第二章 電磁屏蔽於輻射理論基礎
2.2 電磁波輻射理論
根據馬克斯威爾方程式(Maxwell’s equations)[6]可知，電磁波的產 生來自於時變電荷與時變電流，換句話說電子在導體中以非等速度運 動則會產生電磁波。因此，對於一個適當的天線系統提供具有頻率的 交流電訊號即會有電磁波輻射的產生，而電磁波輻射的場型則會因天 線的形式架構而有所不同。
本研究在量測中使用了三種電磁波輻射源：電單極天線、環形天 線與光收發模組。電單極天線與環形天線屬於簡單的天線系統，因此 用來與電路形式的光收發模組在其經過封裝之後的電磁屏蔽效果作 比較，而由於光收發模組內部電路複雜，其輻射的電磁波形式亦較電 單極天線與環形天線來的複雜許多。
(一)電單極天線
電單極天線由一小根長直的導體所構成，可視為電偶極天線的正 端[7]。本研究使用長度為 2cm 的電單極天線作為電磁波輻射源，如圖 2.2(a)所示，電單極天線經由同軸電纜線連接到訊號產生器，當由訊 號產生器饋入訊號時，便會產生電磁波輻射。
(二)環形天線
環形天線同樣是由單一的導線彎曲成圓形構成，其一端連接到訊
號源，另一端則接地，本研究使用直徑為 2cm 的環形天線作為電磁 波輻射源，如圖2.2(b)所示，環形天線經由同軸電纜線連接到訊號產 生器，當由訊號產生器饋入訊號時，便會產生電磁波輻射。
(三)光收發模組
光收發模組(Optical Transceiver Module)為光通訊系統中的重要 元件之一，如圖 2.2(c)所示，其功能為將光訊號轉換成電訊號或將電 訊號轉換成光訊號，換句話說就是光訊號與電訊號彼此間轉換的介 面 ， 光 收 發 模 組 內 部 的 電 路 大 致 可 分 為 傳 送(Transmitter)與 接 收 (Receiver)兩部分。由於光訊號比電訊號有失真低、傳輸距離遠等優 點，因此以光纖取代電纜線已成為一種趨勢，光收發模組的應用量也 將隨之增加，如現在各先進國家普遍推行的FTTH (Fiber to The Home) 就是一個例子。本研究使用OC-48(2.5Gb/s)光收發模組，其操作波長 為1310 nm。
(a) 電單極天線 (b) 環形天線
(c) 光收發模組 圖2.2 電磁波輻射源
第三章 編織形式碳纖維複合材料 與電磁屏蔽效率
3.1 編織形式碳纖維的製程與編織結構
碳纖維是由母材在一定的張力與溫度下，經過一定時間的預氧 化、碳化和石墨化等處理程序製作而成。將碳纖維依照不同的k 數抽 絲之後成為碳纖維束，如3.1 圖所示。本研究使用的碳纖維 k 數為 3，
代表一束碳纖維約由 3000 根的碳纖維組成，最後再將碳纖維束以不 同的編織方式製作而成為碳纖維布。
本研究使用的碳纖維複合材料共有三種不同的編織方式：斜織 (Balanced Twill Weave)、平織 (Plain Weave)、單一方向 (Uni-direction) 碳纖維排列方式，如圖 3.2 所示，表 3.1 為這三種編織結構的基本特 性。而經由研究的需要再將碳纖維布製作成屏蔽外殼，如圖3.3 所示。
表3.1 三種編織結構的碳纖維複合材料基本特性 Weaving type Thickness Weight
Balanced Twill 0.28 mm 250 g/m2
Plain 0.28 mm 200 g/m2
Uni-direction 0.15 mm 150 g/m2
圖3.1 碳纖維束
(a) Balanced Twill weave (b) Plain weave (c) Uni-direction 圖3.2 碳纖維複合材料之編織方式
(a) Balanced Twill weave (b) Plain weave (c) Uni-direction 圖3.3 碳纖維複合材料之屏蔽外殼
3.2 屏蔽外殼之製作
由圖3.2 中可以看到，平織與斜織結構同樣都是具有兩個相互垂 直的碳纖維排列方向，而單一方向編織結構顧名思義只有全部皆為同 一方向的碳纖維排列。本研究使用到一到三層厚度變化的結構，因此 在屏蔽外殼製作上，第一層、第二層與第三層平織、斜織屏蔽外殼的 碳纖維排列方式都是相同的，如圖3.4(a)所示。
另一方面，在遠場輻射的量測研究中發現到：當單一方向結構在 層數為三層時，第二層與第一層呈90 度排列，第三層與第二層呈 90 度並與第一層平行時，會有最佳的電磁屏蔽效果[8 ]。因此單一方向結 構的屏蔽外殼在製作上也以同樣的方式，如圖3.4(b)所示，使其第二 層與第一層呈垂直排列，第三層與第二層呈垂直並與第一層平行。
(a) 斜織與平織結構
(b) 單一方向結構
圖3.4 碳纖維排列方向示意圖
Layer 1 Layer 2 Layer 3
Layer 2
Layer 1 Layer 3
3.3 電磁屏蔽效率之量測
3.3.1 實驗架構電磁屏蔽效率的近場量測在無反射波電磁相容實驗室( fully anechoic electromagnetic compatibility chamber) 中進行[9]，如圖3.5 所 示，無反射波實驗室的大小為3×4×7m。在實驗中使用置於無反射波 實驗室外的訊號產生器為訊號源，如圖 3.6(a)所示，連接到無反射波 實驗室內部置於木桌上的電磁波輻射源，再由距離電單極天線 3m 的 號角天線(Horn Antenna)接收電磁輻射，如圖 3.6(b)所示，接收天線的 架設需與木桌高度相同，如此才能接收到最大的電磁輻射能量。接收 天線將接收的電磁波訊號經由同軸電纜線傳送到無反射波實驗室 外，先經過低雜訊前置放大器(Preamplifier)將訊號放大，如圖 3.6(c) 所示，再傳送到頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)做觀測，如圖 3.6(d) 所示。
(一)以電單極天線為電磁波輻射源
第一種實驗架構是以電單極天線為電磁波輻射源，直接由訊號產 生器饋入訊號產生電磁波輻射，量測中將改變頻率由 1GHz 到 3GHz 與屏蔽外殼由一到三層兩個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體
(二)以環形天線為電磁波輻射源
如同以電單極天線為電磁波輻射源的近場電磁屏蔽效率量測，將 電磁波輻射源置換成環形天線，量測中將改變頻率由 1GHz 到 3GHz 與屏蔽外殼由一到三層兩個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體 實驗架構如圖3.8 所示。
(三)以 2.5Gb/s 光發模組為電磁波輻射源
以光發模組為電磁波輻射源的近場電磁屏蔽效率量測，除了使用 訊號產生器饋入訊號之外，還需外加直流偏壓來驅動，由於 2.5Gb/s 光收發模組的操作頻率為單一頻率 2.5Gb/s，因此在量測中僅改變屏 蔽外殼由一到三層這一個變數，來觀察電磁屏蔽效率的變化，整體實 驗架構如圖3.9 所示，為了確定光收發模組能正常運作，可經由眼圖 的量測來確定，正常運作中的眼圖如圖3.10 所示。
3.3.2 量測系統與方法
在無反射波實驗室量測 EMI 時所需要的儀器設備有訊號產生 器、頻譜分析儀、低雜訊前置放大器、方位控制器(如圖 3.6(e))、接 收天線、同軸電纜線、轉接頭(如圖 3.6(f))等，以下分別介紹訊號產 生器與頻譜分析儀的設定。
(一)訊號產生器設定
1. 按 Power 鍵開啟電源，先熱機約 10 到 15 分鐘。
2. 按 Frequency 鍵，依所要量測的頻率輸入數值，在以光收發模 組為電磁波輻射源的量測中，由於光發模組操作在2.5Gb/s，因 此頻率部分設定在2.5GHz。
3. 按 Amplitude 鍵，依所需要的訊號振幅大小輸入數值，在以單 極天線與環形天線為電磁波輻射源時，分別設定振幅大小為 -10dBm、0dBm 與 10dBm，以光收發模組為電磁波輻射源時，
則分別設定振幅大小為300mV、400mV 與 500mV，此外光收發 模組需外加 3.3V 的直流偏壓。
4. 若需要做掃頻的動作時，訊號產生器必須做掃頻的設定，首先按 下 Sweep 鍵，進入選單之後，Sweep Type 設定為 step，Sweep Repeat 設定為 count，接著再設定訊號的振幅大小和掃頻的起始 和截止頻率。
(二)頻譜分析儀設定
1. 按 Power 鍵開啟電源，先熱機約 10 到 15 分鐘。
2. 依序按 Frequency 與 Center 鍵，設定螢幕顯示的中心頻率。
4. 依序按 BW 與 Resolution Bandwith ，設定解析頻寬為 300k，
解析頻寬越大，螢幕顯示的背景雜訊越高，但掃瞄速度也較快。
5. 在量測時，按 TRACE 鍵可進入觀看量測結果的功能畫面，按 MAX HOLD 鍵選取量測到的訊號最大值，接著按 VIEW 鍵將 畫面固定，再按 MKR→ 鍵可用旋扭來移動螢幕上的游標觀察 定點的精確數值，此時可按 HCOPY 鍵再選擇 Print Screen 、 Print Trace 或 Print Table 鍵儲存資料。 CLEAR/WRITE 鍵功 能為使畫面更新以進行重新的量測觀察， SELECT TRACE 與 BLANK 鍵功能為使用兩個觀察模式時交互觀測用。
由於儀器的靈敏度極高，在實驗操作中必須注意到以下幾點：
1. 儀器操作者需戴靜電環，避免操作儀器時人體身上的靜電傳導 到儀器上，而影響儀器的正常運作甚至損壞儀器。
2. 訊號產生器在掃頻模式下操作時，儘量避免操作時間過長而使儀 器損壞。
3. 無反射波實驗室對外電纜線的通道需用銅絲球塞住，如此一來可 避免內部訊號的外漏而影響量測的正確性。
4. 訊號產生器和頻譜分析儀在關機先按 Preset 鍵再關機，以方便 下一次的使用。
(三)量測方法
由訊號產生器輸出訊號後，在無反射波實驗室內部接收天線將會 接收到輻射的電磁波訊號，此時可經由頻譜分析儀觀察到所量測的數 值，碳纖維複合材料之電磁屏蔽效率可由如下的公式計算[10]：:
SE =∣Eref∣-∣Erad∣ (dB) (3.1)
∣Eref∣：未加上屏蔽外殼之前輻射源的輻射電場
∣Erad∣：加上屏蔽外殼之後輻射源的輻射電場
為了儘量得到數據的正確性，實驗須經過多次反覆的量測，再取 其量測結果的平均值。
(a) 訊號產生器 (b) 號角天線
(c) 低雜訊前置放大器 (d) 頻譜分析儀
(e) 方位控制器 (f) 轉接頭 圖3.6 量測 EMI 的儀器設備
圖3.7 使用電單極天線為電磁波輻射源之實驗架構示意圖
圖3.9 使用光收發模組為電磁波輻射源之實驗架構示意圖
圖 3.10 光收發模組正常工作中的眼圖 3
Spectrum Analyzer Signal
Generator
Horn Antenna
Radiatio
Wooden table
Package
3.4 實驗結果
本研究在對於以編織形式碳纖維複合材料的電磁屏蔽效率的量 測分析中，由屏蔽外殼的製作到電磁屏蔽效率的量測，接著將量測結 果分為兩部分，第一個部分為三種編織結構在單層時，SE 對於不同 頻率1GHz 到 3GHz 的變化，使用的電磁波輻射源有電單極天線與環 形天線兩種；第二個部分為三種編織結構在頻率2.5GHz 時，SE 對於 不同層數一到三層的變化，使用的電磁波輻射源有電單極天線、環形 天線與2.5Gb/s 光收發模組三種。
(一)電磁屏蔽效率對頻率的變化
針對電磁屏蔽效率對於頻率變化範圍在1GHz 到 3GHz 的量測結 果，如圖 3.11 所示，斜織結構由於編織方式與單位面積碳纖維含量 較高的因素，電磁屏蔽效率在三種結構中為最高，約為 25dB 到 35dB。平織結構在各頻段上約相差斜織結構 3dB 到 5dB 左右。另一 方面，對於這些SE 變化的趨勢，另外增加了一個量測結構來與此作
針對電磁屏蔽效率對於頻率變化範圍在1GHz 到 3GHz 的量測結 果，如圖 3.11 所示，斜織結構由於編織方式與單位面積碳纖維含量 較高的因素，電磁屏蔽效率在三種結構中為最高，約為 25dB 到 35dB。平織結構在各頻段上約相差斜織結構 3dB 到 5dB 左右。另一 方面，對於這些SE 變化的趨勢，另外增加了一個量測結構來與此作