關(guān)于射頻電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)的思考

【摘要】在現(xiàn)今科技發(fā)展下，電子設(shè)備設(shè)計(jì)不再是將信號(hào)線正確連接這么單純，射頻電子設(shè)備上的電磁兼容成為必須要考慮的因素，也即整合射頻電子設(shè)備上各種不同種類的信號(hào)，使各信號(hào)不會(huì)互相干擾。本文首先探討了電子設(shè)備的電磁兼容性概述，進(jìn)而分析了射頻電子設(shè)備電磁兼容性的系統(tǒng)布局與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】電子設(shè)備；電磁兼容；系統(tǒng)布局；硬件架構(gòu)

一、電子設(shè)備的電磁兼容性概述

近年來(lái)科技快速的發(fā)展，各式各樣的電子產(chǎn)品無(wú)不追求輕薄短小，而電子設(shè)備的制程也趨向縮小化與多層板，如何在有限空間內(nèi)進(jìn)行電子設(shè)備布局（layout）和解決電磁干擾（electromagnetic interference， EMI）相關(guān)問題已成為工程師重要的技術(shù)。目前電子設(shè)備布局設(shè)計(jì)時(shí)需注意阻抗匹配（impedance matching）、信號(hào)完整性（signal integrity， SI）、電源完整性（power integrity， PI），并以低成本達(dá)到良好的電磁兼容（electromagnetic compatibility， EMC）成為主要研究方向。

常見電子設(shè)備布局須注意的效應(yīng)包括布線與貫孔間的串?dāng)_、數(shù)位與類比元件擺放位置、電路布線的長(zhǎng)度、貫孔對(duì)高速電路的影響，其中布線與貫孔設(shè)計(jì)最容易產(chǎn)生干擾問題，好的布線與貫孔設(shè)計(jì)能減少傳輸線間的串?dāng)_，進(jìn)一步提升信號(hào)的品質(zhì)。一般傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)的過程中往往只考慮信號(hào)完整性、電源完整性，卻常常忽略了電子設(shè)備上傳輸線所造成的電磁干擾問題，往往需要花費(fèi)時(shí)間在電磁干擾的糾錯(cuò)方面。

二、射頻電子設(shè)備電磁兼容性的系統(tǒng)布局

隨著電路技術(shù)突飛猛進(jìn)，射頻電子產(chǎn)品的操作頻率越來(lái)越高，使得電磁干擾問題成為設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)，因此本文將描述電子設(shè)備的電磁干擾布局設(shè)計(jì)原理。

（一）電磁干擾來(lái)源

當(dāng)一個(gè)電磁干擾問題發(fā)生時(shí)，有三個(gè)元素需特別注意，第一為能量的來(lái)源，第二為被能量干擾的接受者，第三為在能源與接受者之間的耦合路徑。同時(shí)具備這三個(gè)元素，則會(huì)造成電磁干擾，如果改善其中之一，便能改善干擾的問題。電磁干擾是指產(chǎn)生的一種電磁波雜波，或裝置本身不需要的信號(hào)，經(jīng)由輻射路徑或傳導(dǎo)路徑影響其它裝置，造成其它裝置不正?；蚴д?。目前在電子設(shè)備上供電的部分是由廠家所提供的，我們無(wú)法確保所使用的電源是否為無(wú)干擾的電源；主動(dòng)元件在集成電路（integrated circuit， IC）電磁兼容的相關(guān)法規(guī)制訂完成之前設(shè)計(jì)者也無(wú)法確保其電磁兼容特性是否優(yōu)良。若在成本有限的情形以不使用任何金屬屏蔽的情況下，只能夠從射頻電子設(shè)備布局上來(lái)著手降低電磁干擾的問題。

（二）板層規(guī)劃與布局

在設(shè)計(jì)射頻電子設(shè)備時(shí)，首先要考慮的是在可接受的成本價(jià)格內(nèi)決定需要使用多少的布線層（routing layer）及電源平面。層數(shù)的決定在于功能規(guī)格、抗雜波能力、信號(hào)分類、須布線的節(jié)點(diǎn)、布線的密度、集成電路元件密度、匯流排布線等。使用微帶線（microstrip）及帶狀線（stripline）方式已成為電子設(shè)備層面抑制射頻輻射的技術(shù)。使用內(nèi)嵌于電子設(shè)備內(nèi)的平面（ground或VCC）是抑制電子設(shè)備內(nèi)共模射頻信號(hào)（common-mode radio frequency）的重要方法之一。具體而言，使用的設(shè)計(jì)原理可采用四層板設(shè)計(jì)，多層板可以提供較佳的電磁兼容特性與信號(hào)品質(zhì)，因?yàn)橥ㄟ^微帶線及帶狀線可有較佳的信號(hào)阻抗控制。電源及接地層的分布阻抗（distribution impedance）應(yīng)盡可能降低。這些平面含有來(lái)自于數(shù)位信號(hào)的突波電流及信號(hào)與匯流排的電容負(fù)載，利用微帶線及帶狀線互相抵銷磁通量（flux cancellation）使得傳輸線的電感降低。

（三）電源與接地規(guī)劃

電源輸入布局不恰當(dāng)將會(huì)引起不必要的天線效應(yīng)，使電子設(shè)備如同天線向外輻射。若將電源輸入接頭（power jack）放置于電子設(shè)備的中間，則電源回路形成一雙極天線或環(huán)形天線，因此在設(shè)計(jì)與布局電子設(shè)備時(shí)，應(yīng)避免此種布局方式。在電源層方面采用20H-rule，可讓電源層尺寸小于地層20H的尺寸，其中H為電源面與接地面之間的高度，若要攔截更多的輻射干擾可縮小至100倍的高度可攔截98%的輻射干擾，若以成本做為考慮，從數(shù)據(jù)上可以得知縮小20倍為最符合經(jīng)濟(jì)效益的做法。

三、射頻電子設(shè)備電磁兼容性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件結(jié)構(gòu)

硬件架構(gòu)布局可由左上至右下設(shè)計(jì)，分別是信號(hào)層、接地層、電源層與信號(hào)層。布線寬度采取一致的寬度20mil線寬，地線與電源線則采用30mil的線寬，為了防止信號(hào)反射，布線轉(zhuǎn)折處使用鈍角，避免銳角或直角轉(zhuǎn)折所造成的阻抗不匹配，各線之線距均保持在20mil以上以避免串?dāng)_現(xiàn)象（crosstalk）發(fā)生，遇到接地處與電源處采用貫孔方式連接電源與接地。將接地層保持完整，提供高速信號(hào)層一完整的參考平面，縮短各信號(hào)回流路徑使其得以最短距離接地。并與電源層采用20H-rule，讓接地層面積尺寸大于電源層20H的尺寸，其中H為電源面與接地面之間的高度，為防止周邊有雜波干擾，該作法可將電源層所產(chǎn)生射頻電流直接在地層接地，濾除電子設(shè)備邊緣效應(yīng)所形成的電流輻射。

（二）印制電路板設(shè)計(jì)

作為射頻微波電路印制板，地線一般都要大面積接地，電路板底部通常全部鋪地，而且正面也通過接地通孔大面積鋪地，從而減少能量泄漏，降低電磁干擾。在電路的布局上，一般都是按照信號(hào)的傳輸方向按直線排布，從而減小多級(jí)放大電路之間的信號(hào)耦合以及輸出和輸入信號(hào)之間的耦合干擾。同時(shí)還應(yīng)注意濾波去耦電容和旁路電容接地的位置，使放大器等的返回電流或由負(fù)載返回的電流經(jīng)過最短的路徑和相互之間最小的耦合回到放大器中。

（三）高密度安裝

在微波頻段，各種寄生效應(yīng)極易產(chǎn)生，通常電路板上高密度地安裝電路器件，采用模塊化分立型集成電路而使表面積縮小時(shí)，可以使電路不易受噪聲影響。高密度的安裝大大縮短了同一電氣網(wǎng)絡(luò)互連線，從而減小了傳輸阻抗和電路的各種寄生參數(shù)對(duì)電路性能的影響。同時(shí)，電路內(nèi)部溫度也分布均勻，電路的可靠性也可以得到提高。在高密度安裝的同時(shí)，要注意各個(gè)器件的合理布局，避免不同頻率之間的耦合問題，可以通過加隔離板的方法使不同頻率的信號(hào)獨(dú)立成腔。

另外，射頻電子設(shè)備系統(tǒng)在良好電路性能精心設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須要有合理的電磁兼容考慮，否則會(huì)直接影響電路性能。另外，合理的電磁兼容考慮除了電路設(shè)計(jì)師外，還需要工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的配合，這樣才能達(dá)到最佳效果。

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