關(guān)于光通信模塊中電磁兼容性能的研究

1 引 言

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，光模塊以及設備的數量和種類(lèi)不斷增加，使電磁環(huán)境日益復雜，電磁污染越來(lái)越嚴重。在這種復雜的電磁環(huán)境中，如何減少各種電子設備之間的電磁騷擾，提高光模塊的電磁兼容性能，使各種設備可以共存并能正常工作，已成為電子產(chǎn)品設計中的一項關(guān)鍵內容。

電磁兼容EMC（ElectromagneTIc CompaTIbility）設計的目的是：電子設備或系統能在預期的電磁環(huán)境中正常工作，無(wú)性能降低或故障；同時(shí)，對該電磁環(huán)境不是一個(gè)污染源。為了實(shí)現電磁兼容，首先要分析形成電磁干擾的因素，才能找到解決問(wèn)題的方法。

形成電磁干擾必須同時(shí)具備以下三因素：

① 電磁騷擾源，指產(chǎn)生電磁騷擾的元件、器件、設備、分系統、系統或自然現象。

② 耦合途徑或稱(chēng)耦合通道，指把能量從騷擾源耦合（或傳輸）到敏感設備上的通路或媒介。

③ 敏感設備，指對電磁騷擾發(fā)生響應的設備。

針對以上三個(gè)因素，有多種途徑可以抑制電磁干擾的影響，而從光模塊結構設計的角度出發(fā)，采用電磁屏蔽的方法來(lái)切斷電磁騷擾的耦合途徑，是改善其電磁兼容性能的關(guān)鍵而行之有效的技術(shù)手段之一。

2 電磁屏蔽結構分析

2.1 屏蔽效能

電磁屏蔽就是對兩個(gè)空間區域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區域對另一個(gè)區域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統的騷擾源包圍起來(lái)，防止騷擾電磁場(chǎng)向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。因為屏蔽體對來(lái)自導線(xiàn)、電纜、元部件、電路或系統等外部的騷擾電磁波和內部電磁波均起著(zhù)吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽體具有減弱騷擾的功能。

屏蔽體對輻射騷擾的抑制能力用電場(chǎng)屏蔽效能SE或磁場(chǎng)屏蔽效能SH來(lái)表示：

SE=20lg（E1/E2）（dB）

SH=20lg（H1/H2）（dB）

式中E1、H1分別為未屏蔽時(shí)測得的電場(chǎng)強度和磁場(chǎng)強度；E2、H2分別為屏蔽后測得的電場(chǎng)強度和磁場(chǎng)強度。

2.2 屏蔽材料

要確定應該使用什么材料制造屏蔽體，需要知道材料的屏蔽效能和材料的什么參數有關(guān)。根據屏蔽的機理可以將屏蔽分為三大類(lèi)：電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。

電場(chǎng)屏蔽是為降低騷擾電場(chǎng)對敏感電路的耦合電壓，在騷擾源和敏感電路之間設置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。只要設法使金屬屏蔽體良好接地，就能使騷擾電場(chǎng)對敏感電路的耦合電壓變得很小。電場(chǎng)屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過(guò)大，可采用薄層屏蔽或者在塑料上鍍一層薄的導電層。

磁場(chǎng)屏蔽有低頻和高頻之分。低頻磁場(chǎng)屏蔽是利用高導磁率的材料構成低磁阻通路，使大部分磁場(chǎng)被集中在屏蔽體內。因此屏蔽體的導磁率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場(chǎng)屏蔽的效果越好。當磁場(chǎng)頻率較高時(shí)，高導磁材料的導磁率下降，磁損增加，而應采用高導電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來(lái)抵消騷擾磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現屏蔽。用來(lái)屏蔽磁場(chǎng)的屏蔽體均不需接地。

電磁場(chǎng)屏蔽一般采用高導電率的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用高導電率材料產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來(lái)抵消騷擾磁場(chǎng)，又因屏蔽體接地而實(shí)現電場(chǎng)屏蔽。由于隨著(zhù)頻率的增高，波長(cháng)變得和屏蔽體上的孔縫尺寸接近，因而電磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵除了要采用高導電率材料，還要控制屏蔽體的孔縫泄漏。

屏蔽材料的導電性能和導磁性能分別用相對電導率σr和相對磁導率μr來(lái)衡量，表1中列出了常用屏蔽材料的σr及μr值［1］。

由此可見(jiàn)，為了提高屏蔽效能，高導電率材料可采用鋁、銅，或者鋁鍍銅，要求更高時(shí)，還可再鍍層銀。高導磁率材料可采用不銹鋼或者鐵，同時(shí)可適當增加材料的厚度。

2.3 屏蔽設計

有兩個(gè)因素會(huì )影響屏蔽體的屏蔽效能：第一，屏蔽體必須是完整的，表面可連續導電；第二，不能有直接穿透屏蔽體的導體，防止造成天線(xiàn)效應。但是在實(shí)際應用中屏蔽體上往往有散熱孔，或者屏蔽體本身由若干個(gè)零件組成，存在裝配間隙。

縫隙或孔洞是否會(huì )泄漏電磁波，取決于縫隙或孔洞相對于電磁波波長(cháng)的尺寸。當波長(cháng)遠大于孔縫尺寸時(shí)，并不會(huì )產(chǎn)生明顯的泄漏;當孔縫尺寸等于半波長(cháng)的整數倍時(shí)，電磁泄漏最大。一般要求孔縫尺寸小于最短波長(cháng)的1/10～1/2。因此，當騷擾的頻率較高時(shí)，波長(cháng)較短，須關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。

對于裝配而成的屏蔽體，有以下幾種改善屏蔽效能的方式：

① 應使接觸面盡量平整，以減小接觸阻抗。

② 在接觸面上增加彈性導電材料防止電磁波的縫隙泄漏。如導電泡棉或者金屬簧片襯墊。

③ 由螺釘聯(lián)接的組裝件，可減小安裝螺釘的間距，以減小縫隙長(cháng)度。

④ 將接觸面做成單止口或者雙止口的裝配方式，以增加屏蔽體密閉性，如圖1所示。

圖1 止口結構示意圖

對于通風(fēng)孔的設計，可以使用幾個(gè)小圓孔代替一個(gè)大孔，并且保證通風(fēng)孔之間的間距大于1/2波長(cháng)。如圖2所示。

圖2 通風(fēng)孔示意圖

3 測試結果及分析

以公司產(chǎn)品為試驗平臺，在XFP模塊管殼結構設計中綜合運用上述方法進(jìn)行優(yōu)化，制作出模塊樣品，并針對該樣品進(jìn)行了實(shí)際的測試。樣品結構如圖3所示。

圖3 XFP模塊外形圖

根據FCC 47 CFR Part 15 Subpart B secTIon 15.109（a），電磁騷擾場(chǎng)強的峰值限值為74 dBμV/m，平均值限值為54 dBμV/m。

改善前的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強在水平方向的測試結果如圖4和表2所示：

圖4 改善前水平方向測試圖

表2 改善前水平方向測試數據

改善前的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強在垂直方向的測試結果如圖5和表3所示：

圖5 改善前垂直方向測試圖

表3 改善前垂直方向測試數據

改善后的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強在水平方向的測試結果如圖6和表4所示：

圖6 改善后水平方向測試圖

表4 改善后水平方向測試數據

改善后的XFP模塊電磁騷擾場(chǎng)強在垂直方向的測試結果如圖7和表5所示：

圖7 改善后垂直方向測試圖

表5 改善后垂直方向測試數據

由以上測試數據可見(jiàn)，改善后的電磁騷擾場(chǎng)強最大峰值下降了近2dBμV/m，平均值下降了近6dBμV/m。

4 結束語(yǔ)

在光收發(fā)合一模塊的結構設計中，必須要將電磁屏蔽設計作為重點(diǎn)考慮的內容。具體展開(kāi)屏蔽設計時(shí)，應先確定騷擾源的特征，再選擇合適的屏蔽材料，然后結合適當的屏蔽方式以求達到最佳的屏蔽效果。通過(guò)樣品的測試結果表明，模塊的電磁兼容性能得到了很大的改善，且模塊各項工作性能指標沒(méi)有受到任何影響。