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ZenShield® 白皮书

摘要

FCC所规定的辐射排放限制符合性要求一直是数字系统设计者面临的长期且日益严峻的挑战。为了通过FCC对于电子系统辐射排放的符合性测试，选择合适的元器件已经困扰了系统设计工程师几十年。  通常用于天线分析的模拟辐射电场模式研究，在这里被用来评估低成本、高性能互连系列的单个组件的辐射特性。  
 

ZenShieldZenShield®

ZenShield®是I-PEX小型连接器系列的品牌名称，这些小型连接器具有高性能的EMC屏蔽设计。 ZenShield®允许将连接器放置在靠近高性能无线通信系统中常见的敏感子系统（如发射/接收天线）的位置，从而为电路板设计人员提供了更大的设计灵活性。

 

CONTENTS

 

背景资料

自1976年美国联邦通信委员会(FCC)开始在《CFR 47 Part 15, Subpart B》中定义了辐射排放规范以来，电子业已经取得了长足的进步。  在本节中，任何超过10KHz的数字信号，时钟信号都需要满足辐射排放的要求。 过去(现在仍然)有两类设备的辐射排放是由FCC监管的:  
　　A类商用装置，对辐射排放有较严格的限制  
　　B类消费者使用器械，相对来说, 限制没有那么严格 (见图1)。  

WP_ZenShield_1.png
图1 – FCC规定的辐射排放限值标准

FCC会关心计算机的CPU处理信息的速度或者平板显示器的分辨率，一般人通常认为这很奇怪。  然而，当人们考虑到现代数字信号(现在通常以千兆位数据速率运行)急剧升降、快速上升，下降的脉冲信号会导致时变的电场和磁场传播到周边，那么这就不足为奇了。FCC严格确保电磁频谱得到合理分配、保护和管理，以避免对空中通信(即无线电、电视、移动电话、卫星、地面点对点等)的发生相互干扰。    
整个频谱都被细分、保护和授权给预定用户—需要频段的通信公司。随着电子设备、通信技术和数据应用的不断发展，FCC在各自频段内确保所有用户的带宽可用性和兼容性的工作变得越来越困难，但是其重要性却越来越大。不管出于什么样的设计目的，许多需要高速数据传输的数字设备有时会无意地成为辐射器，这会危及其他通信正确分配的电磁频谱以及使用的安全性。  
正如前面提到的，自从美国联邦通信委员会(FCC)开始解决诸如20世纪70年代的苹果II个人电脑以及IBM个人电脑等设备的非故意的辐射排放问题以来，已经摸索着走过了一段漫长的道路。今天，数据中心、5G无线通讯、云端连接、高清分辨率的视频和汽车电子的爆发式增长及其对超带宽的渴求，需要继续对设备和元器件进行优化设计，以创建符合电磁兼容性的环境。  
此外，对于产品小型化的极致追求和成本控制的同时，仍必须考虑产品良好的电气特性，为OEM厂商和最终用户实现最佳解决方案。 越来越高的数据速率对于元器件的屏蔽性能提出了更高的要求，同时制造商也在不断努力，在比较短的产品生命周期情况下，不断降低生产成本。   
在如今的电子系统设计中，具有屏蔽性能的元件通常是不具备可选性，而且电子系统通常采用千兆级数据传输率，因此 I-PEX敏锐地意识到电子系统对高质量、超小型、精密互连，以及电磁兼容性的需求。为了对应这些需求，减少设计者的困扰，I-PEX公司研发了ZenShield®系列连接器。  ZenShield® 连接器是专门为毫米波和千兆应用设计的，适用于5G通信、视频显示和手持设备等多种应用环境。  
 

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ZenShield® 系列

ZenShield®系列连接器由I-PEX品牌下的十几种不同类别的连接器组成。本白皮书将重点介绍其中三种连接器，可以应用于不同类型的产品中。

类别1 – MHF®7S 极细同轴线射频连接器(MCX), 低背型 (高度1.4 mm)

类别2 – NOVASTACK®35-HDN Board-to-Board Connectors, Ultra-Fine Pitch, Micro-Profile (0.7 mm height)

类别3 – EVAFLEX®5-HD FFC/FPC Connector, Flex Circuit, High-Speed, Low-Profile (2 mm height)

 

 

MHF 7S

图2 – MHF® 7S 射频同轴线连接器

类别1– MHF®7S RF Coaxial Connector

MHF 7S是一种小型化连接器，采用了新颖的带状线发射设计。 业界首创的连接器设计显著提高了同轴传输线的屏蔽效果。 它改善了抗电磁干扰的性能，是5G毫米波应用的理想选择。 它在15 GHz时最大驻波比为1.5，采用2.0 x 2.0 mm大小的PCB封装， 嵌合高度为1.4 mm (max)，可采用32AWG同轴线(1.13 mm OD)  

  • 无卤素（技术）
  • 通过无铅认证
  • 符合欧盟REACH法规
NOVASTACK 35-HDN

图 3 – NOVASTACK® 35-HDN 板对板连接器

类别2 – NOVASTACK® 35-HDN板对板连接器

NOVASTACK®35-HDN是为5G 毫米波模块而开发的板对板连接器产品。 具有完全屏蔽的特性，0.35毫米的超小间距和0.7毫米的嵌合高度。 该连接器非常适合高频和高速传输应用，如5G 毫米波传输, Thunderbolt™3,DP, PCI和其他高达15GHz的高频应用。

  • 无卤素（技术）
  • 通过无铅认证
  • 符合欧盟REACH法规
EVAFLEX 5-HD

图 4 – EVAFLEX® 5-HD FFC/FPC 连接器

类别3- EVAFLEX® 5-HD FFC/FPC 连接器

EVAFLEX®5-HD是一款0.5 mm间距的连接器，具有自动锁扣功能。 它是水平插拔的，具有完全屏蔽的功能。 主要特点包括:

  • 360°全屏蔽，多点接地，防止EMI外泄
  • 专为高速信号传输而设计(>10 Gbps, USB 3.1 Gen2速度)  
  •  自动锁扣设计，符合人机工程学，便于手动或机器人组装 
  •  最大高度: 2.20 mm，(公称2.00 mm)
  • 24Pin
  • 无卤素（技术）
  • 通过无铅认证

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连接器的EMC特性解析

辐射电场发射

对于FCC(或其他EMC监管机构)，电磁合规性主题必须设定并解决整台计算机或设备的辐射限值。 由于数字电子系统是由许多元器件组成的，因此可以肯定的是，单个无屏蔽的元器件有可能成为电磁辐射源，超过了允许的限度，成为瓶颈，从而导致整个系统无法通过EMC合规性测试。  
为了评估元器件的屏蔽效果，有几种方法，简述如下: 

  1. 全波电磁模拟 使用3D Field Solver工具软件，如Ansys HFSS(高频结构模拟器)，CST microwave Studio或类似的应用程序。  在这些仿真环境中，连接器的3D力学模型被导入到模拟器中，并以最能代表其预期案例的方式安装到电缆、PCB或其他传输线结构上。 模拟端口在相应的传输线结构的适当点上定义，或者可能在连接器本身的输入端子上定义。 输出端子连接到较短长度的传输线结构(同轴线、PCB、软排线，等等)上，并在传输线输出特性阻抗。  然后在3D solver中设置各种电气条件，如频率范围、波长、信号幅值、边界条件等，然后对与结构相关的结果场进行网格划分和迭代求解。  在EMC分析中，辐射E场发射是分析屏蔽效果的常用指标。
  2. 室内屏蔽消声室基本上是一个大的金属箱，有一扇金属门，关闭时会利用电力将门密封。该空间(或暗室)有一个非金属转台用于定位被测设备(DUT)，一个接收天线和适当的传输线固定装置，并用于测量来自DUT的辐射排放。 在无源DUT的情况下，同轴输入电缆从房间外的信号源，通过安装在墙壁上的隔板同轴线连接器，在DUT内产生信号，然后，被测器件配置一个屏蔽终端负载，以消除任何通过被测器件返回的多余的传输线反射。  

这种方法的优点是，这些暗室通常用于蜂窝OTA测试(OTA:空中)的测量，室内范围通常校准为与露天测试场地(OATS) 等效。  OTA数据最初是FCC出于第15部分，第J部分的合规目的而要求的。  
在这个测试中，被测器件被安装到适当的传输线(TL)结构上，并在输出TL的特性阻抗。  输入线由信号发生器供电。 当信号功率连接到DUT(在适当的频率)时，转盘开始扫瞄DUT(或接收天线)。任何辐射都被接收天线检测到，并传送到频谱分析仪或功率计。  对于带屏蔽功能的连接器和不带屏蔽功能的连接器来说，通常也要做这种测试，以确定连接器所采用的屏蔽方式是否具有屏蔽效果。    

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图5 -天线测量范围图

 

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第一部分

HFSS三维仿真结果

为了简单明了，本文采用全波电磁仿真方法对三种连接器产品的最大E场泄漏进行了分析。 Ansys HFSS全波3D solver提供了对连接器进行评估的仿真环境。 

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图6 -关于Axis约定的参考说明

 

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类别1的结果

MHF®7S极细同轴线射频连接器，低背，带状线发射，带锁扣的连接器，HFSS分析

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图7 - MHF®7S驱动信号模拟设置

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图8 - MHF®7S端口分配

 

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图9 - MHF®7S YX EMI平面辐射图

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图10 - MHF®7S XZ EMI平面辐射图

 

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图11 - MHF®7S YZ EMI平面辐射图

Table1_RF-Micro-Coaxial-Connector-Shielded-vs-Unshielded_0.png
表1 -射频极细同轴线连接器，屏蔽与非屏蔽，辐射屏蔽效果

 

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类别2的结果

NOVASTACK®35-HDN板对板连接器，超小间距(0.35 mm) 5G 毫米波应用，HFSS分析

 

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图12 - NOVASTACK®35-HDN驱动信号模拟设置

 

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图13 - NOVASTACK®35-HDN板对板连接器，适用于5G的超小间距，端口分配

 

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图14 - 5G YX EMI平面辐射模式的超小间距连接器

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图15 - 5G超小间距连接器，XZ EMI平面辐射图

 

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图16 – 适用于5G的超小间距连接器，YZ EMI平面辐射图

 

Maximum_E-Field_Radiated_Emissions.png

表2 -模拟屏蔽与非屏蔽，辐射屏蔽效能

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类别3结果

EVAFLEX®5-HD FFC/FPC连接器，柔性电路，高速，低背(2毫米高度)，小间距(0.5毫米)HFSS分析 

 

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图17 - Flex电路连接器，驱动信号模拟设置

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图18 - Flex电路连接器，端口分配

 

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图19 - Flex电路连接器，YX EMI平面辐射模式

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图20 - Flex电路连接器，XZ EMI平面辐射模式

 

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图21 -柔性电路连接器，YZ EMI平面辐射图

Maximum_E-Field_Radiated_Emissions_SE.png

表3 -柔性电路，屏蔽与非屏蔽，辐射屏蔽效果

类别1,2,3连接器的比较

Net Improvement in Radiated Shielding Effectiveness
表4 -极细同轴线、超小间距和柔性电路连接器的比较:屏蔽与非屏蔽、辐射屏蔽效果

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第二部分

最大电场辐射泄漏分析

(第1部分延伸至元器件 选择的结果)  

从表4可以看出，三种带有屏蔽盖设计的连接器的屏蔽性能在1 GHz到10 GHz频段都有了很大的提高。 在第2部分中，将进一步利用这些最大辐射E场结果来量化候选互连组件的最大输入功率，确认该组件是否仍符合FCC规范。 

简化的假设。 为了保守估计适用于组件的最大允许功率，有一个可靠的简化假设。 这种极为保守的假设是，应用到连接器上的所有电源都可以向外发生辐射。 在实际情况下，只有一小部分“输入功率”可能会辐射出去， 大部分的电力将沿着传输线传递给预期的设备负载。 

 

最大E场辐射(屏蔽连接器的辐射)如何与根据FCC OATS或3m室内符合性测试方法中测量的电场(标准化到3米)相关  

为了测量最大电场辐射，必须使用常用的天线特性方法来确定屏蔽连接器的辐射模式。 在实际测量系统中，屏蔽连接器的辐射排放可以(有很大希望是)低于常规测量设置的背景噪声水平。 降低频谱分析仪的分辨率带宽(RBW)，或视频带宽(VBW)，和/或降低频率跨度，这些都需要伴随增加扫描时间，可以充分降低噪声底限，以允许检测来自DUT的泄漏信号。 然而，这也将大大增加整个θ角和φ角的测试时间。  
在获得辐射e场泄漏数据后，可以很容易地计算在实际使用情况下给定输入电源连接器的最坏情况e场辐射。 [当然，这没有考虑到使用屏蔽罩、密封垫或其他EMI缓解措施所产生的额外屏蔽效果]。 也请参考前面所作的简化假设。 
利用ANSYS HFSS全波场求解器模拟得到了最大电场辐射。 将连接器(DUT)作为未知天线处理可获得最大的e场发射值。 方程1显示了连接器最大辐射(Leakagedut)、DUT的输入功率(Pin)和等效全向辐射功率(EIRP)之间的关系。  

Equation 1E-2


总结: 模拟产生了最大泄漏互联系统中的连接器(DUT)泄漏（Leakagedut)，这个Leakagedut和Pin (在模拟中设置)使用Eq. 1来给出从DUT辐射的最大输出功率(EIRP)。 将该EIRP插入Eq. 2，给出r=3m时的预期最大e场(用于模拟FCC符合性测试结果)。  
但我们想知道的是，我们是否能确定哪一个连接器达到了最大泄漏，预期达到或超过FCC的辐射排放限制。 为了确定这一点，可以结合式(1)和式(2b)求解出在FCC 3m试验室内仍能满足辐射场强限制的DUT的最大输入功率。  

equation3-equation4.png

通过ZenShield®系列连接器的模拟到最大e场泄漏的优势，并代入方程4，这些DUT仍有望通过FCC 3m腔室测试的最大允许输入功率级别可以绘制出来。 图1和图2分别显示以dBm和mW方式计算下的最大允许输入功率。  

折线图1

graph-1_maximum-permissible-input-power-level.png

折线图2

graph-2_maximum-permissible-input-power-level.png

从图1和图2中，确定了最坏情况(最低允许)的功率级别(通常发生在10 GHz)。 这是一个正弦信号在指定频率将产生辐射e场(r=3m)的功率级，不超过FCC的辐射排放限值。 对于三种屏蔽ZenShield®连接器，最大允许功率水平列于表5。  

Table5_Maximum-Permissible-Power-Level.png
表5 -最大允许功率级别

每个DUT的最大输入功率根据表5所列的值确定。 结果边际图分别在MHF®7S, NOVASTACK®35-HDN和EVAFLEX®5- hd连接器(屏蔽/非屏蔽)的图3,4,5中生成。  

 

折线图3 

G-3

 

折线图4 

graph-4_expected-fcc-class-b-radiated-emissions.png

 

折线图5 

 

graph-5_expected-fcc-class-b-radiated-emissions.png

 

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结论

因此，这是一个有趣的数据，但有人可能会问，“如果我们使用ZenShield®连接器，如果输入功率限制在图3-5建议的最大Pin，我们的产品能通过FCC合规测试吗?” 这个问题的答案比较微妙。 由于FCC的符合性测试是一个完整的系统测试，我们不能想当然的认为使用单个组件就能保证整个系统通过辐射排放的法规符合性标准。  
然而，应该可以说，如果他们的系统未能通过FCC符合性测试，并且如果内部功率水平没有超过在模拟中使用的功率水平(Po <= Pmax)，那么系统不应该是由于使用这种特定的ZenShield®组件而失败。 我们相信，本设计指南是一个有用的起点，以协助设计人员选择合适的毫米波或千兆位互连元件 。

请访问I-PEX网站了解其他ZenShield®连接器产品。 对于物空间小、容量大、高频的应用，成本、空间、带宽、性能和辐射限制都必须满足和遵守的您来说，ZenShield®系列连接器将会是一个非常适合的应用的解决方案。  
 

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