的频率范围内，绝对杂散屏蔽贡献为1dB或16dB/十年。

模拟和测量的S参数，分别用"(s) "和"(m) "标识，用空的SE测试器配置D.4获得，用(13)计算VSWR，用(14)计算IL。

后缀1和2分别与VNA的端口1和端口2有关。

端口1和端口2的模拟值是完全相同的，因为SE测试仪的设计模型是理想的，因此是完全对称的。

在图a）中，端口1（m）的最大测量IL是0.961 dB，端口2（m）在2.67 GHz时是0.932 dB，在298 MHz时最小是0.279 dB。

为了更好地表示测量值的趋势，我们对IL和VSWR值应用了指数移动平均值（EMA1/2）。EMA图给出了整个频率范围的IL<0.812 dB，以及频率低于2.0 GHz时的IL<0.514 dB。

-＜结论＞-

长期以来，精密同轴元件的设计原则与三维电磁模拟软件的灵活性相结合，被证明是确定EMI屏蔽有效性测量的可靠设置的关键。

据我们所知，文献中提出的简单但有帮助的方程式，如阻抗失配、无损网络条件和互易性，首次在平面材料的SE测试中使用，以帮助理解SE测试仪的性能。

从模拟中我们得出结论，样品的厚度、样品的电气性能和设置设计都是影响SE结果的方面。

有趣的是，一个小截面的设置，类似于APC-7mm的连接器，在模拟没有间隙的情况下，给出了最低的电压驻波率，然而这样的设计在模拟插入准EMI透明样品所带来的不连续性时，被一个适当设计的大截面设置所超越。

我们推断，具有较大横截面的设置比小横截面的设置更可取，因为小横截面的电磁波是非常局限的，因此更容易受到样品厚度造成的不可避免的不连续性的影响。

在频率高达3.0GHz的情况下，我们的平均插入损耗值低于0.812dB，标准偏差值为0.015，测量的参数S12和S21令人满意。

最明显的阻抗失配，由（12）给出，发生在1.12 GHz和2.68 GHz。

由（10）和（11）给出的无损网络条件导致频率高于2.0GHz时的数值低于0.9。

我们确定，不匹配的产生很可能是由于SE测试器内部导体-连接器的转换和影响设置的互换性的小错位。

损耗随频率的增加与趋肤效应和表面质量有关。

性能方面，如往复性和插入损耗，可以在未来的工作中通过使用更精细的机械以达到高尺寸精度，改善表面光洁度和表面处理来进一步改善，这在本研究的框架内目前是不切实际的。

这里提出的SE测试仪被证明是充分和有用的测试方法，以获得洞察力，并支持未来与开发聚合物复合材料的EMI屏蔽应用有关的工作。