Conflito de Impedança na frente do teléfono móvel Metal Backpanel: Por que 11 pode ser menos de 1 quando isolamento magnético e absorção são armazenados no mesmo espaço

As restrições espaciais do design eletromagnético para telefones móveis são mais rigorosas do que a maioria da eletrônica de consumo. A antena NFC, bobina de carga sem fio, módulo de onda de milímetro, cobertura de escudo metal, módulo de câmara e camada de escudo de bateria são comprimidas dentro do corpo com uma espessura inferior a 8 mm, e a distância entre eles é muitas vezes apenas na faixa de milímetro.

Nessa densidade, separadores magnéticos e placas de absorção são frequentemente organizados na mesma área na frente da placa de trás do metal. Uma ideia simples é que uma vez que o separador magnético é responsável pela "condução magnética" e a placa absorvente é responsável pela "absorção", colocando os dois juntos e desempenhando suas respectivas funções devem ser capazes de resolver simultaneamente os problemas da distância de leitura da NFC e ressonância da cavidade. Mas em testes reais, esse tipo de superposição muitas vezes não funciona.

Os mesmos requisitos de impedância em direções opostas

NFC e carregamento inalámbrico trabalham na região de acoplamento de campo magnético próximo, onde a distância entre a antena e a placa de trás metal é muito menor do comprimento de onda. A função central do separador magnético é estabelecer um bypass de fluxo magnético elevado μ 'e baixo μ' entre a antena e o metal. O significado de "baixo μ" é que o "consumo" do fluxo magnético pelo material deve ser muito pequeno para que a energia seja efetivamente transmitida do leitor para a antena, ou da bobina para o circuito receptor. Da perspectiva da impedância, o lado do separador magnético que enfrenta a antena precisa apresentar uma condição de limite próxima ao "fluxo magnético pode passar", em vez de uma condição de limite onde "energia é absorvida".

Materiales absorventes de ondas de milímetros enfrentam um conjunto diferente de condições físicas. A ressonância de cavidade e o acoplamento de ondas de superfície na banda de frequência 24-43,5 GHz são essencialmente ondas de pé formadas por múltiplas reflexões de ondas eletromagnéticas entre os limites metálicos. A função de uma placa de onda é reduzir o valor Q da cavidade através de perdas magnéticas e dielétricas, e dissipar a energia de onda de pé. Isso significa que a camada absorvente precisa apresentar uma condição límite de "energia entrando e sendo consumida", e sua impedância de entrada deve ser o mais próxima possível à impedância de onda do espaço livre ou da cavidade alvo, de modo que ondas eletromagnéticas entram no material em vez de serem refletidas na superfície.

O lado NFC é o primeiro a encontrar problemas: o μ "na camada absorvente se tornou uma carga adicional na antena

Em termos de sequência de montagem, se a camada absorvente estiver localizada entre o separador magnético e a antena NFC, ou se elas estiverem ordenadas adjacentes um ao outro no mesmo plano, o componente de perda magnética μ "da camada absorvente participará diretamente na carga da antena NFC.

A energia de campo magnético das antenas NFC a 13,56 MHz é inerentemente limitada. Quando o fluxo magnético emitido pelo leitor atenua através do espaço e chega ao final do telefone móvel, a energia disponível para excitar a ressonância da antena já é muito pequena. Um dos objetivos de projeto do separador magnético é minimizar o consumo dessa energia pelo material. Se ainda há uma perda significativa na camada absorvente perto de 13,56 MHz, essa perda se manifestará como um aumento na resistência equivalente à série da antena, uma diminuição no valor Q e uma distância de leitura curta. Ainda mais secretamente, a constante dielétrica da camada absorvente também muda a distribuição de capacitância ao redor da antena, causando uma mudança na frequência resonante.

O problema inverso do lado da onda do milímetro: o alto μ do separador magnético tem uma contribuição limitada para a ressonância da cavidade, mas pode perturbar a onda da superfície

Por outro lado, colocar um separador magnético de alta μ perto de uma cavidade de onda de milímetro ou antena também pode causar problemas.

Os materiais de alta μ 'podem efetivamente guiar o fluxo magnético na faixa frequência (kHz a 13,56 MHz), mas acima de 24 GHz, os mecanismos de ressonância natural e de troca de materiais magnéticos mudaram, e o processo de magnetização com alta μ' já não responde aos campos magnéticos de alta frequência da mesma maneira. Os separadores magnéticos não podem proporcionar perdas magnéticas de banda larga eficazes para baixar o valor Q da cavidade na banda de frequência de ondas de milímetros. Sua própria forma dielétrica constante e geométrica também pode mudar a distribuição de campo dentro da cavidade, causando a mudança do ponto de trabalho da camada de absorção originalmente projetada.

Mais especificamente, quando ondas de 5G milímetros se propagam debaixo da tela de vidro de um telefone móvel, ondas de superfície TM podem ser excitadas em torno de 20 GHz, enquanto modos TE se propagam de cerca de 30 GHz. Para suprimir essas ondas de superfície, é necessário projetar estruturas sub-comprimento de onda ou absortores finos com espectros específicos de perda dielétrica/magnética, em vez de uma folha magnética alta μ otimizada para orientação de fluxo de 13,56 MHz.

Camião de descouplicação 1: camada seletiva de frequência, permitindo que cada camada opere em sua própria banda de frequência

A abordagem mais simples de descoplagem de engenharia é a camada seletiva de frequência: separar a camada de isolamento magnético e a camada absorvente na direção da espessura, e adicionar uma camada de isolamento com alta impedância à banda de frequência alvo entre os dois, de modo que fluxo magnético de baixa frequência e ondas eletromagnéticas de alta frequência sejam "screened" antes de entrarem na camada funcional um do outro.

Essa abordagem foi demonstrada na pesquisa de antenas de banda dual NFC/WPT. A inserção de um material magnético com alta permeabilidade entre a antena e o metal pode melhorar tanto a eficiência da transmissão WPT como a distância da comunicação NFC. No entanto, o aumento da resistência à antena durante a inserção pode causar mudança de impedância, o que precisa ser suprimido de forma alvo. Em outras palavras, a "carga efetiva" das folhas magnéticas é por si mesma um comportamento de equilíbrio de impedância, em vez de simplesmente colocar materiais de alta μ para resolver todos os problemas.

Camião de descouplicação 2: Particionamento espacial, colocando dois tipos de requisitos em diferentes áreas físicas

Quando a camada seletiva de frequência é difícil de alcançar dentro de uma espessura limitada, a partição espacial é um caminho mais realista: o separador magnético cobre apenas a área de projeção da bobina de carga NFC/sem fio, e a placa de absorção é arranjada apenas ao redor do módulo de onda de milímetro ou da área sensível ao ressonância na parede interna da cobertura de escudo. Os dois estão estacionados no plano para evitar a pilhada direta na direção da espessura.

A chave de engenharia deste caminho é a distribuição de campo no limite. O fluxo magnético na borda do separador magnético irá sobrevolar para fora. Se o prato absorvente estiver adjacente à borda do separador magnético, o fluxo magnético sobrevolante pode entrar na camada absorvente e ser parcialmente consumido, resultando em perdas adicionais na área da borda da antena NFC. A borda da camada de absorção de ondas de milímetros também pode causar mutações de impedência em estruturas de metal adjacentes, novas ondas de superfície emocionantes. A partição espacial não é simplesmente "cortar aberto", mas requer deixar zonas de transição ou estruturas de gradiente impedância nas fronteiras.

Camião de descouplicação três: Estrutura de gradiente, alcançando "baixa frequência baixa perda, alta frequência baixa perda" dentro do mesmo sistema de materiais

Outra abordagem é construir espectros de perda dependentes da frequência dentro de um único sistema material: manter baixo μ "na faixa de frequência (13,56 MHz, 100-205 kHz), e mostrar perdas magnéticas e dielétricas suficientes na faixa de alta frequência (24-43,5 GHz). A estrutura da pilha de permeabilidade gradiente é uma prática existente desta ideia nos cenários de coexistência NFC/WPT - a permeabilidade aumenta em 8% -40% do lado mais próximo à antena NFC ao lado mais longe, de modo que a camada baixa μ 'do lado da antena evita o desencadeamento de carga, e a camada alta μ' do lado longe empregue orientação de fluxo magnético.

Mas para cobrir simultaneamente a absorção de ondas de milímetros, o espaço de projeto para estruturas gradientes será mais estreito. A absorção de ondas de milímetros requer que os materiais tenham mecanismos efetivos de perda em altas frequências (como ressonância natural, relaxamento dielétrico ou ressonância estrutural), que são muitas vezes restritos no nível material pelo requisito de baixa perda em baixas frequências. A realidade atual da engenharia é que é difícil encontrar perfeitamente tanto a perda baixa da NFC como a absorção de ondas largas de milímetros com uma única camada de material. A pilha gradiente é mais otimizada no âmbito do âmbito de "isolamento magnético como fator principal, ao mesmo tempo que também considera supressão de alta frequência", em vez de substituir camadas dedicadas à absorção de ondas de milímetros.

A seguinte tabela resume os limites aplicáveis de três caminhos de descoplação:

Seleção e julgamento de materiais eletromagnéticos para telefones móveis baseados em superposição de impedência