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向欣电子

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5G毫米波手机无线充电EMC/TIM介绍

11-25 164人看过

 

语:这几年越来越多的智能手机开始配备无线充电功能,有些用户对这个功能应该不陌生。无线充电算是这几年逐渐流行起来的一项新技术,相比传统的数据线充电有不少便利性。有人会问:无线充电为什么不需要数据线?它的充电原理是怎样的呢?

    本产品BN SHEET是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片,成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜,具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题,拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术,是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。    

 

什么是无线充电?

定义

无线充电原理是通过近场感应,由无线充电设备将能量传导到充电终端设备,终端设备再将接收到的能量转化为电能存储在设备的电池中。能量的传导采用的原理是电感耦合,可以保证无外露的导电接口,不仅可以省去设备间杂乱的传输线,对于诸如电动牙刷等经常与液体等导电介质接触的电子设备都更加安全。无线充电技术应用了电磁波感应原理,及相关的交流感应技术,在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的的一项技术, 用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电,这样的充电方式过去曾经出现在手表和剃须刀上,但是当时无法针对大容量锂离子电池进行有效充电。手机无线充电电路原理图如下图所示:

最初由英国一家公司发明了一种新型无线充电器,它看上去就像一块塑料鼠标垫,这个“鼠标垫”里装有密集的小型线圈阵列,因此可产生磁场,将能量传输给装有专用接收线圈的电子设备,从而进行充电。接收线圈由磁性合金绕以电线制成,大小和形状都与口香糖相似,所以可以很方便地贴在电子设备上。将手机等放在垫上就能充电,并能同时给多个设备充电。充电技术此前已经出现,但这项新发明更为方便实用。手机等设备只要贴上接收线圈,放置在“鼠标垫”上的任一位置都可充电,不像以前的一些技术那样需要精确定位。几个设备同时放在垫子上,可以同时进行充电。充电器产生的磁场很弱,能够给设备充电但不会影响附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品。

无线充电系统主要采用电磁感应原理,通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图所示,系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电,或用24V直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量,次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。变化的磁场会产生变化的电场,变化的电场会产生变化的磁场,其大小均与它们的变化率有关系,而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数,所以电磁波能够传播出去,而感应电压的产生与磁通量的变化相关,所以线圈内部变化的磁场产生感应电压,从而完成充电过程。

手机无线充是比较新颖的充电方式,其原理其实很简单,就是将普通的变压器主次级分开来达到无线的目的。当然,无线充的工作频率比较高,甚至可以抛弃铁心直接线圈之间就可以达到能量传递的作用。

无线充电的主要形式 

 目前无线充电主要有以下三种形式:

  1.电磁感应式无线充电

  2.磁场共振式无线充电

  3.无线电波式无线充电

无线充电原理——电磁感应式无线充电

  电磁感应无线充电是应用最多的无线充电解决方案,高中物理课本就有提及的通过初级线圈一定频率的交流电,再利用电磁感应在次级线圈中产生一

定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应。

 

无线充电原理——磁场共振式无线充电

  磁场共振式无线充电由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的

能量,是目前正在研究的一种技术。由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡,并将其取名

为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。

无线充电原理——无线电波式无线充电

  这是发展较为成熟的技术,类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器,以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

无线充电的主要特点 

 1、从理论来说,无线充电技术对人体安全无害处,无线充电使用的共振原理是磁场共振,只在以同一频率共振的线圈之间传输,而其他装置无法接受波段,另外,无线充电技术使用的磁场本身就是对人体无害的。但无线充电技术毕竟是新型的充电技术,以迈源科的无线充电器来说,很多人都会担忧无线充电技术会像当初Wi-Fi和手机天线杆刚出现一样,其实技术本身是无害的。

  2、无线充电技术利用电磁炉原理在充电器与手机之间利用磁能转化为电能,线圈和电容器则在充电时产生转化作用。

  3、这一系统可以在未来得到广泛应用,例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。采用这项技术研制的充电系统所需要

的充电时间只有当前的一百五十分之一。

  4、转化率一直是很多人担心的问题,麻省理工学院通过研究表明,无线充电技术的损耗比起有线充电技术来说更高。迈源表示:无线充电高转化,也是无线充电器得以在全球进行应用的关键因素。但无线充电技术也受到距离的限制,未来发展,必然需要解决远距离传送对于波段和磁场范围的精准定

位问题。

  5、共振控制核心芯片是无线充电技术共振原理控制中心。精准辐射范围控制,磁场频率大小,其它控制等都是由芯片实现。

EMC-吸波材料

 

定义

所谓吸波材料(Absorbing material),指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量,从而减少电磁波的干扰的一类材料。

     

  在工程应用上,除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外,还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。

 

      EMC包括两个方面的要求:

      (1) 一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值(EMI);

      (2) 另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性(EMS)。

      随着现代科学技术的发展,电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点;在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此,治理电磁污染,寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料,已成为材料科学的一大课题。

 

电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实,铁氧体吸波材料性能最佳,它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于电子设备中可吸收泄露的电磁辐射,能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律,利用高磁导率铁氧体引导电磁波,通过共振,大量吸收电磁波的辐射能量,再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。

吸波材料在设计时,要考虑两个问题,1)、电磁波遭遇吸波材料表面时,尽可能完全穿过表面,减少反射;2)、在电磁波进入到吸波材料内部时,要使电磁波的能量尽量损耗掉。

 

  按吸波材料的损耗机制分类:

1、电阻型损耗,此类吸收机制和材料的导电率有关的电阻性损耗,即导电率越大,载流子引起的宏观电流(包括电场变化引起的电流以及磁场变化引起的涡流)越大,从而有利于电磁能转化成为热能。

2、电介质损耗,它是一类和电极有关的介质损耗吸收机制,即通过介质反复极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化成热能耗散掉。电介质极化过程包括:电子云位移极化,极性介质电矩转向极化,电铁体电畴转向极化以及壁位移等。

3、磁损耗,此类吸收机制是一类和铁磁性介质的动态磁化过程有关的磁损耗,此类损耗可以细化为:磁滞损耗,旋磁涡流、阻尼损耗以及磁后效效应等,其主要来源是和磁滞机制相似的磁畴转向、磁畴壁位移以及磁畴自然共振等。此外,最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点。

按吸波材料的元素分类:

1、碳系吸波材料,如:石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管;

2、铁系吸波材料,如:铁氧体,磁性铁纳米材料 

3、陶瓷系吸波材料,如:碳化硅  ;

4、其他类型材料,如:导电聚合物  、手性材料 、等离子材料 。

 

       在日益重要的隐身和电磁兼容(EMC)技术中,电磁波吸收材料的作用和地位十分突出,已成为现代军事中电子对抗的法宝和“秘密武器”,其工程应用主要在以下几个方面。

 

隐身技术

在飞机、导弹、坦克、舰艇、仓库等各种武器装备和军事设施上面涂复吸收材料,就可以吸收侦察电波、衰减反射信号,从而突破敌方雷达的防区,这是反雷达侦察的一种有力手段,减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器袭击的一种方法。

 

 

改善整机电磁兼容性能

飞机机身对电磁波反射产生的假信号,可能导致高灵敏机载雷达假截获或假跟踪;一驾飞机或一艘舰船上的几部雷达同时工作时,雷达收发天线间的串扰有时十分严重,机上或舰上自带的干扰机也会干扰自带的雷达或通信设备……。为减少诸如此类的干扰,国外常用吸收材料优良的磁屏蔽来提高雷达或通信设备的性能。如在雷达或通信设备机身、天线和周围一切干扰物上涂复吸收材料,则可使它们更灵敏、更准确地发现敌方目标;在雷达抛物线天线开口的四周壁上涂复吸收材料,可减少副瓣对主瓣的干扰和增大发射天线的作用距离,对接收天线则起到降低假目标反射的干扰作用;在卫星通信系统中应用吸收材料,将避免通信线路间的干扰,改善星载通信机和地面站的灵敏度,从而提高通信质量。

 

RFID天线抗金属隔离应用

此应用主要是利用一类高磁道率,低损耗型吸波材料的高磁道率特性;使用时,将吸波片插入13.56MHz回形天线和金属基板之间, 增加感生磁场通过吸波材料本身,减少通过金属板的几率, 从而减少感生涡流在金属板中产生,进而减少感生磁场的损耗, 同时,因为吸波片的插入,实测的寄生电容也会减少,频率偏移减少,与读卡器的共振频率相一致,从而改善读卡距离,当然改善程度取决于吸波材料特性的优良程度.

安全保护

由于高功率雷达、通信机、微波加热等设备的应用,防止电磁辐射或泄漏、保护操作人员的身体健康是一个全新而复杂的课题,吸收材料就可达到这一目的。另外,如今的家用电器普遍存在电磁辐射问题,通过合理使用吸收材料及其元器件也可有效地加以抑制。

微波暗室

由吸收体装饰的壁面构成的空间称为微波暗室。在暗室内可形成等效无反射的自由空间(无噪音区),从四周反射回来的电磁波要比直射电磁能量小得多,并可忽略不计。微波暗室主要用于雷达或通信天线、导弹、飞机、飞船、卫星等特性阻抗和耦合度的测量、宇航员用背肩式天线方向图的测量以及宇宙飞船的安装、测试和调整等,这既可消除外界杂波干扰和提高测量精度与效率(室内可全天候工作),还可保守秘密。 

软磁吸波材料在电子设备产品的应用

 

 随着现代科学技术的发展,电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点;在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。为了治理电磁污染,寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料,因此而产生。

      

 所谓吸波材料,指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量,从而减少电磁波的干扰的一类材料。在工程应用上,除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外,还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。

 

       吸波材料是一种软磁,既可以吸收投射到其表面的电磁能量又可以隔绝电磁场免受金属干扰。在工程应用中除了要求有较高电磁性能,还需要具有重量轻柔韧好和易于模切的物理性能。吸波材料是设计工程师有效降低 EMI 的一种方法。对于不同干扰源,在考虑安装尺寸 和空间位置后选择最佳吸收材料,以确保系统的屏蔽效果 。     

 

     全频段5G智能手机传输速率、频率、信号强度等性能参数的显著提升,从核心芯片到射频器件、从机身材质到内部结构,零部件都将将迎来手机的新变革,对电磁屏蔽、导热都提出了更高要求。

 

      智能手机、平板电脑等电子设备的小型、薄型、多功能化的发展,电路基板中也将封装为数众多的电子元件,使其不断高密度化,因此抑制从IC或电缆中辐射出的噪音变得愈发重要。这类辐射噪音很难在设计阶段进行预测,因此很多情况下在制造阶段采取对策。

      EMI 吸波材料是由软磁合金粉末填充进有机高分子材料中复合而成,软磁金粉末由于具有数 子材料中复合而成,软磁金粉末由于具有复数磁导率, 赋予其吸引磁力线和消耗电磁波的能力, 因而使其具有磁场屏蔽(吸引磁力线而隔绝磁场)和吸收电磁波的作用。而有机高分子材料则维持其基本的物理性能。  

 

使用吸波材料,可以:

1)作为移动设备(笔记本电脑,数码照相机,游戏机,手机等)用柔性电缆的噪音对策;降低各种电子设备的辐射噪音(CPU、GPU、DDR、LCM、USB、MCU等产生的噪音);

2)降低手机对人体的电磁波辐射(SAR),亦可防止筐体内的内部干扰,并抑制从机壳向外发出的辐射噪音;

3)屏蔽框内的EMI(共振,串扰)对策,可降低一块基板产生的辐射噪音给另外一块基板所造成的影响;

4)改善NFC、RFID、Bluetooth、Zigbee、GPS、Wi-Fi、4G LTE、3G、5G、NB-IoT等天线接收灵敏度;
5)提高无线充电能量传输效率,规划指引磁力传输路径,减少漏磁通。

什么是5G?

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准(1G、2G、3G、4G 网络)之后的最新全球无线标准,并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外,5G有助于建立一个新的、更强大的网络,该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点,还可以连接一系列新设备,包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是:

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度(多Gbps)

•超低延迟

与前几代网络不同,5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长(通常称为毫米波)。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体,在这些高频下会遇到传输损耗,因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心,满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验,超越现有移动宽带应用所支持的水平。

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一,目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求,针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战,开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究,已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势:毫米波由于其频率高、波长短,具有如下特点:

频谱宽,配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量,适用于高速多媒体传输业务;可靠性高,较高的频率使其受干扰很少,能较好抵抗雨水天气的影响,提供稳定的传输信道;方向性好,毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大,使得传输波束较窄,增大了窃听难度,适合短距离点对点通信;波长极短,所需的天线尺寸很小,易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点:毫米波也有一个主要缺点,那就是不容易穿过建筑物或者障碍物,并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是绝缘高导热透波膜材?

       六方氮化硼(h-BN)这种二维结构材料,又名白石墨烯,看上去像著名的石墨烯材料一样,仅有一个原子厚度。但两者很大的区别是六方氮化硼是一种天然绝缘体而石墨烯是一种完美的导体。与石墨烯不同的是,h-BN的导热性能很好,可以量化为声子形式(从技术层面上讲,一个声子即是一组原子中的一个准粒子)。有材料专家说道:“使用氮化硼去控制热流看上去很值得深入研究。我们希望所有的电子器件都可以尽可能快速有效地散射。而其中的缺点之一,尤其是在对于组装在基底上的层状材料来说,热量在其中某个方向上沿着传导平面散失很快,而层之间散热效果不好,多层堆积的石墨烯即是如此。”与石墨中的六角碳网相似,六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面,互相重叠,构成晶体。晶体与石墨相似,具有反磁性及很高的异向性,晶体参数两者也颇为相近。

基于二维氮化硼纳米片的复合薄膜,此散热膜具有透电磁波、高导热、高柔性、高绝缘、低介电系数、低介电损耗等优异特性,是5G射频芯片、毫米波天线领域最为有效的散热材料之一。

  • 高导热透波绝缘氮化硼膜材主要应用

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