通信產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)問題的解決

趙建平　陳工羽　雷　新

摘要：

文章從通信產(chǎn)品高速數(shù)字電路單板在EMC試驗(yàn)中輻射發(fā)射超標(biāo)入手，討論了輻射發(fā)射產(chǎn)生的原因，并結(jié)合理論與實(shí)踐，詳細(xì)描述了解決高速電路輻射發(fā)射超標(biāo)的過程。

關(guān)鍵詞：

輻射發(fā)射；諧波；電磁干擾；電磁兼容；信號(hào)完整性；屏蔽

ABSTRACT:

The EMC test of high-speed digital circuit board of communication products indicates that the radiated emission often exceeds general limits. The reason why radiated emission occurs is discussed, and the process of reducing the radiated emission of a high-speed circuit is described in detail, both theoretically and practically.

KEY WORDS:

Radiated emission; Harmonic waves; EMI; EMC; Signal integrity; Shielding

1 問題的提出

通信技術(shù)的發(fā)展要求器件的速度愈來(lái)愈高，由此引起的電磁兼容問題就更加嚴(yán)重。本文以無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)的終端用戶單元（SU）為例，來(lái)探討通信產(chǎn)品的輻射發(fā)射超標(biāo)問題。

無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)的終端用戶單元由860小系統(tǒng)、8240小系統(tǒng)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和基帶中頻單元組成，其中860小系統(tǒng)、8240小系統(tǒng)和FPGA電路在一塊PCB（印刷電路板）上，稱為網(wǎng)絡(luò)接口板；基帶中頻電路單獨(dú)為一塊PCB，稱為基帶中頻板。二者通過插座相連，傳遞信號(hào)和電源。設(shè)備外殼為注塑殼體，內(nèi)層沒有噴涂導(dǎo)電漆。筆者對(duì)該產(chǎn)品輻射發(fā)射指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試環(huán)境為電波暗室，測(cè)試設(shè)備為寬帶天線、頻譜分析儀和信號(hào)放大器，天線可以在1 m與4 m高度范圍內(nèi)升降，被測(cè)產(chǎn)品放置在一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，距離天線3 m。測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，升降天線找到最大干擾，天線測(cè)量取水平和垂直兩種極化。

按照接入設(shè)備的電磁兼容(EMC)測(cè)試要求，設(shè)備上電正常運(yùn)行，測(cè)試儀器在30～1 000 MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，其中在30～230 MHz頻率范圍內(nèi)要求電磁干擾（EMI）的準(zhǔn)峰值低于40 dBuV/m，在230～1000 MHz頻率范圍內(nèi)，EMI的準(zhǔn)峰值低于47 dBuV/m。測(cè)試的結(jié)果是：在垂直方向上，412.5 MHz處超標(biāo)4.08 dB，577.5 MHz處超標(biāo)3.5 dB；在水平方向上，577.5 MHz處超標(biāo)7.9 dB，參見圖1。

考慮到中頻板上有調(diào)制解調(diào)電路，其載波頻率比較高(為349 MHz)，為此將中頻板的5 V和3.3 V工作電源斷開，使中頻板停止工作。再測(cè)試設(shè)備的電磁干擾時(shí)，仍然在上述兩個(gè)頻點(diǎn)處有超標(biāo)，因而可以排除中頻板產(chǎn)生上述頻點(diǎn)干擾的可能。

2 原因分析

任何電磁兼容性問題都包含3個(gè)要素，即干擾源、敏感源和耦合路徑，這3個(gè)要素中缺少一個(gè)，電磁兼容問題就不會(huì)存在。因此，在解決電磁兼容問題時(shí)，也要從這3個(gè)要素著手進(jìn)行分析，再根據(jù)具體情況，采取適當(dāng)?shù)拇胧┫渲械囊粋€(gè)。

首先從干擾源開始分析。在通信產(chǎn)品中，電路的工作時(shí)鐘越來(lái)越高，信號(hào)的上升/下降沿越來(lái)越陡，由此帶來(lái)的電磁兼容問題也愈加尖銳。數(shù)字電路的電磁兼容設(shè)計(jì)中要考慮的是數(shù)字脈沖的上升沿和下降沿決定的頻帶寬，而不是數(shù)字脈沖的重復(fù)頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算EMI發(fā)射帶寬的公式可以表示為：

f＝0.35／Tr(1)

其中，f是頻率(單位是GHz)，Tr是信號(hào)上升/下降時(shí)間(單位是ns)。由此不難看出，一個(gè)具有2 ns上升沿的時(shí)鐘信號(hào)輻射能量的帶寬可達(dá)160 MHz，其輻射帶寬可達(dá)10倍頻，即1.6 GHz。

在電工學(xué)中，周期電流、電壓、信號(hào)等都可以用一個(gè)周期信號(hào)來(lái)表示，即f(t)＝f(t＋kT)，T為周期函數(shù)的周期。如果給定的周期函數(shù)同時(shí)有滿足狄里赫利條件，則可以將其展開成付立葉級(jí)數(shù)：

將第1項(xiàng)A0稱為直流分量，第2項(xiàng)稱為一次諧波(或基波分量)，其他各項(xiàng)統(tǒng)稱為高次諧波，即2次、3次、4次……k次諧波。一個(gè)理想的方波信號(hào)包含了豐富的諧波分量。在實(shí)際的數(shù)字電路中，方波并不是理想的，它有一定的上升和下降時(shí)間。方波頻譜包絡(luò)線的衰減率不僅與方波的頻率有關(guān)，而且還與方波脈沖的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。方波脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，高次諧波的干擾幅度越大。

因?yàn)榻K端網(wǎng)絡(luò)接口板上沒有412.5 MHz和577.5 MHz這兩個(gè)頻率信號(hào)，所以懷疑這兩個(gè)頻點(diǎn)可能是某些頻率信號(hào)的諧波分量。高速電路中，時(shí)鐘電流是第一輻射源。筆者對(duì)終端網(wǎng)絡(luò)接口板上的各時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

通過粗略計(jì)算，412.5 MHz信號(hào)近似等于83.3 MHz的5次諧波(83.3×5＝416.5 MHz)，而577.5 MHz近似等于83.3 MHz的7次諧波(83.3×7＝583.1 MHz)。

圖2所示為8240時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生原理圖。8240外部有源晶振產(chǎn)生33 MHz的振蕩頻率，送入8240芯片，經(jīng)內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))鎖相倍頻，輸出83.3 MHz頻率，作為SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器)的工作時(shí)鐘，8240有4個(gè)引腳可以同時(shí)送出該83.3 MHz的時(shí)鐘：SDRAM_CLK0～SDRAM_CLK3，而且可以在8240內(nèi)部寄存器中設(shè)置開關(guān)。該單板在電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用SDRAM_CLK0作為SDRAM工作時(shí)鐘，另一路SDRAM_CLK3送至一測(cè)試點(diǎn)，方便調(diào)試時(shí)測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)，其余2路設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，不對(duì)外輸出時(shí)鐘。

3 初步試驗(yàn)

為了證實(shí)412.5 MHz和577.5 MHz這兩個(gè)干擾頻點(diǎn)是83.3 MHz時(shí)鐘所致，筆者先嘗試將8240的PLL配置電路取消，即8240鎖相環(huán)不工作，不對(duì)外輸出83.3 MHz時(shí)鐘，再進(jìn)入電波暗室測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在30～1 000 MHz的掃描頻段中無(wú)超標(biāo)頻點(diǎn)，獲得的測(cè)試曲線都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)峰值以下。因此，可以判斷干擾源就是8240輸出的83.3 MHz時(shí)鐘信號(hào)。

干擾源雖然定位了，但系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中83.3 MHz時(shí)鐘是必須要輸出的，接下來(lái)的問題就是如何解決83.3 MHz時(shí)鐘引起的EMI問題。因?yàn)殡娐返慕Y(jié)構(gòu)方案已經(jīng)確定，想要去掉敏感源，難度太大，因此重點(diǎn)要從尋找干擾耦合路徑入手。

在通信產(chǎn)品中，通常輻射的根源在其數(shù)字電路部分，而數(shù)字電路的輻射按其方式可分為差模輻射和共模輻射：差模輻射是由于電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路造成的，這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場(chǎng)，差模輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比；共模輻射是由于電路中存在不希望的電壓造成的，此電壓降使系統(tǒng)中某些部分處于高電位的共模電壓下，PCB板上的信號(hào)線在共模電壓的作用下被激勵(lì)，形成輻射電場(chǎng)的天線輻射與頻率、天線長(zhǎng)度及流經(jīng)天線的共模電流的幅度成正比。

4 解決方法

了解了輻射發(fā)射的機(jī)理后，可采取以下措施進(jìn)行解決：

(1)關(guān)斷干擾源

在單板的表層有一測(cè)試孔，就是圖2中的SDRAM_CLK3信號(hào)，頻率為83.3 MHz，作為調(diào)試中測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)所用。因?yàn)樵撔盘?hào)屬于無(wú)負(fù)載形式，而且頻率比較高，在物理上可以等效于一個(gè)天線，向空間輻射高頻電磁波，該電磁波包含了83.3 MHz的高次諧波。

筆者修改8240控制寄存器，將SDRAM_CLK3信號(hào)屏蔽，不對(duì)外輸出83.3 MHz時(shí)鐘，再次進(jìn)行EMI測(cè)試，結(jié)果577.5 MHz在垂直和水平方向上均沒有超標(biāo)，412.5 MHz在垂直方向有3.85 dB的裕量，在水平方向有0.25 dB的裕量。這說明該測(cè)試點(diǎn)的輻射效應(yīng)還是很強(qiáng)烈的，關(guān)閉該測(cè)試點(diǎn)也是有效的。(2)減小地噪聲

上述測(cè)試結(jié)果的前提條件是基帶中頻板沒有加電運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，中頻板也應(yīng)處于工作狀態(tài)。在恢復(fù)給中頻板的供電后，測(cè)試結(jié)果立刻變化：412.5 MHz點(diǎn)在水平方向超標(biāo)4.21 dB，在垂直方向超標(biāo)4.51 dB；而577.5 MHz在水平方向超標(biāo)5 dB，垂直方向無(wú)超標(biāo)。

對(duì)中頻板單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)以上2處超標(biāo)頻點(diǎn)。利用直流穩(wěn)壓源對(duì)單板測(cè)試，在這2點(diǎn)仍然存在干擾，排除了電源單體引發(fā)干擾的可能。這一現(xiàn)象表明，隨著中頻板的工作，電源的工作電流增大，地噪聲引起的共模干擾增強(qiáng)，83.3 MHz的諧波通過地噪聲增大了輻射強(qiáng)度。

筆者用高速示波器測(cè)量出網(wǎng)絡(luò)接口板的工作地噪聲(Vp-p)為96 mV，中頻板工作后，噪聲增至130 mV以上。此測(cè)量方法可能存在偏差，但總體的趨勢(shì)是2塊單板同時(shí)工作后，的確增加了地線噪聲，對(duì)EMI有一定的影響，只不過影響是有限的。

在PCB布線時(shí)，筆者已經(jīng)考慮到了高速信號(hào)線的EMI問題，因此一些關(guān)鍵信號(hào)線、高速時(shí)鐘線均在PCB內(nèi)層布線，夾在電源層和地層之間，應(yīng)該說屏蔽措施是比較可靠的。進(jìn)一步還可以考慮在83.3 MHz時(shí)鐘線兩側(cè)采取"包地"的方法，用兩根平行的地線將該時(shí)鐘線包裹起來(lái)，可以在一定程度上減小EMI發(fā)射。

(3)減小高頻電流幅度

在高速電路中，PCB線和集成電路的引腳上都不同程度地存在寄生電阻、寄生電容和寄生電感，在不同的頻率下呈現(xiàn)不同的阻抗特性，從信號(hào)完整性的角度來(lái)看，串聯(lián)阻抗匹配能夠有效抑制信號(hào)反射和振蕩，而這兩者恰恰是EMI的主要來(lái)源。

83.3 MHz的時(shí)鐘線是否因?yàn)榫€路阻抗匹配不當(dāng)，在線路上引起信號(hào)反射而導(dǎo)致EMI超標(biāo)呢？在單板的設(shè)計(jì)階段，筆者使用Cadence公司的SI(信號(hào)完整性)仿真工具Signal Explore，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的串聯(lián)匹配電阻進(jìn)行了細(xì)致的仿真，選擇51R匹配電阻，較好地抑制了時(shí)鐘信號(hào)的過沖和振蕩，從而最大程度地限制了EMI發(fā)射強(qiáng)度。選擇阻值更大的匹配電阻固然可以將信號(hào)過沖壓制得更低一些，同時(shí)EMI發(fā)射也將因此改善，但此舉會(huì)引起信號(hào)上升/下降沿變緩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)序出錯(cuò)，引發(fā)一系列SI問題。因此，對(duì)匹配電阻的選擇要適可而止，須兼顧信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序的雙重需要。

至此，從電路設(shè)計(jì)上暫時(shí)還沒有更好的改進(jìn)辦法。在結(jié)構(gòu)工程師的協(xié)助下，將終端單元使用的注塑殼體內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電漆，對(duì)輻射電磁波進(jìn)行屏蔽，網(wǎng)絡(luò)接口板和基帶中頻板均加電運(yùn)行，再次測(cè)試的結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，在30～1 000 MHz的頻段內(nèi)，沒有超標(biāo)頻點(diǎn)，筆者最關(guān)心的412.5 MHz在垂直方向有10.49 dB的裕量，577.5 MHz在垂直方向有6.9 dB的裕量。由此可見，在水平方向有2.1 dB的裕量，屏蔽的效果比預(yù)期的要好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，噴涂導(dǎo)電漆前后的信號(hào)衰減一般在2～3 dB，而這次試驗(yàn)的結(jié)果衰減了將近10 dB！

5 結(jié)論

筆者一直負(fù)責(zé)通信產(chǎn)品的電磁兼容性能的測(cè)試并作相應(yīng)的解決方法的研究，曾先后對(duì)終端網(wǎng)絡(luò)接入單元和基站接入單元進(jìn)行了多項(xiàng)電磁兼容測(cè)試。在所有的測(cè)試項(xiàng)目中，最難通過、也最難解決的就是輻射發(fā)射指標(biāo)超標(biāo)的問題。

難點(diǎn)之一是尋找干擾源。大多來(lái)自高速時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波，尤其是奇次諧波：3、5、7、9次，像本文提到的就是5次和7次諧波。與此同時(shí)，還要排除其他成分的干擾可能，如筆者分別對(duì)中頻板和電源單體進(jìn)行測(cè)試，逐一排除，最終將干擾源定位在83.3 MHz時(shí)鐘源上。

難點(diǎn)之二是干擾源定位后，對(duì)策也很難選擇。首先從輻射產(chǎn)生的機(jī)理，尋找最有可能產(chǎn)生天線效應(yīng)的信號(hào)線，像本文描述的表層測(cè)試孔。最有效的方法就是切斷輻射路徑，使之不能成為良好的發(fā)射天線。

信號(hào)線的阻抗匹配不當(dāng)引發(fā)的信號(hào)反射和振蕩也是EMI的重要原因，最佳方法是在設(shè)計(jì)階段對(duì)信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的仿真，從信號(hào)完整性的角度首先解決之。

能夠從電路設(shè)計(jì)方面最大限度地抑制EMI是最好的，實(shí)在無(wú)能為力的情況下應(yīng)該考慮從結(jié)構(gòu)工藝方面著手，增加屏蔽措施，本文提到的注塑殼體內(nèi)層表面噴涂導(dǎo)電漆對(duì)EMI的抑制效果是顯而易見的。□

參考文獻(xiàn)

1 邱關(guān)源,電路.第3版.北京:高等教育出版社,1995

2 白同云,呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì).北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001

3 Song Song Cho. EMI Prevention in Clock-Distribution Circuits. Texas Instruments. http：//www-s.ti.com/sc/psheets/scaa031/scaa031.pdf

(收稿日期：2002-01-31)

作者簡(jiǎn)介

趙建平，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部上海硬件部高級(jí)工程師。上海大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)工學(xué)碩士。目前從事BWA-3E寬帶無(wú)線接入產(chǎn)品的硬件電路設(shè)計(jì)、仿真和電磁兼容等方面的研究開發(fā)工作。

陳工羽，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部上海硬件部高級(jí)工程師。南京航空航天大學(xué)電子工程系通訊與電子系統(tǒng)專業(yè)碩士。目前從事BWA-3E寬帶無(wú)線接入產(chǎn)品硬件開發(fā)工作。

雷新，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部質(zhì)量部高級(jí)工程師。西安大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)工學(xué)學(xué)士。目前從事BWA-3E寬帶無(wú)線接入產(chǎn)品的硬件可靠性設(shè)計(jì)、仿真和電磁兼容等方面的研究開發(fā)工作。