蜂窩發(fā)射模塊的RF屏蔽設(shè)計(jì) - 全文

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　　蜂窩發(fā)射模塊對(duì)手機(jī)內(nèi)的任何元件來(lái)說(shuō)都將產(chǎn)生最大的輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI。類似這樣的問(wèn)題可以采用RF屏蔽技術(shù)來(lái)降低與EMI及射頻干擾(RFI)相關(guān)的輻射，并可將對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感度降至最低。那么，什么樣的屏蔽設(shè)計(jì)方法具有最佳效率呢?這個(gè)由三部分組成的系列文章圍繞當(dāng)今蜂窩發(fā)射模塊來(lái)討論有效的RF屏蔽方法。

　　近年來(lái)，手機(jī)在形態(tài)、功能、性能和成本方面都發(fā)生了巨大變化。不斷演進(jìn)的新技術(shù)催生出更小、更高能效和高度集成的半導(dǎo)體器件，從而不斷孕育出集成度更高的便攜(移動(dòng))手機(jī)產(chǎn)品。

　　運(yùn)營(yíng)商在提供額外的諸如短信服務(wù)(SMS)、多媒體(MMS)和GPS等服務(wù)，而制造商為移動(dòng)蜂窩手機(jī)增加了諸如FM射頻等輔助無(wú)線功能、以及MP3播放機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等其它功能。實(shí)現(xiàn)全部這些特性所要求的外形和體積對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)師和硬件工程師提出了相當(dāng)挑戰(zhàn)。

　　因此，工作在印刷線路板(PCB)級(jí)的手機(jī)設(shè)計(jì)師遭遇到諸如集成器件間的耦合、線耦合和交叉干擾等不期望發(fā)生的核心問(wèn)題。而所有這些問(wèn)題又導(dǎo)致了更多的設(shè)計(jì)返工、手機(jī)外形間缺少通用性以及被延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，而上述這些又都增加了手機(jī)開(kāi)發(fā)成本。

　　在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)壓力條件下，這些因素對(duì)移動(dòng)手機(jī)制造商和研制它們的設(shè)計(jì)師的成功來(lái)說(shuō)，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　在手機(jī)設(shè)計(jì)早期就確認(rèn)可有助于解決這些核心問(wèn)題的一個(gè)領(lǐng)域是廣為采用的屏蔽。屏蔽減小了電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)、極大削弱了不希望的輻射、緩解了它引發(fā)的災(zāi)難。目前，屏蔽與RF頻率如影隨形，因全部RF通信標(biāo)準(zhǔn)都有某種要求把不期望輻射最小化的規(guī)定。

　　屏蔽的效能由它在一個(gè)寬的頻譜范圍內(nèi)，能多大程度上衰減輻射信號(hào)來(lái)表征。例如，一個(gè)帶活動(dòng)蓋的金屬“容器”可構(gòu)成一個(gè)屏蔽，或容器本身可直接固焊在PCB上。采用蓋結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)節(jié)很有用，所以常被用在電視調(diào)諧器等應(yīng)用，但該屏蔽的效能高度依賴蓋和容器間的電氣連接。

　　它以RF屏蔽所根據(jù)的基本概念為基礎(chǔ)：時(shí)變電磁場(chǎng)(EM)會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)環(huán)繞場(chǎng)線感應(yīng)出電流。所以，完美導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與誘發(fā)場(chǎng)相反的EM場(chǎng)，從而使導(dǎo)體內(nèi)的場(chǎng)線抵消。

　　因此，屏蔽上過(guò)多的孔洞、槽溝和開(kāi)口會(huì)降低屏蔽效能，這是因感應(yīng)電流只能在導(dǎo)體上存在自由電子的部位流動(dòng)。導(dǎo)體(容器)上的開(kāi)口意味著該處沒(méi)有自由電子，它會(huì)導(dǎo)致電流尋找沿著開(kāi)口處的其它途徑流動(dòng)，從而使感應(yīng)場(chǎng)無(wú)法完全抵消誘發(fā)場(chǎng)。

　　表皮深度是另一個(gè)重要因素，它由EM波穿透?jìng)鲗?dǎo)膜的能力決定。特別是當(dāng)?shù)皖l具有特別重要性時(shí)，為有效屏蔽輻射的RF信號(hào)，會(huì)需要一個(gè)更厚的膜。

　　本討論中，與屏蔽相關(guān)的重點(diǎn)將圍繞當(dāng)今手機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)通用的RF半導(dǎo)體元件——蜂窩發(fā)射模塊(TxM)展開(kāi)。簡(jiǎn)言之，TxM是由在一種類似PCB的基板上固放上裸片和無(wú)源器件構(gòu)成的。然后將該組件進(jìn)行包注模(overmolded)處理，之后它就可被固焊在手機(jī)PCB上。

　　因它對(duì)手機(jī)內(nèi)的任何元件來(lái)說(shuō)都產(chǎn)生最大的輻射功率，進(jìn)而極有可能誘發(fā)EMI和RFI，所以該例子特別有用。另外，整體上，TxM與矩形波導(dǎo)的尺度類似，根據(jù)Pozar[1]，矩形波導(dǎo)的截至頻率為：

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　　其中，“m”和“n”代表模式，“μ”和“e”分別代表滲透率和介電常數(shù)，等式1表示：若尺寸“a”大于“b”，則主導(dǎo)模式是TE10。等式指出，如我們預(yù)期的，截至頻率隨開(kāi)口“a”尺寸的縮小而增加。當(dāng)屏蔽上有若干開(kāi)口時(shí)，方程式會(huì)變得更復(fù)雜，從而進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了完全沒(méi)有開(kāi)口的重要性。

　　金屬屏蔽容器繼續(xù)被用來(lái)從外部對(duì)TxM和手機(jī)的RF部分實(shí)施屏蔽;但最近有一種在TxM內(nèi)部進(jìn)行嵌入式屏蔽的趨勢(shì)。僅就TxM屏蔽來(lái)說(shuō)，已開(kāi)發(fā)出若干對(duì)TxM進(jìn)行屏蔽的方法。方法之一是采用一個(gè)簡(jiǎn)單金屬容器構(gòu)成的嵌入式屏蔽，但該方法要求在容器上開(kāi)多個(gè)孔以允許注模填料(mold compound)容易地流灌整個(gè)模塊，這是模塊化組裝所必需的。

　　但根據(jù)本文前述的波導(dǎo)理論，屏蔽效能不僅與屏蔽上開(kāi)口尺寸也與開(kāi)口數(shù)有關(guān)，開(kāi)孔越大、數(shù)越多則效能降低得越厲害。

　　RFMD開(kāi)發(fā)出一種已申請(qǐng)了專利的MicroShield集成RF屏蔽替代技術(shù)。該集成屏蔽把在一個(gè)封裝好的半導(dǎo)體注模填料的外部再包裹上一層薄金屬作為整個(gè)組裝工藝的最后步驟。采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的屏蔽對(duì)模組高度的影響微乎其微且在降低EMI和RFI輻射的生產(chǎn)中可重復(fù)進(jìn)行。

　　為確證MicroShield技術(shù)的超卓能效，在一個(gè)測(cè)試載體上，采用RF3178 TxM對(duì)輻射進(jìn)行了測(cè)試(圖1)。

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　　測(cè)試結(jié)果清楚表明，兩種屏蔽技術(shù)在性能上差別顯著：MicroShield明顯優(yōu)于嵌入式屏蔽技術(shù)。平均看，在輻射衰減方面，MicroShield集成RF屏蔽技術(shù)比嵌入式技術(shù)優(yōu)于15dB。

　　但作為TxM設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，取得這些結(jié)果并非唾手可得之事。從TxM設(shè)計(jì)角度看，添加屏蔽給設(shè)計(jì)師帶來(lái)若干問(wèn)題。首先，緊挨著的屏蔽和電磁輻射電路改變了頻率響應(yīng)，其頻響不再與“素顏(未模封)”、完全調(diào)整好的TxM一致，從而改變了屏蔽后電路的性能。

　　特別是在更高頻率可更好地觀察到這些效應(yīng)。這樣，當(dāng)增加屏蔽時(shí)，建模和EM模擬對(duì)確保好結(jié)果具有極其重要的意義。

　　因3D EM模擬會(huì)很耗時(shí)，所以根據(jù)電路的復(fù)雜性以及需提供足夠精度的四面體元件的數(shù)量，先從一個(gè)不太復(fù)雜的電路著手并確認(rèn)其具有重要性的關(guān)鍵部分的作法就功不唐捐了。例如，根據(jù)場(chǎng)論不難得出：兩條載場(chǎng)信號(hào)線挨得越近，就越趨向于產(chǎn)生更大耦合。

　　這些信號(hào)線載負(fù)著時(shí)變電荷，這些電荷業(yè)已嵌入在基板內(nèi)并被諸如地平面等金屬裹覆起來(lái)，所以，當(dāng)施加外屏蔽時(shí)，實(shí)質(zhì)上不會(huì)在場(chǎng)線上表現(xiàn)出額外干擾。只有信號(hào)線、元件或線綁定才在其各自場(chǎng)線面臨顯著變化，因這些元素暴露在空氣中或被包注模以作為邊界條件。

　　圖2顯示的是具有包注模TxM的功放部分的輸出匹配，它有兩種情況：不帶屏蔽以及在包注模上施加屏蔽。該雙端口模擬是采用Ansoft的3D EM軟件工具HFSS實(shí)現(xiàn)的。

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　　輸出匹配雖然僅表示整個(gè)TxM內(nèi)無(wú)源電路的一小部分，但在確定耦合機(jī)理和高階諧波影響方面仍有效用。

　　第二個(gè)關(guān)注的地方是微帶線附近的場(chǎng)線，在靠近地平面的地方它們最強(qiáng)。只要屏蔽和地平面間的距離明顯大于微帶線和地平面間的距離，則增加的屏蔽的效用就微乎其微。線綁定和表貼電感與地平面的直接耦合要弱些，當(dāng)施加屏蔽時(shí)，預(yù)期其場(chǎng)線會(huì)有變化。圖3顯示的是3D模擬的E場(chǎng)分布。

　　圖3顯示的是不帶屏蔽的輸出匹配的電磁模擬，其電場(chǎng)以伏/米表征。深紅色意味著強(qiáng)場(chǎng)線，而深藍(lán)色表示電場(chǎng)實(shí)質(zhì)不存在。如所預(yù)料，表貼電感和綁定線附近的場(chǎng)線不那么穩(wěn)固，所以，若在包注模上增加屏蔽則更可能對(duì)其產(chǎn)生影響。下一步是勾畫并檢測(cè)雙口S參數(shù)模擬在帶和不帶屏蔽條件下相對(duì)于高階諧波的任何變化。

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　　輸出匹配的3D EM模擬(圖4)揭示出在更高頻率下共振的改變。在TxM內(nèi)，電路遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單的輸出匹配復(fù)雜。另外，如在模擬中看到的，為規(guī)避高階諧波所實(shí)現(xiàn)的高Q槽路所受到的影響將明顯大于給單一共振帶來(lái)的簡(jiǎn)單變化。

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　　最后的任務(wù)是對(duì)不帶屏蔽的TxM進(jìn)行輻射測(cè)量并將結(jié)果與采用MicroShield集成RF屏蔽技術(shù)的TxM進(jìn)行對(duì)比。為實(shí)施準(zhǔn)確測(cè)量，必須避免待測(cè)PCB上從連接器和其它板上電路造成的RF功率泄漏;因此，為進(jìn)行這些測(cè)量所設(shè)計(jì)的測(cè)試板包含若干獨(dú)立屏蔽容器。

　　全部輻射測(cè)量都是在丹麥哥本哈根的Delta Technologies進(jìn)行的。被測(cè)設(shè)備放在不吸收和不反射材料的表面(圖5)。在該測(cè)試中，RFMD的另一款TxM產(chǎn)品(RF3282)用作測(cè)試載體。

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　　圖中顯示的是發(fā)自RF3282 TxM的輻射功率。紅色圖表示沒(méi)有屏蔽的TxM，藍(lán)色圖表示的是采用MicroShield屏蔽的TxM。注意：為更清楚地顯示兩種被測(cè)器件的差異，藍(lán)色圖被稍微右移。如圖所示，MicroShield集成RF屏蔽顯著降低了輻射功率。在10.5GHz僅有一個(gè)示警。它昭示著這兩種情況：或是存在另一種模式(腔模式)，或是結(jié)果也許與流經(jīng)屏蔽表面的地電流相關(guān)。但無(wú)論如何，對(duì)輻射功率的平均衰減可達(dá)15dB或更高。

　　我們討論了MicroShield屏蔽技術(shù)在抑制EMI和RFI方面的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)提升了滿足規(guī)約要求的能力。另外，MicroShield集成RF屏蔽還同時(shí)把外部EMI/RFI干擾的影響降至最低，從而弱化了手機(jī)設(shè)計(jì)中存在的性能漂移問(wèn)題。

　　因手機(jī)設(shè)計(jì)師和制造商越來(lái)越依賴手機(jī)平臺(tái)來(lái)滿足其時(shí)間和成本要求，所以器件對(duì)PCB布局的敏感性是個(gè)關(guān)鍵因素。過(guò)去，當(dāng)這些平臺(tái)被用于不同手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，性能會(huì)被打折，具體表現(xiàn)在EMI和RFI輻射通常成為性能不一致的主要誘因。