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GSM手機(jī)電磁兼容設(shè)計

發(fā)布時間:2008-10-25 來源:《無線通信技術(shù)》

 中心議題:

  • 介紹EMC的概念和設(shè)計技術(shù)
  • 提出幾項(xiàng)在GSM手機(jī)中可以采用的EMC技術(shù)

解決方案:

  • 可采用接地、屏蔽、濾波三項(xiàng)技術(shù)改善和提高EMC性能
  • 屏蔽材料選鐵皮鍍鎳或鈹青銅鍍鎳或選鎳基不銹鋼
  • 在GSM手機(jī)中采用各種不同的濾波技術(shù)

 

電磁兼容(EMC)的定義
EMC性能表示為在一定的時間、頻率、電磁空間的范圍內(nèi),某設(shè)備或單元與其它設(shè)備或單元,在所述范圍內(nèi)“和平共處”能力的大小,換句話說:該設(shè)備或單元對其它設(shè)備或單元產(chǎn)生的不良影響,干擾要小,而且在這種電磁環(huán)境下,該設(shè)備或單元能夠穩(wěn)定、可靠地工作,具備一定的抗干擾能力。

電磁干擾方式
頻域內(nèi)的干擾有四種類型:同頻干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾和雜散。

鄰道干擾和雜散可通過濾波技術(shù)來解決,同頻干擾可通過合理的頻率管理和分配來解決,互調(diào)干擾可通過提高線性動態(tài)范圍和合理地選擇器件和工作點(diǎn)來解決。

大小不同電平之間的干擾有強(qiáng)信號阻塞和遠(yuǎn)近效應(yīng)兩種類型。這兩種干擾可通過合理的選擇功率等級和自動功率控制(APC)來解決。

傳導(dǎo)型干擾:它通過傳輸線作為媒介產(chǎn)生的干擾,例如,通過電源線和地線產(chǎn)生的干擾,這種干擾可通過濾波和合理地進(jìn)行PCB設(shè)計來解決。

高頻輻射干擾:這種干擾可通過屏蔽來解決,以減小干擾電場、磁場在“敏感”空間內(nèi)傳播的能量。

GSM手機(jī)電磁兼容設(shè)計
在改善和提高EMC性能方面,有三項(xiàng)技術(shù)可采用:接地、屏蔽、濾波。對于每一項(xiàng)技術(shù)針對不同類別的具體產(chǎn)品,又有比較豐富的內(nèi)容,這使得EMC設(shè)計具有一定的難度而且需要經(jīng)驗(yàn)。

a.GSM手機(jī)EMC設(shè)計要求
接收靈敏度:優(yōu)于-102dBm/RBER(residualBER)< 20%(條件:classⅡ、靜態(tài)、900MHz頻段);
發(fā)射頻率誤差:<1×10-7,相位誤差有效值:≤5°、峰值≤20°;射頻輸出功率(四類手機(jī)):5dBm(3.22mW)-33dBm(2W)。

接收機(jī)同道、鄰道、阻塞、互調(diào)指標(biāo),發(fā)射機(jī)調(diào)制頻譜、開關(guān)頻譜、雜散輻射等指標(biāo)均需滿足ETSGSM11.10和05.05(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn))技術(shù)規(guī)范中的各項(xiàng)要求。

b.手機(jī)EMC設(shè)計的特點(diǎn)
EMC設(shè)計這項(xiàng)工作在通信系統(tǒng)、通信設(shè)備、家用電器等設(shè)備中扮演著十分重要的角色。對于GSM手機(jī)這種家用通信電子類產(chǎn)品來講,手機(jī)EMC性能的好壞對GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地工作、手機(jī)RF指標(biāo)、人體感應(yīng)程度、手機(jī)軟硬件的可靠性和穩(wěn)定性都有著直接的影響。


GSM手機(jī)EMC設(shè)計有下列特點(diǎn):
①整機(jī)外形尺寸小,單位體積的功率密度大?,F(xiàn)在GSM手機(jī)的外形尺寸一般為:長100mm、寬40mm、厚25mm左右,對于四類機(jī)來講,其最大輸出射頻功率為2W(33dBm)和其它的通信設(shè)備相比較(例:100W尋呼發(fā)射機(jī),25W調(diào)頻車載臺,20mW無繩電話),手機(jī)的單位體積功率密度是最大的,這對EMC設(shè)計提出了較高的要求。

②重量輕、對屏蔽材料的選擇要求高。因?yàn)镚SM手機(jī)有重量要求(一般小于100克),放在手機(jī)中采用過多的、過厚的屏蔽材料是不切合實(shí)際的,這又增加了EMC設(shè)計難度。
   
③TDMA脈沖突發(fā)(burst)工作方式。GSM手機(jī)采用TDMA通信工作方式(每幀8個時隙,每幀長4.615ms,每時隙長577μs),這對輸出開關(guān)頻譜和電源濾波提出了較高的要求。
   
④人體感應(yīng)問題突出。手持式通信終端都存在著人體感應(yīng)問題,由于GSM手機(jī)工作在900MHz和1800MHz頻段,工作頻率比一般的手持式通信終端都要高(例:150MHz、450MHz調(diào)頻對講機(jī),48~74 MHz家用無繩電話),因此該問題更加突出。

GSM手機(jī)EMC設(shè)計技術(shù)
在GSM手機(jī)EMC設(shè)計工作中,與其它的通信設(shè)備一樣,采用了接地、屏蔽、濾波這三項(xiàng)技術(shù)。對于手機(jī)來講,這些技術(shù)有它的特點(diǎn)。

a.接地
從電路分析的角度來看,接地就是一種能對電源或信號源提供一條在工作頻率范圍內(nèi)的低阻抗通路的技術(shù)。從這一點(diǎn)來看,采用大面積接地、短而粗的導(dǎo)線就近接地是一項(xiàng)基本原則,接地與屏蔽和濾波密切相關(guān),良好、可靠的接地是高質(zhì)量屏蔽和濾波的前提條件。接地方式有一點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、大面積接地、匯流條接地等,在手機(jī)中大多數(shù)采用PCB大面積地線層接地和PCB周邊匯流條按地。

b屏蔽
因?yàn)槭謾C(jī)是屬于高性能價格比的通信類家用電器,而且有體積和重量的限制,故在進(jìn)行手機(jī)EMC屏蔽技術(shù)設(shè)計時,必須仔細(xì)考慮屏蔽方式和材料的選擇以及加工工藝和表面處理。在手機(jī)中,可選擇的材料和特點(diǎn)如下所述:
有金屬涂層或鍍層的工程塑料:其特點(diǎn)是可以降低手機(jī)的生產(chǎn)成本,容易與外殼在結(jié)構(gòu)和形位公差方面進(jìn)行匹配,減輕手機(jī)重量,但由于鍍層厚度和密度的限制,其屏蔽效果一般來講不如全金屬的屏蔽結(jié)構(gòu)件。由于國內(nèi)塑膠模具的設(shè)計加工和金屬層的鍍涂一般是由不同的廠家來完成的,EMC的設(shè)計者難以對其提出具體的電磁屏蔽效果要求,產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性難以保證,易出現(xiàn)鍍涂層脫落、機(jī)械變形和表面氧化等問題,從而嚴(yán)重影響屏蔽效果。筆者認(rèn)為,除非采用這種方法的塑料件在物理、化學(xué)、電氣特性指標(biāo)方面有穩(wěn)定的工藝保證,一般國內(nèi)自主開發(fā)的手機(jī)不宜采用這種方法。

導(dǎo)電橡膠:這種材料是在硅橡膠中加入高電導(dǎo)率的金屬粉末(如銀、鎳、Ballotini),其形狀和斷面可根據(jù)需要有多種選擇(例:O、U形狀)。選擇的基本依據(jù)是電導(dǎo)率指標(biāo)要高,有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、彈性和穩(wěn)定性,這種材料的特點(diǎn)是:①彈性和電導(dǎo)率會隨著時間而變差(老化);②抗震性能差,受到震動后,其電導(dǎo)率指標(biāo)會變差;③可維性差、易變形脫落。要形成高質(zhì)量低阻抗的接地面,在工藝上有困難。

由于上述原因,這種材料在新型手機(jī)中較少采用。
金屬沖壓拉伸屏蔽結(jié)構(gòu)件:從理論上來講,采用這種方法可得到最好的屏蔽效果,在進(jìn)行設(shè)計時需要考慮到下列因素:
(a)選擇具有高電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率的材料。
金屬導(dǎo)體對電磁波存在著兩種損耗,吸收損耗和反射損耗,在工作頻率大于100MHz時,損耗以吸收損耗為主。

(b)屏蔽材料在經(jīng)過沖壓拉伸成型和表面處理之后,要求尺寸精度要高,表面不易氧化,有一定的機(jī)械強(qiáng)度,以滿足生產(chǎn)和維修的要求。

(c)工制造成本低。

(d)由伽爾伐尼電池效應(yīng)造成的電化腐蝕要小。

(e)對于需要焊接的封閉式金屬屏蔽金上孔的加工和處理:從EMC的角度來考慮,希望孔的數(shù)量和孔徑要越少越小為好,從紅外再流焊的焊接工藝質(zhì)量來考慮,又希望孔的數(shù)量和孔徑要多和大為好,這就需要EMC設(shè)計者在這兩者之間作出折衷考慮。

(f)在手機(jī)天線附近的屏蔽件的尺寸、形狀、形位公差、光潔度、材料,將對天線的分布參數(shù)產(chǎn)生很大的影響,從而進(jìn)一步影響到PA(power amplifier)的輸出功率、功耗、相位誤差、接收靈敏度等RF指標(biāo),這需要設(shè)計者給予足夠的重視。

針對國內(nèi)的具體情況和工藝水平,筆者認(rèn)為,屏蔽材料可選厚約0.2mm的鐵皮鍍鎳或鈹青銅鍍鎳或選鎳基不銹鋼(需充分注意到脫模后材料的回彈形變),若屏蔽件需要焊接,則表面處理改為鍍錫。

c.濾波
濾波就是對某些頻率點(diǎn)范圍內(nèi)的信號提供傳輸極點(diǎn),而對另一些頻率點(diǎn)范圍內(nèi)的信號提供傳輸零點(diǎn)的技術(shù)。在GSM手機(jī)中采用了各種不同的濾波技術(shù):①從濾波器的截止頻率來看,有低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)濾波器;②從作用的工作頻率來看,有低、中、高頻濾波器;③從信號傳輸?shù)姆绞絹砜矗袀鬏斝秃团月沸蜑V波器;④從使用的材料來看,有SAW(surface acoustic wave)、傳輸線、腔體、鐵氧體、陶瓷濾波器;⑤從使用的器件來看,有無源和有源濾波器。

下面介紹在GSM手機(jī)中采用的一些特殊的濾波技術(shù)。
(1)一路電源(電池)輸入,多路電源輸出的線性有源濾波技術(shù)由于GSM手機(jī)采用TDMA的方式工作,在一幀期間內(nèi),只在某些時隙內(nèi)工作,故在整個電源回路中,均存在著TDMA脈沖,特別是在發(fā)射時隙內(nèi)。對于采用3.6V供電的手機(jī),在發(fā)射時隙內(nèi),其峰值電流在高功率檔時可達(dá)2.5A左右。考慮到這一點(diǎn),在GSM手機(jī)中廣泛采用這種技術(shù),即對接收機(jī)、發(fā)射機(jī)驅(qū)動、PA、頗豐合成器、 CPU、基諾處理、SIM卡、音頻處理,LCD單元分別采用有源濾波輸出供電。這種濾波技術(shù)可保證各路輸出電源之間的干擾很小,從而保證了EMC性能。若采用無源濾波技術(shù),不但需要體積很大的濾波電容,而且也是難以達(dá)到技術(shù)要求的。另外,GSM手機(jī)非常講究功耗指標(biāo)(待機(jī)連續(xù)通話時間的
長短),從這一點(diǎn)考慮,采用電源濾波管理技術(shù),有利于對各個單元電路分別進(jìn)行控制和管理,讓相關(guān)的單元電路只在相應(yīng)的時隙內(nèi)啟動工作,在其余的時隙內(nèi)均處于等待休眠狀態(tài),從而可以達(dá)到進(jìn)一步降低功耗、省電的目的。

(2)鐵氧體濾波器
這種器件根據(jù)使用情況可分為幾類:標(biāo)準(zhǔn)信號、高速信號、超高速信號、電源。利用鐵氧體的阻抗一頻率特性(由材料配方和工藝決定),在低頻段時呈感性,在高頻段時呈容性,在中間某一缺點(diǎn)處有一并聯(lián)諧振點(diǎn)。把鐵氧體濾波器串接在回路中,可構(gòu)成一個低通濾波器,它具有體積小、成本低、工作電流大的特點(diǎn)(和LC濾波器相比較),特別適用于PA供電部分的大電流脈沖濾波,具有較高的性能價格比。

(3)PCB上的傳輸線波波器
在接收機(jī)輸入端、PA的輸出端回路中采用傳輸線。型濾波器比采用傳統(tǒng)的集中參數(shù)LC濾波器能獲得更高的性價比。由于傳輸線的等效電感參數(shù)在設(shè)計中難以精確計算(與PCB的介電常數(shù)、PCB的厚度、PCB上的導(dǎo)線長度、工作頻率、邊緣效應(yīng)有關(guān)),又由于PCB材料的介電常數(shù)可能會隨生產(chǎn)批次而變化,放在GSM手機(jī)車。這種濾波器的并臂下地電容(一般均用高Q值的高頻瓷片電容)要求能在傳輸線上“滑動”接地,以獲得較精確的功率匹配和阻抗匹配,這對提高接收靈敏度、減小發(fā)射相位誤差、提高射頻輸出功率和降低電源功耗是有利的。

 

 

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