EMI te lijf met microgolf absorbers

Ongewenste straling omzetten in warmte

De EMC-richtlijnen zijn duidelijk als het gaat om apparaten die te veel elektromagnetische golven uitzenden of juist gevoelig zijn voor straling die van buiten komt. In beide gevallen voldoet de elektronica niet aan de standaard en mag deze niet de CE-markering dragen. Ontwikkelaars doen er dan ook alles aan om dit te voorkomen. Afscherming is daarbij de eerste stap. Toch is dit niet het enige dat kan helpen om EMI te voorkomen. Absorberen van de elektromagnetische straling is ook nog een oplossing.

EMI speelt eigenlijk overal een rol, maar de laatste tijd zien we met name binnen de auto-elektronica dat dit probleem aanzienlijk is toegenomen. De hedendaagse auto’s zitten vol met geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS).  We hebben het dan over componenten zoals achteruitrijcamera’s, waarschuwingssystemen voor rijstrookdetectie, parkeerhulpautomaten en adaptieve cruisecontrol. Vooral bij die laatste categorie speelt EMI een belangrijke rol. Lidar en radar moeten de auto voorzien van informatie over zijn omgeving, waarbij radar de grote ‘boosdoener’ is als het gaat om EMI. De hoogfrequente signalen die door deze systemen uitgezonden worden, mogen geen storing in de elektronica van andere auto’s verzorgen. En uiteraard ook niet in die van de eigen auto.

Moderne rijervaring

ADAS-systemen zijn een belangrijk onderdeel geworden van de moderne rijervaring. Hoewel deze technologie een sleutelrol speelt bij het voorkomen van ongevallen of het verminderen van de ernst van ongevallen die niet kunnen worden vermeden, brengt zij ook veel technische uitdagingen met zich mee. Complexe sensor- en radarconstructies die in moderne auto’s worden gebruikt, zijn onderhevig aan zware elektromagnetische interferentie van omringende elektronica, om nog maar te zwijgen van de EMI-straling van het apparaat zelf. Deze stoorbronnen kunnen onnauwkeurigheden in de gegevens veroorzaken en de veiligheid en betrouwbaarheid verminderen.
EMI-afschermingsmaterialen zijn een essentieel onderdeel om ervoor te zorgen dat deze systemen betrouwbaar en goed functioneren. De gebruikte materialen moeten hoogwaardig en flexibel zijn, omdat ontwerpvereisten meestal vaag en breed zijn.

Inblikken

Het gebruik van metalen behuizingen die als kooi van Faraday werken en dus hoogfrequent dicht zijn, is een belangrijke stap om EMC-problemen te voorkomen. Waar EM-velden niet binnen kunnen komen, kunnen deze immers ook niet tot problemen leiden. Toch wil dit niet zeggen dat daarmee de problemen buiten de deur gehouden worden. Sterker nog, de metalen behuizing kan als resonantieruimte gaan werken waardoor bepaalde frequenties juist binnenin tot ellende kunnen leiden. Vergeet niet dat de schakeling in de afgeschermde ruimte ook zelf elektromagnetische golven kan opwekken. De hoge klokfrequentie van de microcontrollers alsmede de elektronica van bijvoorbeeld het radarsysteem kunnen binnen in de ruimte op de resonantiefrequentie van de afscherming tot niveaus komen die andere delen van de schakeling beïnvloeden. Afscherming binnen de afscherming is dan noodzakelijk. Of dit tot het gewenste resultaat leidt, is echter de vraag. Veel beter is het om de elektromagnetische straling zelf te lijf te gaan en er voor te zorgen dat het stralingsniveau binnen de ruimte beneden een gewenst niveau blijft.

Microgolfabsorbers

Hoe raak je de stralingsenergie kwijt die uitgestraald wordt door de componenten in de schakeling? Als afscherming niet werkt of niet handig is, blijft absorberen van de energie een goed alternatief. Speciaal voor dit doel zijn er materialen ontwikkeld die dit kunnen. Deze zogenaamde microgolfabsorbers zijn speciale materialen, vaak op basis van een elastomeer of rubber, die gevuld zijn met diëlektrische ferromagnetische materialen. Net zoals bij spoelen met een ferrietkern hebben ook deze ferromagnetische materialen een grensfrequentie waarboven ze in verzadiging komen. Van dit effect maken de absorberende materialen gebruik. Door in verzadiging te gaan zorgen ze er voor dat de energie van het elektromagnetische veld opgenomen wordt en omgezet wordt in warmte. De mate van verzwakking van de energie is afhankelijk van de frequentie en de elektrische permittiviteit (diëlektrische constante) en magnetische permeabiliteit van het materiaal. De mate van verzwakking varieert dus per frequentie.
De techniek die hier gebruikt wordt, is dezelfde als bij het onzichtbaar maken van vliegtuigen voor radar. Ook daar zorgen ferrietpoeder vermengt in bijvoorbeeld de verf voor absorptie van de radarstraling.
Voor het gebruik als EMI-absorptie heeft Parker Chomerics een drietal materialen beschikbaar, namelijk CHO-MUTE 9005, 9009 en 9025. Deze op elastomeren gebaseerde absorbeermaterialen zijn ontworpen om een gebruiksvriendelijke benadering te bieden voor de vermindering van ongewenste elektromagnetische straling van elektronische apparatuur en om kruiskoppeling tussen holtes en microgolfresonanties binnen de afscherming te minimaliseren. Deze materialen bestaan uit een siliconenelastomeermatrix met ijzerhoudend vulmateriaal en bieden HF-absorptieprestaties over een frequentiebereik van 500 MHz tot 18 GHz.
Zowel CHO-MUTE 9005, 9009 als 9025 bieden klanten veel aanpassingsmogelijkheden, waardoor ze aan elke technische specificatie kunnen voldoen. De materialen worden aangeboden als plaatmateriaal van 10 x 20 inch met verschillende diktes met of zonder drukgevoelige lijm (afbeelding 1). Ze zijn flexibel en kunnen gemakkelijk worden gestanst voor gebruik bij het empirisch testen van absorptieoplossingen of in holtes worden gemonteerd. Omdat beide materialen zijn getest en gecertificeerd volgens de UL 94 V-0 ontvlambaarheidsnorm, kunnen ze worden gebruikt in nauwe ruimtes met elektronische circuits om ongewenste elektromagnetische straling te verminderen door absorptie van signalen en vermindering van reflecties van metalen oppervlakken. Voor de vervaardiging van onderdelen op maat is een grote verscheidenheid aan fabricagetechnieken beschikbaar.

Hoe te gebruiken

Er zijn twee algemene scenario’s voor het gebruik van microgolfabsorberende materialen. Als eerste kunnen resonantieruimtes binnen de afscherming hiermee (deels) gevuld worden. Net als in de luidsprekertechniek wordt het dempingsmateriaal het liefst tegen de wanden van de ruimte geplakt. Hierdoor wordt niet alleen de stralingsenergie geabsorbeerd maar voorkomt dit tevens reflectie waardoor staande golven tegengegaan worden. De reflecterende straling passeert immers twee maal het materiaal en wordt dus 3 dB extra gedempt. Afbeelding 2 toont hoe dit zou kunnen.
Afbeelding 3 toont de tweede methode. Bij deze nabijveldabsorptie zorgt het materiaal er direct voor dat de uitstraling van HF-energie vanuit het IC direct gedempt wordt. Ook omgekeerd werkt deze methode. Energie van buiten het IC kan zo ook minder goed de chip bereiken. Belangrijk bij deze toepassing is de elektrische geleidbaarheid. Om geen ‘kortsluiting’ te veroorzaken, moet het materiaal een zeer hoge soortelijke weerstand hebben.
Hoe goed het materiaal uiteindelijk werkt, is van te voren niet altijd goed te voorspellen. Er zijn vele factoren die zullen bepalen hoe goed een bepaalde absorber in een toepassing zal dempen. Experimenten en veel meten moet uitwijzen wat de optimale configuratie voor uw applicatie is.

Ontwerp voorwaarden

Wie voor de auto-industrie elektronica ontwikkelt, moet er rekening mee houden dat deze producten flexibel en aanpasbaar moeten zijn. De specificaties van elke autofabrikant zullen verschillen qua maat, vorm en dikte, en ingenieurs moeten altijd fabricagewijziging verwachten. Daarnaast speelt de prijs van het product ook een belangrijke rol. Hoewel er verschillende opties zijn voor EMI-afscherming, zijn absorbers ideaal voor hogere frequenties. Complexe metalen afschermingen die op de print gemonteerd moeten worden, kunnen kostbaarder zijn en bieden minder flexibiliteit dan een laagje dempingsmateriaal dat op de schakeling geplakt wordt.

EEMC is de officiële Benelux distributeur van Parker Chomerics.