EMI-Abschirmungsbewertung bis 115 GHz
»5G erfordert neue Schirmlösungen«
Der Kommunikationsstandard 5G treibt die Nachfrage nach Hochfrequenz-Schirmdämpfungsmessungen voran. Parker Chomerics adressiert dies mit einer neuartigen Testmethode und einem so noch nicht gesehenen Prüfaufbau: Die Mini Box bewertet die Wirksamkeit der Schirmdämpfung bei Frequenzen bis zu 115 GHz.
5G stellt ein weites Feld für neue Entwicklungen bereit, doch es gibt immer noch vielfältige Probleme damit – darunter eine allgemeine, doch fehlende Definition des Ultrahochfrequenzbereichs von 5G, kurze Übertragungslängen von nur wenigen Metern und der Bedarf an erheblich mehr lokaler Netzwerkinfrastruktur. Eine weitere große Herausforderung sind EMI-Störungen, die durch eine externe Quelle verursacht werden, die entweder künstlich oder natürlich auftritt und durch elektromagnetische Induktion oder kapazitive Kopplung auf ein elektronisches Bauteil oder ein elektronisches Gerät einwirken kann.
Die gängige Abhilfe ist eine EMI-Abschirmung, also die Integration spezifischer Materialien in das Design eines elektronischen Geräts, die sowohl externe Signale daran hindern, in die Schaltkreise des Geräts einzudringen und diese zu stören, als auch interne Signale daran hindern, die umgebende Elektronik zu verlassen und zu stören. Die Wissenschaft der EMI-Abschirmung ist alles andere als einfach und erfordert ein umfassendes Verständnis verschiedener Themen, einschließlich der Materialwissenschaften und der elektromagnetischen Theorie.
Jobangebote+ passend zum Thema
Auf das Material kommt es an
Natürlich gibt es bereits viele bewährte EMI-Abschirmungsmethoden, aber die ultrahohen Frequenzen von 5G erfordern eine neue Herangehensweise. Hier setzt Parker Chomerics mit seiner proprietären Cho-Shield-Produktlinie leitfähiger Beschichtungen für den Einsatz in realen Anwendungen der 5G-EMI-Abschirmung an. Jede einzelne Beschichtung dieser Produktfamilie nutzt die jeweiligen Vorzüge spezieller leitfähiger Füller (beispielsweise Nickel, Gold oder Kupfer) und enthält einen von vier Harztypen: Acryl, Epoxid, Polyester oder Polyurethan. Die einzigartigen Eigenschaften der Beschichtungen sind zwar im Wesentlichen ähnlich, ermöglichen aber jedem Produkt den Einsatz in spezifischen Anwendungen.
Fokus auf HF-Schirmung >18 GHz
Um die Eignung dieser Materialien für die Anforderungen von 5G sicherzustellen, waren umfassende Tests basierend auf zwei sehr unterschiedlichen Methoden erforderlich. Hochfrequenz-EMI-Abschirmungstests haben in der Vergangenheit nur selten stattgefunden, daher sind etablierte Prüfmethoden alles andere als alltäglich. Parker Chomerics hat sich auf EMI-Materialien für Hochfrequenzanwendungen über 18 GHz konzentriert, um Produkte mit leitfähigen Beschichtungen speziell für den Einsatz auf dem 5G-Markt zu bewerten, nämlich Cho-Shield 604, 608, 610, 2044 und 2056. Diese Produkte verwenden Silber-Polyurethan, Silber-Epoxid-Polyester, Silber-Kupfer-Epoxid, Nickel-Acryl- bzw. Kupfer-Acrylharz.
Neuartige Testmethode
Als Antwort auf die steigende Nachfrage nach Hochfrequenz-Schirmdämpfungs-messungen hat Parker Chomerics eine neuartige Testmethode und einen so noch nicht gesehenen Aufbau entwickelt: das Hochfrequenz-Schirmdämpfungs-Testgehäuse, kurz: Mini Box. Als eine Art kleiner IEEE-Standard-299-Testaufbau kann die Mini Box die Wirksamkeit der Schirmdämpfung bei Frequenzen bis zu 115 GHz bewerten. Große Testkammern, die normalerweise für die Prüfung der Abschirmwirkung verwendet werden, sind für diese Aufgabe aufgrund der Kabellängen der Geräte und der Verwendung von Standardgeräten nicht geeignet. Darüber hinaus sind Übertragungsimpedanz-Testmethoden aufgrund der Testhalterung und der Probengröße über 1 bis 10 GHz nicht sinnvoll.
Bei den Prüfmustern wurden leitfähige Cho-Shield-Beschichtungen (durch Sprühen) auf eine Kunststoffscheibe aus Ultem mit einem Durchmesser von 133 mm aufgebracht. Ultem wurde vor allem deshalb ausgewählt, weil ihre Permissivitäts- und Permeabilitätswerte keinen Einfluss auf die Testdaten haben.
Der Vorteil dieser Probengröße besteht darin, dass derselbe Durchmesser für Tests gemäß ASTM D4935 und IEEE 299 sowohl in der Haupttestkammer als auch in der Mini Box geeignet ist. Eine einzelne Testprobe ermöglicht daher die Erfassung von Testdaten von 30 MHz bis 110 GHz, auch wenn der Fokus für diese speziellen Tests auf dem Frequenzbereich von 18 GHz bis 115 GHz lag.
Zwei Testaufbauten
Die Tests fanden mit zwei Testaufbauten statt: in der Haupttestkammer für Prüffrequenzen von 20 GHz bis 40 GHz und mit der Mini Box für Frequenzen von 40 GHz bis 115 GHz.
Die Haupttestkammer ist ein vollständig verschweißtes, 3,7 m × 6 m großes Stahlgehäuse mit zwei Kammern und einer gemeinsamen Wand mit einer Zugangsklappe, auf der das Prüfmuster sitzt. Auf der einen Seite der Testkammer befindet sich die Sendeausrüstung und die Antenne, auf der anderen Seite die Empfangsausrüstung und die Antenne. Die in dieser Testkammer durchgeführten IEEE-299-Tests verwenden einen herkömmlichen Spektrumanalysator, Verstärker und Antennen, die den gewünschten Frequenzbereich abdecken.
Im Gegensatz dazu nutzt die Mini-Box-Testmethode einen Keysight-N5225A-Netzwerkanalysator. Es werden zwei Messungen des Übertragungskoeffizienten durchgeführt, einmal mit dem Material auf der Mini Box und einmal ohne jegliche Zwischenräume zwischen den beiden Antennen (IEEE 299, offene Referenz). Die Ermittlung der Differenz zwischen diesen beiden Messwerten für den Transmissionskoeffizienten bestimmt die Abschirmwirkung des entsprechenden Materials.
Die Hochfrequenztests für 5G-Anwendungen wurden mit der Referenztestmethode »Free Space« durchgeführt. In beiden Fällen (Haupttestkammer und Mini Box) zeigten die Sende- und Empfangsantennen im gleichen Abstand wie bei den abschließenden Messungen der Schirmdämpfung direkt aufeinander zu. Nach der Abschlussprüfung konnte die Schirmdämpfung anhand der Differenz zwischen dem bei der Messung mit offener Referenz und der Abschlussmessung erhaltenen Wert in Dezibel berechnet werden.
Beeindruckende Abschirmwirkung
Die Ergebnisse zeigen eine überzeugende Abschirmwirkung für alle Cho-Shield-Materialien, insbesondere:
Cho-Shield 604: 60–82 dB (20–40 GHz) und 55–71 dB (40–115 GHz)
Cho-Shield 608: 79–83 dB (20–40 GHz) und 66–79 dB (40–115 GHz)
Cho-Shield 610: 79–95 dB (20–40 GHz) und 63–81 dB (40–115 GHz)
Cho-Shield 2044: 44–50 dB (20–40 GHz) und 43–54 dB (40–115 GHz)
Cho-Shield 2056: 69–81 dB (20–40 GHz) und 63–85 dB (40–115 GHz).
Erwartungsgemäß gibt es einige Unterschiede, aber im Allgemeinen ist der Vergleich angesichts der Unterschiede bei den Testmethoden hervorragend.
Die Ergebnisse zeigen, dass leitfähige Beschichtungen für den 5G-Markt hochwirksam für das EMV-Design sind. Je nach gewünschter Frequenz liegt die Abschirmwirkung in der Regel zwischen 40 und 80 dB.
Abschließend sei bemerkt, dass Parker Chomerics Testvorrichtungen und Testmethoden für die Abschirmwirkung entwickelt und einsetzt, die das in einer tatsächlichen Anwendung verwendete leitfähige Beschichtungsprodukt widerspiegeln. Das Unternehmen verfolgt bei der Bewertung seiner Materialien einen Ansatz zur vollständigen Offenlegung. Erfahrungen zeigen, dass Anwender ähnliche Ergebnisse bei der Abschirmwirkung erzielen wie die veröffentlichten Testdaten.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
