作为一名顾问,我看到越来越多的制造商想要在新的或现有的产品中添加或改造无线技术。产品通常包括移动、家用、工业、科学和医疗设备。此外,“物联网”(IoT)或工业物联网(IIoT)的趋势也加剧了这个问题。这种向“一切无线”的转变正在如火如荼地进行,随之而来的是EMI的问题。也就是说,产品本身产生的EMI会干扰敏感的车载电话、GPS/GNSS和Wi-Fi/蓝牙接收器。这被称为“平台”或自我干扰,这对制造商来说是一个大问题。
大多数基于数字的产品会产生大量的机载无线电频率“噪声”(电磁干扰或EMI),通常不会干扰数字电路本身,但来自数字时钟、高速数据总线和机载开关模式电源的谐波能量很容易在700至950 MHz的手机频段产生干扰,导致接收机“desense”(接收机灵敏度降低)。为了使用各种移动电话服务(美国的Verizon、ATT、Sprint、T-Mobile和其他公司),制造商必须根据CTIA标准通过非常严格的接收机灵敏度和发射机功率遵从性测试,如上所述。这种内置的数字噪音通常会使产品的发布延迟数周或数月。
蜂窝和无线提供商在dBm中要求一定的接收器灵敏度,称为全各向同性灵敏度(TIS)。例如,这通常可能是-108 dBm的灵敏度,并且必须包括在移动设备中使用的天线效率的影响。由于移动设备天线通常在离人的手或头部很近的地方工作,这往往会进一步降低灵敏度(-99 dBm可能是典型的,这取决于天线)。有关这方面的更多信息,以及测试方法,请参阅“空中移动电台性能测试计划:辐射射频功率和接收机性能的测量方法,由CTIA(蜂窝电话工业协会),现在被称为“CTIA -无线协会”。参考文献1。蜂窝无线电制造商Broadcom在其白皮书《遵守TIS和TRP要求》(参考文献2)中也提供了一些信息。
最近的几个客户都有平台干扰问题,使他们的产品在几周或几个月后才能上市,直到完成主要的产品重新设计。在本文中,我将展示这种噪音是什么样的,如何测量它,并将列出常见的问题领域并提出一些缓解措施。
机载噪声特征(平台干扰)
首先,让我们来看看一个典型的产品。出于保密目的,具体细节将保持一般。该板包括一个USB端口,其数据最终通过各种移动电话系统传输,这取决于工厂配置。
通常有两个主要的重点领域,机载噪声可以耦合到接收机天线并导致接收机退化:
- 车载源,如DC-DC转换器,地址和数据总线,以及其他快速边缘数字信号
- 作为“辐射结构”(天线)的附加电缆,如I/O和电源线
我通常使用两种测量技术来表征平台干扰
- 高频电流探头最适合用于测量电缆上的小射频电流
- 用于定位噪声源的近场磁场或电场探头
在下面的图1中,电流探头用于测量流经屏蔽USB电缆外部的共模谐波电流。这些电流是如何形成的,为什么它们倾向于耦合到电缆上,在参考文献2和3中有更完整的解释。我们只是说,PC板上产生的噪声电流可以很容易地耦合到附加的I/O和电源线上。
频谱分析仪是这些测量中最有用的工具,因为可以观测到整个频谱。图1显示了一般的测试设置。
有两种常见的高频谐波图;窄带和宽带。图2显示了从9 kHz到1.5 GHz的差异。通常,DC-DC转换器或数据/地址总线数据将显示为具有几个谐振峰的非常宽的信号(图2中的紫色痕迹),而晶体振荡器或高速时钟将显示为一系列狭窄的尖峰(图2中的水痕迹)。除非产品设计符合EMC标准,否则这两种类型的信号都可以辐射或将高频能量很好地传导到手机波段。
测量类型
我通常建议执行两种类型的测量。第一种方法有助于描述噪声源的一般特征,例如DC-DC转换器、时钟总线、处理器、RAM和任何其他潜在的高频设备。该测量至少从1到1000 MHz进行,以表征一般频谱剖面,并查看是否有能量延伸到相关的接收机通带(图4)。对于其他移动电话和/或GPS/GNSS,您需要查看高达2 GHz的信号。对于Wi-Fi,你需要高达2.5或5.4 GHz的频率。将频谱分析仪置于“最大保持”模式用于建立最大频谱振幅。
一旦确定了板上的各种噪声源,我建议的下一个测量方法是只查看接收器(下行链路)波段。例如,在美国Verizon的情况下,这将是FCC分配的“波段13”,从746 MHz到756 MHz。你可能需要一个增益至少20到30 dB的外部宽带前置放大器,以便清楚地观察噪声(如果有的话)。我通常也会打开分析仪中的20 dB内置前置放大器。Beehive Electronics 150A型外部放大器,频率范围为100 kHz至6 GHz,工作良好,但还有许多其他公司,如Aaronia, TekBox, Com-Power,罗德与施瓦茨和Keysight,销售具有低噪声的高增益宽带前置放大器。您可能需要在一个有屏蔽的房间内进行这些测量,以排除其他移动电话传输干扰您的测量。图5显示了一个示例。
修复清单
正如我所提到的,产品设计必须在开发时考虑到EMC,不能偷工减料。这将包括:
- 一个近乎完美的PC板布局
- DC-DC转换器的滤波
- 任何其他高频装置的滤波
- 无线电模块的滤波
- 高噪声区域的局部屏蔽
- 可能会屏蔽整个产品
- 适当的天线放置
PC板布局是至关重要的,是你应该花大部分精力的地方。8层或10层的堆叠将提供最大的灵活性来隔离电源、模拟、数字和无线电部分,并提供多个地面返回平面,这些平面可以围绕板边缘缝合在一起,形成法拉第笼。必须注意避免回流电流在部分之间的污染(常见阻抗耦合)。根据文献5,将无线电部分的电源平面与数字电源平面隔离(窄桥除外)可以在数字电路和无线电之间提供高达40 dB的隔离。
至关重要的是,电源和地面返回平面在相邻的层上,最多间隔3-4密耳。这将提供最好的高频解耦。时钟,或其他高速轨迹,应避免通过太多的通孔,不应改变参考平面。
DC-DC电源部分应与敏感的模拟电路或无线电电路(包括天线)良好隔离。注意一次电流和二次电流回路及其回流电流。这些返回电流不应与数字、模拟或无线电电路共享相同的返回平面路径。请记住,超过50千赫的返回电流要直接返回源迹线之下。
有关一般产品设计指南的书籍,请参阅 EMI故障诊断手册产品设计师, Patrick André和Kenneth Wyatt和电磁兼容工程,由Henry Ott(参考文献3和4),描述了几个基本的设计概念,以减少EMI。无线系统中的平台干扰,由英特尔工程师Kevin Slattery和Harry Skinner提出,在为测量和补救提供思路方面非常有用(文献5)。
总结
平台干扰已迅速成为制造商在新产品或现有产品中植入无线技术的最具挑战性的问题之一。成功取决于精心设计整个产品,以确保最小的EMI。正确的电路板布局和堆叠是成功的关键因素。通过简单地在现有产品上“安装”蜂窝调制解调器来偷工减料是一场灾难。
参考文献
- CTIA,空中移动站性能测试计划:辐射射频功率和接收机性能的测量方法,http://files.ctia.org/pdf/CTIA_OTA_Test_Plan_Rev_3.1.pdf
- André和怀亚特, EMI故障诊断手册产品设计师,科技出版,2014。
- 奥特,电磁兼容工程,威利,2009。
- 斯莱特里和斯金纳, 无线系统中的平台干扰-模型,测量和缓解,纽尼斯出版社,2008年。