GSM手機電磁兼容設計

　　1 電磁兼容

　?。?a target="_blank">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)，某設備或單元與其它設備或單元，在所述范圍內(nèi)“和平共處”能力的大小，換句話說：該設備或單元對其它設備或單元產(chǎn)生的不良影響，干擾要小，而且在這種電磁環(huán)境下，該設備或單元能夠穩(wěn)定、可靠地工作，具備一定的抗干擾能力。

　　2 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來解決。 ·大小不同電平之間的干擾有強信號阻塞和遠近效應兩種類型。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行PCB設計來解決。 ·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。

　　3 GSM手機電磁兼容設計

　　在改善和提高EMC性能方面，有三項技術(shù)可采用：接地、屏蔽、濾波。對于每一項技術(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設計具有一定的難度而且需要經(jīng)驗。

　　3.1 GSM手機 EMC設計要求

　　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）：5dBm（3.22mW）-33dBm（2W）。 接收機同道、鄰道、阻塞、互調(diào)指標，發(fā)射機調(diào)制頻譜、開關(guān)頻譜、雜散輻射等指標均需滿足ETSGSM11.10和05.05（歐洲電信標準）技術(shù)規(guī)范中的各項要求。

　　3.2 手機 EMC設計的特點

　　EMC設計這項工作在通信系統(tǒng)、通信設備、家用電器等設備中扮演著十分重要的角色。對于GSM手機這種家用通信電子類產(chǎn)品來講，手機 EMC性能的好壞對GSM網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地工作、手機RF指標、人體感應程度、手機軟硬件的可靠性和穩(wěn)定性都有著直接的影響。 GSM手機EMC設計有下列特點： ①整機外形尺寸小，單位體積的功率密度大?，F(xiàn)在GSM手機的外形尺寸一般為：長100mm、寬40mm、厚25mm左右，對于四類機來講，其最大輸出射頻功率為2W（33dBm）和其它的通信設備相比較（例：100W尋呼發(fā)射機，25W調(diào)頻車載臺，20mW無繩電話），手機的單位體積功率密度是最大的，這對EMC設計提出了較高的要求。 ②重量輕、對屏蔽材料的選擇要求高。因為GSM手機有重量要求（一般小于100克），放在手機中采用過多的、過厚的屏蔽材料是不切合實際的，這又增加了 EMC設計難度。 ③TDMA脈沖突發(fā)（burst）工作方式。GSM手機采用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人體感應問題突出。手持式通信終端都存在著人體感應問題，由于GSM手機工作在 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，48～74 MHz家用無繩電話），因此該問題更加突出。rWh安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

　　4 GSM手機EMC設計技術(shù)

　　在GSM手機EMC設計工作中，與其它的通信設備一樣，采用了接地、屏蔽、濾波這三項技術(shù)。對于手機來講，這些技術(shù)有它的特點。網(wǎng)

　　4.1 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)。從這一點來看，采用大面積接地、短而粗的導線就近接地是一項基本原則，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。接地方式有一點接地、多點接地、大面積接地、匯流條接地等，在手機中大多數(shù)采用PCB 大面積地線層接地和PCB周邊匯流條按地。

　　4.2 屏蔽

　　因為手機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，故在進行手機EMC屏蔽技術(shù)設計時，必須仔細考慮屏蔽方式和材料的選擇以及加工工藝和表面處理。在手機中，可選擇的材料和特點如下所述： ·有金屬涂層或鍍層的工程塑料：其特點是可以降低手機的生產(chǎn)成本，容易與外殼在結(jié)構(gòu)和形位公差方面進行匹配，減輕手機重量，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、機械變形和表面氧化等問題，從而嚴重影響屏蔽效果。筆者認為，除非采用這種方法的塑料件在物理、化學、電氣特性指標方面有穩(wěn)定的工藝保證，一般國內(nèi)自主開發(fā)的手機不宜采用這種方法。 ·導電橡膠：這種材料是在硅橡膠中加入高電導率的金屬粉末（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)是電導率指標要高，有足夠的機械強度、彈性和穩(wěn)定性，這種材料的特點是：①彈性和電導率會隨著時間而變差（老化）；②抗震性能差，受到震動后，其電導率指標會變差； 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，在進行設計時需要考慮到下列因素： （a）選擇具有高電導率和導磁率的材料。 金屬導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，有一定的機械強度，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設計者在這兩者之間作出折衷考慮。 （f）在手機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，這需要設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。

　　4.3濾波

　　濾波就是對某些頻率點范圍內(nèi)的信號提供傳輸極點，而對另一些頻率點范圍內(nèi)的信號提供傳輸零點的技術(shù)。在GSM手機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?，有傳輸型和旁路型濾波器；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手機中采用的一些特殊的濾波技術(shù)。

　?。?）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，在發(fā)射時隙內(nèi)，其峰值電流在高功率檔時可達2.5A左右?？紤]到這一點，在GSM手機中廣泛采用這種技術(shù)，即對接收機、發(fā)射機驅(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，而且也是難以達到技術(shù)要求的。另外，GSM手機非常講究功耗指標（待機連續(xù)通話時間的長短），從這一點考慮，采用電源濾波管理技術(shù)，有利于對各個單元電路分別進行控制和管理，讓相關(guān)的單元電路只在相應的時隙內(nèi)啟動工作，在其余的時隙內(nèi)均處于等待休眠狀態(tài)，從而可以達到進一步降低功耗、省電的目的。

　?。?）鐵氧體濾波器 這種器件根據(jù)使用情況可分為幾類：標準信號、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，在中間某一缺點處有一并聯(lián)諧振點。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（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)在設計中難以精確計算（與 PCB的介電常數(shù)、PCB的厚度、PCB上的導線長度、工作頻率、邊緣效應有關(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。