Już od jakiegoś czasu pojawiają się zapowiedzi możliwości nowej technologii 5G, lecz jeszcze długa droga zanim pobranie dwugodzinnego filmu w trzy sekundy stanie się standardem. Czołowi gracze na rynku telekomunikacyjnym ciężko pracują nad pokonaniem przeszkód technicznych i wykorzystaniem w pełni potencjału sieci. Wśród kluczowych wyzwań ważne miejsce zajmuje kompatybilność elektromagnetyczna, techniki ekranowania EMI, a także specjalne materiały stosowane do rozwiązania tych problemów.

Sieć 5G ma jeszcze duży potencjał do rozwoju i wiąże się z tym wiele istotnych problemów, w tym ogólny brak określenia zakresu częstotliwości ultrawysokich, krótki zasięg transmisji (liczony zaledwie w metrach) oraz potrzeba znacznego poszerzenia infrastruktury sieci lokalnej. Innym poważnym wyzwaniem są zakłócenia elektromagnetyczne, powodowane przez źródła zewnętrzne, które mogą wpływać na układy poprzez indukcję elektromagnetyczną lub sprzężenie pojemnościowe.

Materiał ma znaczenie

Odpowiedzią na ten problem jest ekranowanie przeciwzakłóceniowe EMI, czyli zastosowanie w konstrukcji urządzenia elektronicznego specjalnych materiałów, które blokują zarówno przedostawanie się sygnałów zewnętrznych do obwodów urządzenia, jak i wydostawanie się niepożądanych sygnałów na zewnątrz. Technologia ekranowania EMI nie należy do prostych i wymaga kompleksowego zrozumienia różnych zagadnień, w tym materiałoznawstwa i teorii fal elektromagnetycznych.

Oczywiście wiele sprawdzonych rozwiązań ekranowania przeciwzakłóceniowego EMI już znajduje zastosowanie na całym świecie, lecz bardzo wysokie częstotliwości sieci 5G wymagają nowego sposobu myślenia.

Parker Chomerics oferuje linię powłok przewodzących CHO-SHIELD®, przeznaczoną do ekranowania infrastruktury sieci 5G. Każda powłoka z tej rodziny wykorzystuje określony przewodzący materiał wypełniający (taki jak nikiel, złoto lub miedź) i zawiera jeden z czterech rodzajów żywic: akrylową, epoksydową, poliestrową lub poliuretanową. Unikalne właściwości powłok, choć zasadniczo podobne, sprawiają, że każdy produkt może służyć do innych specyficznych zastosowań.

Aby zapewnić, że te materiały sprawdzą się w zastosowaniach w sieci 5G należało przeprowadzić zestaw kompleksowych testów przy użyciu dwóch bardzo różnych metodologii. Z uwagi na to, że w przeszłości rzadko przeprowadzano testy ekranowania EMI dla wysokich częstotliwości, to nie ma jeszcze przyjętych ogólnie metodologii testowania.

Głównym celem było skoncentrowanie się na materiałach EMI do zastosowań w warunkach częstotliwości powyżej 18 GHz. Tym samym można było ocenić produkty z powłokami przewodzącymi przeznaczonymi specjalnie do użytku na rynku 5G, a mianowicie CHO-SHIELD® 604, 608, 610, 2044 i 2056. W produktach tych stosuje się odpowiednio: poliuretan z dodatkiem srebra, poliester i żywicę epoksydową z dodatkiem srebra, żywicę epoksydową z dodatkiem srebra i miedzi, żywicę akrylową z dodatkiem niklu i żywicę akrylową z dodatkiem miedzi.

Unikalna metoda testowania

Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na wiarygodne pomiary skuteczności ekranowania na wysokich częstotliwościach, w Parker Chomerics opracowano unikalną metodę testowania. Jest to niewielka obudowa pomiarowa, nazwana w skrócie „Mini Box”. To rozwiązanie jest niewielkiim zestawem do przeprowadzania testów według standardu IEEE-STD-299 i umożliwia ocenę skuteczności ekranowania przy częstotliwościach nawet do 115 GHz. Duże komory testowe, zwykle używane do badania skuteczności ekranowania nie nadają się do tego zadania ze względu na długości kabli i standardowy sprzęt, nieprzystosowany do pracy na tak wysokich częstotliwościach. Ponadto metody testowania impedancji przejściowej są nieprzydatne przy częstotliwościach powyżej 1–10 GHz ze względu na wpływ umocowania i rozmiaru próbki.

Rys. 1. Siła zestawu Mini Box Parker Chomerics tkwi w jego prostocie

Do celów pomiarowych, na krążek o średnicy 133 mm wykonany z tworzywa sztucznego Ultem nałożono natryskowo powłoki przewodzące CHO-SHIELD. Tworzywo Ultem wybrano głównie dlatego, że jego wartości przenikalności elektrycznej i magnetycznej nie mają wpływu na dane testowe.

Zaletą tego rozmiaru próbki jest to, że ta sama średnica nadaje się do testowania zgodnie z normami ASTM D4935 i IEEE-STD-299 zarówno przy użyciu dużej komory testowej, jak i zestawu Mini Box. Przeprowadzone testy skupiały się na zakresie częstotliwości od 18 GHz do 115 GHz.

Rys. 2. W przypadku testów z użyciem obudowy Mini Box próbkę ściśnięto i unieruchomiono za pomocą pierścienia o średnicy 100 mm

Dwie konfiguracje pomiarowe

Testy przeprowadzono w dwóch konfiguracjach: w głównej komorze testowej do testowania częstotliwości od 20 GHz do 40 GHz oraz w obudowie Mini Box do testowania częstotliwości od 40 GHz do 115 GHz.

Główna komora testowa to w pełni zespawana obudowa stalowa o wymiarach 3,7 metra na 6 metrów z dwiema sekcjami i wspólną ścianą z panelem dostępowym, na którym znajduje się próbka do badań. Po jednej stronie komory znajduje się sprzęt nadawczy z anteną, a po drugiej sprzęt odbiorczy, również z anteną. W testach IEEE STD-299 wykonywanych w tej komorze testowej stosowany jest konwencjonalny analizator widma, wzmacniacze i anteny obejmujące pożądany zakres częstotliwości.

Rys. 3. Schemat komory testowej firmy Parker Chomerics przedstawiający lokalizację próbki testowej i anten

W metodzie testowania Mini Box wykorzystuje się natomiast analizator sieci Keysight N5225A. Wykonywane są dwa pomiary współczynnika transmisji: jeden z materiałem umieszczonym w obudowie Mini Box i drugi, wzorcowy, bez obiektów między dwiema antenami (otwarte badanie referencyjne IEEE-STD-299). Różnica między tymi dwoma odczytami współczynnika transmisji określa skuteczność ekranowania badanego materiału.

Rys. 4. Schemat przedstawiający różne elementy konfiguracji testowej Mini Box

Testy w warunkach wysokich częstotliwości na potrzeby zastosowań w sieci 5G przeprowadzono przy użyciu metody testowania wykorzystującej badanie referencyjne z „pustą przestrzenią”. W obu przypadkach (głównej komory testowej i zestawu Mini Box) anteny nadawcza i odbiorcza skierowane były bezpośrednio na siebie i znajdowały się w tej samej odległości od siebie co podczas końcowych pomiarów skuteczności ekranowania.

Rys. 5. Badanie przeprowadzono przy użyciu metody testowania wykorzystującej badanie referencyjne z „pustą przestrzenią”

Po przeprowadzeniu końcowych testów możliwe było obliczenie wyrażonej w decybelach (dB) skuteczności ekranowania na podstawie różnicy między wartością uzyskaną podczas otwartego badania referencyjnego a pomiarem końcowym.

Imponująca skuteczność ekranowania

Wyniki wskazują na wysoką skuteczność ekranowania wszystkich materiałów CHO-SHIELD®:

• CHO-SHIELD® 604: 60–82 dB (20–40 GHz) i 55–71 dB (40–115 GHz)
• CHO-SHEILD® 608: 79–83 dB (20–40 GHz) i 66–79 dB (40–115 GHz)
• CHO-SHEILD® 610: 79–95 dB (20–40 GHz) i 63–81 dB (40–115 GHz)
• CHO-SHEILD® 2044: 44–50 dB (20–40 GHz) i 43–54 dB (40–115 GHz)
• CHO-SHEILD® 2056: 69–81 dB (20–40 GHz) i 63–85 dB (40–115 GH)

Zgodnie z oczekiwaniami występują różnice pomiędzy dwiema metodami pomiaru, lecz ogólnie wyniki pomiędzy metodami są zaskakująco podobne.

Wyniki pokazują, że powłoki przewodzące przeznaczone na rynek 5G są wysoce skutecznymi rozwiązaniami w zakresie projektowania EMC. W zależności od częstotliwości skuteczność ekranowania wynosi zwykle od 40 do 80 dB.

Rys. 6. Wykres przedstawiający skuteczność ekranowania urządzenia CHO-SHIELD® 604 przy dwóch różnych częstotliwościach testowych

Na koniec warto wspomnieć, że Parker Chomerics projektuje i stosuje oprzyrządowanie do badania skuteczności ekranowania oraz metody testowania tak, aby odzwierciedlać powłokę przewodzącą używaną w rzeczywistych zastosowaniach. Oceniając materiały, firma działa w oparciu o podejście zakładające pełne ujawnianie informacji. Dzięki dostępnej obszernej wiedzy, użytkownicy końcowi są w stanie osiągnąć skuteczność ekranowania podobne do publikowanych danych testowych.

Dowiedz się więcej tutaj.

O dywizji Chomerics

Chomerics jest dywizją korporacji Parker Hannifin należącą do Engineered Materials Group. To światowy lider w zakresie opracowywania i stosowania materiałów elektro- i termoprzewodzących w elektronice, transporcie oraz alternatywnych systemach energetycznych. Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie www.parker.com/chomerics

O firmie Parker Hannifin

Parker Hannifin jest światowym liderem w dziedzinie technologii napędów i sterowania, znajdującym się wśród 250 największych przedsiębiorstw magazynu Fortune. Od ponad wieku firma przyczynia się do przełomowych odkryć inżynieryjnych, które prowadzą do lepszego jutra. Dowiedz się więcej na stronie www.parker.com