Cómo satisfacemos la necesidad de blindaje EMI de frecuencia ultra alta para redes 5G

David Inman, gerente de Servicios de Aplicaciones y Pruebas, Parker Chomerics30/11/2023

La promesa del 5G existe desde hace un tiempo, pero aún queda mucho camino por recorrer antes de que la posibilidad de descargar una película de dos horas en tres segundos sea una práctica común. Los principales actores en el mercado de las telecomunicaciones trabajan arduamente para superar varios obstáculos técnicos y ofrecer el potencial de 5G. Entre las áreas clave de enfoque se encuentran las técnicas y los materiales únicos de blindaje de EMI para controlar la interferencia electromagnética (EMI) y mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC).

El 5G es un campo amplio de desarrollo y hay muchos problemas notables, como la falta general de definición para el rango de frecuencia ultra alta de 5G, las cortas longitudes de transmisión de solo metros y la necesidad de una infraestructura de red local considerablemente mayor. Otro desafío importante es la interferencia electromagnética, una perturbación causada por una fuente externa, ya sea artificial o natural, que puede afectar a un componente o dispositivo electrónico a través de la inducción electromagnética o el acoplamiento capacitivo.

El material importa

La solución llega en forma de blindaje de EMI, es decir, la integración de materiales específicos en el diseño de un dispositivo electrónico que bloquea tanto las señales externas que entran y perturban los circuitos del dispositivo, como las señales internas que salen e interfieren con los componentes electrónicos circundantes. La ciencia del blindaje de EMI está lejos de ser sencilla y requiere una comprensión integral de varios temas, incluida la ciencia de los materiales y la teoría electromagnética.

Por supuesto, muchas soluciones probadas de blindaje de EMI ya están activas en aplicaciones en todo el mundo, pero las frecuencias ultra altas de 5G exigen nuevas ideas.

Parker Chomerics presenta su línea patentada CHO-SHIELD de revestimientos conductores para su uso en tareas prácticas y reales de blindaje de EMI para 5G. Cada revestimiento distinto en esta familia de productos aprovecha un material de relleno conductor particular (como níquel, oro o cobre) y alberga uno de los cuatro tipos de resina: acrílico, epoxi, poliéster o poliuretano. Las características únicas de los revestimientos, aunque similares en esencia, le dan a cada producto la capacidad de servir a aplicaciones específicas.

Garantizar la idoneidad de estos materiales para las demandas de las aplicaciones 5G exigió pruebas exhaustivas mediante dos metodologías muy diferentes. Las pruebas de blindaje de EMI de alta frecuencia rara vez se han realizado en el pasado, por lo que los métodos de prueba establecidos son poco frecuentes.

El objetivo principal era centrarse en los materiales EMI para aplicaciones de alta frecuencia de más de 18 GHz, para así evaluar los productos con revestimientos conductores específicos para su uso en el mercado 5G, a saber, CHO-SHIELD 604, 608, 610, 2044 y 2056. Estos productos utilizan resinas de poliuretano con partículas de plata, de poliéster epoxi con partículas de plata, de epoxi con partículas de plata y cobre, de acrílico de níquel y acrílico de cobre, respectivamente.

Método de prueba único

Para satisfacer la creciente demanda de mediciones de efectividad de blindaje de alta frecuencia, Parker Chomerics desarrolló un método de prueba y configuración únicos: el gabinete de prueba de efectividad de blindaje de alta frecuencia, o “Mini Box” para abreviar. Un tipo de configuración de prueba IEEE-STD-299 a pequeña escala, el Mini Box puede evaluar la efectividad de blindaje a frecuencias de hasta 115 GHz. Las cámaras de prueba grandes que normalmente se implementan para las pruebas de efectividad de blindaje no son adecuadas para esta tarea debido a las longitudes de cable del equipo y al uso de equipos estándar. Además, los métodos de prueba de impedancia de transferencia no son útiles por encima de 1-10 GHz debido al dispositivo de prueba y al tamaño de la muestra.

Fig. 1: La simplicidad del Mini Box de Parker Chomerics es donde reside su poder.

En cuanto a las muestras de ensayo, se aplicaron revestimientos conductores CHO-SHIELD (por pulverización) a un disco plástico de 133 mm de diámetro fabricado con Ultem, elegido sobre todo porque sus valores de permitividad y permeabilidad no afectarían a los datos de la prueba.

La ventaja de este tamaño de muestra es que el mismo diámetro es adecuado para las pruebas según los estándares ASTM D4935 e IEEE-STD-299 mediante la cámara de prueba principal o el Mini Box. Por lo tanto, una sola muestra de prueba permite la recopilación de datos de prueba de 30 MHz a 110 GHz, aunque para estas pruebas en particular el enfoque fue un rango de frecuencia de 18 GHz a 115 GHz.

Fig. 2: Para las pruebas con el Mini Box, un anillo de 100 mm de diámetro sostuvo y comprimió la muestra de prueba en su lugar.

Dos configuraciones

Las pruebas se llevaron a cabo mediante dos configuraciones: la cámara de prueba principal para probar frecuencias de 20 GHz a 40 GHz; y el Mini Box para frecuencias de 40 GHz a 115 GHz.

La cámara de prueba principal es una carcasa de acero totalmente soldada que mide 3,7 x 6 metros de tamaño con dos secciones y una pared común con un panel de acceso sobre el que se encuentra la muestra de prueba. Un lado de la cámara de prueba sostiene el equipo de prueba de transmisión y la antena, mientras que el otro lado sostiene el equipo de recepción y la antena. Las pruebas IEEE STD-299 realizadas en esta cámara de prueba utilizan un analizador de espectro convencional, amplificadores y antenas adecuados para cubrir el rango de frecuencia deseado.

Fig. 3: Un esquema de la cámara de prueba de Parker Chomerics que muestra la ubicación de la muestra de prueba y las antenas.

Por el contrario, el método de prueba del Mini Box aprovecha un analizador de red Keysight N5225A. Se realizan dos mediciones del coeficiente de transmisión, una con el material colocado en el Mini Box y otra sin nada entre las dos antenas (referencia abierta IEEE-STD-299). Encontrar la diferencia entre estas dos lecturas del coeficiente de transmisión determina la efectividad de blindaje del material en cuestión.

Fig. 4: Diagrama que muestra varios componentes de la configuración de prueba del Mini Box.

Las pruebas de alta frecuencia para aplicaciones 5G se llevaron a cabo con el método de prueba de referencia de “espacio libre”. En ambos casos (cámara de prueba principal y Mini Box), las antenas de transmisión y recepción apuntaron directamente entre sí a la misma distancia que en las mediciones finales de efectividad de blindaje.

Fig. 5: Las pruebas se realizaron mediante el método de prueba de referencia de “espacio libre”.

Después de la prueba final, fue posible calcular la efectividad de blindaje en función de la diferencia entre el valor obtenido durante la medición de referencia abierta y la medición final, expresada en decibelios (dB).

Impresionante eficacia de blindaje

Los resultados muestran una sólida eficacia de blindaje para todos los materiales CHO-SHIELD, en específico:

CHO-SHIELD 604: de 60 a 82 dB (de 20 a 40 GHz) y de 55 a 71 dB (de 40 a 115 GHz)
CHO-SHEILD 608: de 79 a 83 dB (de 20 a 40 GHz) y de 66 a 79 dB (de 40 a 115 GHz)
CHO-SHEILD 610: de 79 a 95 dB (de 20 a 40 GHz) y de 63 a 81 dB (de 40 a 115 GHz)
CHO-SHEILD 2044: de 44 a 50 dB (de 20 a 40 GHz) y de 43 a 54 dB (de 40 a 115 GHz)
CHO-SHEILD 2056: de 69 a 81 dB (de 20 a 40 GHz) y de 63 a 85 dB (de 40 a 115 GHz)

Como era de esperar, hay algunas diferencias, pero en general la comparación es excepcional teniendo en cuenta las diferencias en los métodos de prueba.

Los resultados muestran que los revestimientos conductores para el mercado 5G son soluciones altamente efectivas en el diseño de EMC. Según la frecuencia de interés, la efectividad de blindaje varía típicamente de 40 a 80 dB.

Fig. 6: Gráfico que muestra los resultados de la eficacia de blindaje para CHO-SHIELD 604 en dos frecuencias de prueba diferentes.

Como último punto a destacar, Parker Chomerics diseña y utiliza accesorios de prueba de eficacia de blindaje y métodos de prueba para reflejar el producto de revestimiento conductor utilizado en una aplicación real. La compañía aplica un enfoque de divulgación completa en la evaluación de sus materiales. La amplia experiencia demuestra que los usuarios finales obtienen resultados de eficacia de blindaje similares a los de los datos de prueba que publica.

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