เทคนิคการป้องกันเพื่อลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในโมดูลการสื่อสารไมโครเวฟ

ด้วยการเปลี่ยนผ่านของโมดูลการสื่อสารอิเล็กทรอนิกส์ไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้นและมีขนาดเล็กลง ปัญหาการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จึงกลายเป็นประเด็นสำคัญที่คุกคามประสิทธิภาพของระบบ ระบบคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) สำหรับเครือข่าย 5G ระบบอวกาศและระบบอิเล็กทรอนิกส์การบิน (avionics) รวมถึง EMI ที่ไม่พึงประสงค์ในเรดาร์เทคโนโลยีสูง อาจส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณอย่างรุนแรง จนก่อให้เกิดปรากฏการณ์การรบกวนระหว่างสัญญาณ (cross-talk) และนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบทั้งระบบได้ การป้องกันการรบกวนด้วยการหุ้ม (Shielding) จึงจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้มั่นใจว่าระบบจะสามารถควบคุมและปฏิบัติงานได้อย่างเหมาะสม บริษัท Linkworld มีประสบการณ์มากกว่า 20 ปี RF และเรารู้ดีว่าการป้องกันการรบกวนด้วยการหุ้มในยุคปัจจุบันนั้นมีลักษณะแบบหลายชั้น (multilayered) คู่มือนี้กล่าวถึงกลยุทธ์พื้นฐาน 4 ประการในการลด EMI สำหรับโมดูลการสื่อสารไมโครเวฟ

การหุ้มขั้วต่อขั้นสูงและการเชื่อมต่อแบบมีตัวกรอง

อินเทอร์เฟซของตัวเชื่อมต่อเป็นช่องทางเข้าที่สำคัญมากสำหรับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า การสร้างการติดต่อพื้นแบบ 360 องศาอย่างต่อเนื่องทำให้ได้ออกแบบที่ป้องกันสัญญาณรบกวนได้อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เกิดเสาอากาศที่ไม่ต้องการ ซีรีส์ I-PEX MHF® 7S ใช้สถาปัตยกรรม ZenShield® ซึ่งช่วยลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ของอุปกรณ์ 5G mmWave ได้จนถึงความถี่ 15 GHz โดยการต่อขาสัญญาณเข้ากับจุดติดต่อพื้นของตัวรับในรูปแบบ stripline และสร้างสภาพแวดล้อมที่มีค่าความต้านทานเฉพาะสำหรับคลื่น mmWave ของระบบ 5G แบบกลวงที่ควบคุมได้ เพื่อจำกัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ภายใน นอกจากนี้ ขั้วต่อ RF ที่มีตัวกรองยังผสานเทคโนโลยีลด EMI ไว้ภายในตัวด้วย โดยในขั้วต่อ BNC ที่มีตัวกรองของ Amphenol นั้น EMI จะถูกต่อลงกราวด์ผ่านตัวเก็บประจุชนิดชิปที่แยกแรงเครียดจากการยึดติดไว้ระหว่างแผ่นโลหะป้องกันกับแผ่นยึดติด จึงสามารถส่งสัญญาณที่ต้องการได้โดยไม่สูญเสีย บริษัท Linkworld ให้บริการผลิตเวอร์ชันที่ปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะสำหรับปัญหา EMI บางประการในพอร์ตโฟลิโอของตน

บรรจุภัณฑ์แบบ Gap Waveguide สำหรับการป้องกันระดับโมดูล

เทคนิคการป้องกันแบบดั้งเดิมอาจประสบปัญหาการแพร่กระจายคลื่นผ่านโพรง (cavity) และโครงสร้างแบบแผ่นขนาน (parallel-plate) ซึ่งทำให้วงจรต่างๆ เชื่อมโยงกันโดยไม่ตั้งใจ เทคโนโลยีเวฟไกด์ช่องว่าง (gap waveguide) เป็นวิธีแก้ปัญหาอย่างสิ้นเชิง โดยเป็นเทคนิคที่ใช้โครงสร้างแบบเป็นคาบ (periodic structures) ซึ่งอาจมีรูปแบบเป็นแนวเข็มกลัด (beds of nails) หรือฝาครอบที่มีหมุด (lids of pins) เพื่อกำหนดเงื่อนไขการตัดคลื่น (cutoff conditions) สำหรับโหมดแบบแผ่นขนานทั้งหมดในทุกชุดประกอบ (assemblies) ทั่วทั้งระบบ (oversized) โครงสร้างนี้ถูกนำมาใช้เพื่อปราบปรามโหมดโพรงที่ไม่ต้องการ รวมทั้งสัญญาณรบกวนจากซับสเตรตและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI feedback) ภายในแถบหยุด (stop-bands) ซึ่งหากปล่อยไว้จะทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง งานวิจัยด้านการบรรจุภัณฑ์แบบเวฟไกด์ช่องว่าง (gap waveguide packaging) แสดงให้เห็นว่า การบรรจุภัณฑ์แบบเวฟไกด์ช่องว่างสามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มระดับการแยกสัญญาณ (isolation) ขององค์ประกอบวงจรไมโครสตริป (microstrip circuit elements) ในโมดูลความถี่สูงได้ โครงสร้างแบบเป็นคาบเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นบนตัวเรือนหรือฝาครอบของโมดูล โดยไม่จำเป็นต้องปรับแต่งภายในอย่างละเอียดซับซ้อน ซึ่งส่งผลให้แอปพลิเคชันที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ (space-starved applications) มีความสามารถในการเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic compatibility) ที่เหนือกว่าอย่างมาก ทีมวิศวกรของ Linkworld ได้นำเทคนิคการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเหล่านี้มาผสานใช้งาน เพื่อมอบประสิทธิภาพการป้องกันที่ดีที่สุด

วัสดุป้องกันการรบกวนระดับแผงวงจรและวัสดุดูดซับสัญญาณ

ในระดับบอร์ด แผ่นป้องกันที่นำไฟฟ้าซึ่งเชื่อมต่อกับวัสดุดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงมากในการลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่ระดับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แผ่นป้องกันที่ใช้ในระดับบอร์ดจะทำหน้าที่เป็นอุปสรรคเชิงนำไฟฟ้าเพื่อขัดขวางการปล่อยคลื่นรบกวน และพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ต้องการจะถูกเปลี่ยนให้กลายเป็นความร้อนโดยวัสดุดูดซับ โซลูชันใหม่เหล่านี้ผสานเทคโนโลยีหลายประเภทเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะในแง่ของช่วงความถี่ — อุปสรรคที่ไม่สะท้อนคลื่น (reflectless barriers) ถูกสร้างขึ้นด้วยซีลแบบนำไฟฟ้า (conductive gaskets) และแผ่นป้องกันที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้า (pre-shaped shields) ส่วนพลังงานที่มิฉะนั้นจะถูกสะท้อนกลับไปยังตำแหน่งอื่น จะถูกดูดซับโดยวัสดุดูดซับแบบไฮบริด (ผสมผสานระหว่างโลหะและพอลิเมอร์) กลยุทธ์แบบสองชั้นนี้มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งโดยเฉพาะในบอร์ดที่มีความหนา ค่าการลดทอน (attenuation) ของการป้องกันขึ้นอยู่กับการเลือกวัสดุเป็นหลัก โดยตาข่ายน้ำหนักเบาที่ประกอบด้วยเงิน/โพลีเอไมด์ (silver/polyamide) มีค่าการลดทอนอยู่ที่ 50–70 เดซิเบล ขณะที่คอมโพสิตทองแดง/นิกเกิล/โพลีเอสเตอร์ให้ค่าการลดทอนได้ถึง 70–100 เดซิเบล และวัสดุทองแดง/โพลีเอสเตอร์แบบพิเศษสามารถให้ค่าการลดทอนได้สูงยิ่งขึ้นอีก ในกรณีที่เทคนิคแบบเดิมไม่สามารถให้ระยะปลอดภัย (margin) ที่จำเป็นได้ ระบบป้องกันที่เสริมด้วยวัสดุดูดซับจะช่วยจัดหาค่าระยะปลอดภัยที่จำเป็นสำหรับโมดูลไมโครเวฟ วัสดุไฮเทคใหม่เหล่านี้ถูกนำไปใช้งานในชุดประกอบแบบกำหนดเอง (custom assemblies) สำหรับแอปพลิเคชันที่ไวต่อการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI-sensitive applications) โดยบริษัท Linkworld

พื้นผิวที่เลือกความถี่เฉพาะสำหรับการควบคุมสัญญาณรบกวนแบบมีเป้าหมาย

ในกรณีที่เกิดการรบกวนจากช่วงความถี่ที่กำหนด อาจใช้พื้นผิวที่เลือกความถี่เฉพาะ (Frequency Selective Surfaces: FSS) เพื่อให้ความถี่ที่ต้องการผ่านได้ ในขณะที่ปฏิเสธความถี่ที่ไม่ต้องการ โครงสร้างแบบเป็นคาบเหล่านี้ยังเรียกว่าตัวกรองเชิงพื้นที่ (spatial filters) ซึ่งทำหน้าที่กรองพลังงานที่มีความถี่เฉพาะ ปัจจุบันพบว่าโครงสร้าง FSS มีประสิทธิภาพสูงมากในการแก้ไขปัญหา EMI ที่รุนแรง เช่น ความทนทานของเรดาร์วัดความสูงด้วยคลื่นวิทยุสำหรับอากาศยาน (radio-altimeter 4.2–4.4 GHz) ต่อการรบกวนจากสัญญาณ 5G ย่าน sub-6 GHz (3.7–3.98 GHz) ข้อเสนอแนะนี้ใช้แนวคิดที่อาศัยเซลล์หน่วย FSS แบบสองแถบความถี่ (dual-band FSS unit cells) ซึ่งสร้างแถบผ่านแคบ (narrow passbands) ที่ความถี่ 4.3 GHz (มีการสูญเสียการแทรกสอด (insertion loss) เพียง 0.5 dB) และสร้างแถบตัด (stopbands) ที่ความถี่ที่ก่อให้เกิดการรบกวน โครงสร้างประเภทนี้สามารถติดตั้งไว้ใต้เสาอากาศได้ โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ใดๆ ทั้งสิ้น ส่วนประกอบต่างๆ เช่น เรดาโอม (radomes), ฝาครอบ (housings) หรือแผ่นดิน (ground planes) ภายในโมดูลที่ทำงานภายใต้สภาวะสเปกตรัมที่แออัด จะติดตั้ง FSS เพื่อให้การป้องกันแบบเลือกความถี่ โดยไม่ลดทอนสัญญาณอย่างกว้าง (broadband attenuation) ทั้งนี้คำนึงถึงความถี่ของสัญญาณที่ต้องการเป็นหลัก Linkworld ประเมินโซลูชัน FSS สำหรับปัญหา EMI ที่เฉพาะเจาะจง

เทคนิคแบบหลายชั้นที่จัดการกับเส้นทางรบกวนทั้งหมดที่อาจเกิดขึ้นเป็นวิธีเดียวที่มีประสิทธิภาพในการลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) การรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณต้องอาศัยขั้วต่อที่มีความแม่นยำสูงซึ่งมีคุณสมบัติกรองสัญญาณ บรรจุภัณฑ์แบบปิดรอยต่อที่ประกอบด้วยเวฟไกด์ แผ่นป้องกันระดับบอร์ดที่ใช้วัสดุดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และพื้นผิวที่เลือกความถี่ได้ (Frequency Selective Surfaces) แผนการป้องกันแบบครอบคลุมมีความสำคัญยิ่งขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากความถี่และหนาแน่นของสัญญาณเพิ่มสูงขึ้น Linkworld ให้บริการด้านคลื่นวิทยุ (RF) และการควบคุม EMI มาเป็นเวลา 20 ปี โดยจัดหาส่วนประกอบ ชุดประกอบเฉพาะทาง (Custom Assemblies) รวมทั้งคำแนะนำด้านวิศวกรรมแก่ลูกค้า เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือสูงในแอปพลิเคชันที่ท้าทาย ติดต่อเราในวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของท่านสำหรับการป้องกันโมดูลไมโครเวฟ