On monia esteitä, jotka on voitettava, jotta 5G tuo lupaamansa paremman suorituskyvyn ja tehokkuuden, antaa uusia käyttökokemuksia ja yhdistää uusia toimialoja. Yksi avain näiden lupausten täyttämiselle on ainutlaatuisten EMI-suojausmateriaalien ja -tekniikoiden kehittäminen, jotka mahdollistavat sähkömagneettisten häiriöiden onnistuneen hallinnan ja parantavat sähkömagneettista yhteensopivuutta.
|
Artikkelin kirjoittaja David Inman toimii Parker Chromericsilla sovellusten ja testauspalvelujen päällikkönä. Chromerics kuuluu Parker Hannifin -yhtiöön ja sen materiaaliryhmään. Se kehittää sähkö- ja lämpöjohtavia materiaaleja elektroniikkaan, kuljetusalalle ja energiajärjestelmiin. |
Jotta 5G-sovelluksille voitaisiin tarjota tehokas EMI-suojaus, joka estää riittävästi sähkölaitteiden ja yksittäisten komponenttien häiriöitä ja häiriöitä, tarvitaan materiaalitieteen läpimurtoja. Parker Chomericsin kehittämä johtavien muovimateriaalien Premier-sarja, joka on tarkoitettu käytettäväksi todellisissa 5G EMI -suojausratkaisuissa, tarjoaa tähän uraauurtavan potentiaalin.
Jokainen erillinen johtava muovilaatu on synteesi termoplastisista PC/ABS-polymeeriseoksista ja johtavista täyteaineista, jotka on suunniteltu tasapainoiseen sähköiseen, mekaaniseen ja fyysiseen suorituskykyyn. Johtava täyteainetekniikka hyödyntää nikkelipinnoitettuja hiilikuituja (Ni-C) pohjatäyteaineena, johon on sekoitettu nikkeli-grafiittijauhetta (Ni-C) korkeamman suorituskyvyn saavuttamiseksi. Jokaisella täyteaineella on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka auttavat elektronisten laitteiden valmistajia täyttämään EMC-vaatimukset globaaleilla 5G-markkinoilla.
Kuva 1. Parker Chomericsin Premier-sarja on sekoitus termoplastisia PC/ABS-polymeeriseoksia ja johtavia täyteaineita.
Taustalla tarkka testaaminen
Tietysti kaikkien uusien EMI-suojausmateriaalien sopivuuden varmistaminen 5G-sovellusten vaatimuksiin vaatii kattavaa testausta, joten Parker Chomerics ryhtyi arvioimaan useita Premier UL-94 V-0- ja Super Temperature (ST) -laatuja. Näitä olivat A230- FRHF, A230-ST, A240-FRHF ja A240-ST.
Aiemmin koko Premier-tuoteperheessä on testattu laajasti EMI-suojausominaisuuksia, erityisesti ottamalla käyttöön alan standardeja ASTM-D4935 ja IEEE-STD-299 taajuuskaistoilla, jotka ulottuvat 30 MHz:stä 40 GHz:iin. On kuitenkin olemassa kasvava tarve materiaaleille, jotka pystyvät suojaamaan EMI-suojausta korkeammilla taajuuksilla, joilla 5G toimii. Nämä testit avaisivat siis uutta tietä.
Uudet testit vaativat usein uusia testausmenetelmiä ja -laitteita, mikä sai Parker Chomericsin kehittämään ainutlaatuisen korkeataajuisen suojauksen tehokkuuden testikotelon, joka tunnetaan nimellä "Mini Box". Tämäntyyppinen pienimuotoinen IEEE-STD-299-testijärjestelmä arvioi suojauksen tehokkuuden jopa 115 GHz:n taajuuksilla. Valitettavasti suojauksen tehokkuuden testeihin käytetyt suuret testikammiot eivät yleensä sovellu näin korkeille taajuuksille laitekaapeleiden pituuden ja vakiovarusteiden käytön vuoksi. Lisäksi testilaitteiston ja näytekoon vuoksi siirtoimpedanssin testaustekniikat eivät yleensä ole käyttökelpoisia yli 1-10 GHz:n taajuuksilla.
Kuva 2. Parker Chomericsin Mini Boxin salaisuus on sen yksinkertaisuudessa.
Muovattujen Premierin "kuormitus"- ja "vertailu"-testinäytteiden halkaisija oli 133 mm. Tämän näytekoon tärkeä etu on, että sama halkaisija soveltuu ASTM D4935:n ja IEEE-STD-299:n testaukseen joko Parker Chomericsin päätestikammiolla tai Mini Boxilla. Tämän seurauksena testitietojen kerääminen 30 MHz:stä 110 GHz:iin vaatii vain yhden testinäytteen.
Kuva 3. ASTM D4935 -testit vaativat sekä kaksiosaisen referenssilevyn että kuormatestinäytteen.
Kuva 4. Mini Boxin testeissä halkaisijaltaan 100 mm rengas piti ja puristi testinäytettä paikallaan.
ASTM D4935 -testeissä käytettiin koaksiaalista kiinnitystä, joka on suunniteltu erityisesti testaamaan homogeenisia materiaaleja taajuusalueen 30 MHz - 1,5 GHz yläpuolella. Kokoonpanon suhteen testinäyte istui testitelineen kahden puolikkaan välissä. Perinteisellä spektrianalysaattorilla ensimmäinen testi suoritettiin "referenssi"-levyllä, kun taas toisessa suojauksen tehokkuustestissä käytettiin "kuorma"-testinäytettä.
Kuva 5. Koaksiaalinen testilaite, joka näyttää näytteen sijainnin ASTM D4935 -testejä varten.
IEEE STD 299 -testit
IEEE STD 299 -testauksessa käytettiin kahta erilaista asetusta. Ensin pääkammio testasi näytettä taajuuksilla 800 MHz - 40 GHz. Tämä kammio on täysin hitsattu teräskotelo, joka on kooltaan 3,7 x 6 m. Siinä on kaksi osaa ja yhteinen seinä, jolla olevalla paneelilla testinäyte makaa. Testikammion toisella puolella on lähetyksen testilaitteisto ja antenni, ja toisella puolella vastaanottolaitteisto ja antenni.
Kuva 6. Kaavakuva Parker Chomerics -testikammiosta, joka näyttää testinäytteen ja antennien sijainnit.
Toiseksi Mini Box testasi taajuuksia 50 MHz - 110 GHz käyttämällä Keysight N5225A -verkkoanalysaattoria. Kaksi lähetyskertoimen mittausta suoritettiin, toisessa materiaalin ollessa paikallaan Mini Boxissa ja toisessa niin, että kahden antennin välissä ei ollut mitään (IEEE-STD-299 avoin viite). Kahden lähetyskerroinlukeman välisen eron tunnistaminen määrittäisi materiaalin suojauksen tehokkuuden.
Kuva 7. Kaavio, joka esittää Mini Boxin testikokoonpanon eri komponentteja.
Tässäkin sama testinäyte sijoitettiin kotelon etuosassa olevan aukon poikki. Yksi antenni, joka toimi lähetysantennina, oli kotelon sisällä olevan aukon vastakkaisessa päässä. Toinen antenni, joka luonnollisesti toimii vastaanottoantennina, oli Mini Boxin ulkopuolella testattavan materiaalin välittömässä läheisyydessä.
IEEE STD-299:n ns. "vapaan tilan" vertailutestimenetelmä helpottaa testaamista pääkammiossa ja Mini Boxissa. Molemmissa tapauksissa lähetys- ja vastaanottoantennit osoittivat suoraan toisiinsa samalla etäisyydellä toisistaan kuin lopullisissa suojauksen tehokkuusmittauksissa.
Kuva 8. Testaus suoritettiin "vapaan tilan" vertailutestimenetelmällä.
Lopputestauksen jälkeen oli mahdollista laskea suojauksen tehokkuus avoimen vertailumittauksen ja lopullisen mittauksen desibeleinä (dB) ilmaistun arvon välisen eron perusteella.
Kokeiltu ja testattu
Tulokset osoittavat vaikuttavan suojaustehokkuuden kaikille Premier-sarjan johtaville muoveille UL-94 V-0 ja Super Temperature (ST) -luokissa. Tarkemmin suojaukset olivat 71-99 dB (Premier A230-ST), 63-99 dB (Premier A230-FRHF), 71-104 dB (Premier A240-ST) ja 63-100 dB (Premier A240-FRHF).
Toki tuloksissa on muutamia eroja, mutta vertailu on itse asiassa varsin merkittävä ottaen huomioon erot testitekniikoissa.
Kuva 9. Kaavio, joka näyttää suojauksen tehokkuuden tulokset Premier A230-FRHF -näytteille taajuuksilla 30 MHz - 115 GHz.
Testitulosten perusteella voidaan päätellä, että johtavat muovit 5G-markkinoille ovat erittäin tehokkaita ratkaisuja EMC-suunnittelussa. Riippuen 5G-sovelluksen kulloisestakin taajuudesta suojauksen tehokkuus on tyypillisesti välillä 40-100 dB. OEM-valmistajat ja loppukäyttäjät voivat luottaa näihin tietoihin, kun Parker Chomerics suunnittelee suojauksen tehokkuuden testauslaitteita ja menetelmiä, jotka heijastavat tosielämässä käytettävää johtavaa pinnoitetta. Yhtiön mukaan useiden vuosien kokemus vahvistaa, että loppukäyttäjät saavuttavat aina samanlaisia suojauksen tehokkuutta kuin julkaistujen testitietojen tulokset.
Lisätietoja täällä.
Nykyään ja etenkin tulevaisuudessa avaruusjärjestelmillä on yhä tärkeämpi rooli ihmisten elämässä. Järjestelmät auttavat siirtymään paikasta toiseen, antavat tietoa säästä ja yhdistävät ihmisiä toisiinsa. Kaiken lisäksi avaruussovellukset ovat yhä tärkeämpi osa kansallisen turvallisuuden kriittistä infrastruktuuria.
