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1、班级：13嵌入式系统 小组成员：陈秋娥 邹艳萍 梁何体 叶 媚 邓丽洁 蔡超健 陈锦泉 陈焕新,手机电磁兼容,设计与分析,电磁兼容设计的目的,电磁兼容设计的目的：电磁兼容性设计，目的在于使所设计的设备或系统在指定的电磁环境中，满足抗电磁干扰的各项技术指标要求，以保证设备或系统的正常工作，同时是所设计的设备或系统在其工作的环境中不产生超标的电磁干扰，以免影响处于同一环境中的其他设备或系统的正常运行。,手机电磁兼容存在的主要问题,手机内部空间小、电路密集、频率高，接收电路/发射电路，数字电路/模拟电路等干扰与被干扰电路很难在空间上得到隔离，有加之金属内部件很少，因而地容量较小，再加上在屏蔽壳体上存
2、在不连续的导电缝隙，导致抗静电放电干扰的能力较差，由于屏蔽涂层与印刷路板的地层等存在局部不连续的导电缝隙，同样导致抗静电放电能力较差。,手机集中反映在电磁兼容方面的问题：,1）抗静电放电干扰能力较差。由于受地容量较小，缝隙泄露，壳体表面采用钻石等导电饰物等因素的影响，使得手机产品必然存在抗静电干扰能力较差的问题。 2）电磁骚扰容易超标。由于功放非线性因素导致的谐波等杂散反射超标，缝隙泄露等因素的影响，手机整机的电磁骚扰不易控制在某极限以下。 3）内部电路间的信号串扰。,手机辐射量级,CDMA手机辐射量级在15-50uW/cm2之间 GSM大都在800uW/cm2以上，辐射最高的可达1000uW
3、/cm2。 内藏天线小于外置天线，但内 置天线手机的背部电磁辐射比前 板多出 好几倍。,测试时手机的连接方式手机通过空间链路与手机基站模拟器建立通信连接，手机充电器与手机相连且保持充电状态，充电器的交流输入端与交流电源或测试设备相连，如图。,电磁兼容测试过程中，手机有两种典型的工作状态： 通话状态：手机与基站模拟器通过空间链路建立并保持通信连接。根据不同制式，选择中间的信道频率。基站模拟器控制手机工作在最大的发射功率。 手机与充电器相连并保持充电状态 空闲模式：手机与基站模拟器通过空间链路连接，BCCH信道激活，受机与基站模拟器保持同步，手机处于待机状态。 测试过程中，根据标准的要求选择手机的
4、工作状态进行电磁兼容测试。,静电放电抗扰度试验产生的问题： 1) 手机机通话中断。 2) 静电放电导致手机机部分功能失效，但静电放电过程结束后或者重新启动手机机之后失效的功能可以恢复。 3) 手机自动关机或者重新启动现象。 4) 静电放电导致手机损坏,对于手机电磁兼容测试，主要出现问题的项目是：静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、传导骚扰及辐射骚扰。,问题的具体分析 通话中断：造成通话中断的主要原因是静电放电对手机内部的射频电路和或基带电路造成影响，造成了通信信噪比的下降，信号同步出现问题，从而造成通话中断； 自动关机或重启：基带电路的复位电路受到静电的干扰导致手机误关机或重启； 部分器件
5、失效：静电放电过程中高电压和高电流导致器件的热失效或者绝缘击穿。也可能受到静电放电过程中的强电磁场影响导致器件暂时失效； 软件故障：静电干扰信号被当作有用信号被处理，导致操作系统误响应。,手机天线的电磁兼容性,解决手机天线的电磁兼容性方法，其特征在于：选取单极天线作为小型终端手机的天线，在PCB板的单极天线的净空区域内印刷有导线，将前壳内加载金属框，在金属框四角处做开口在金属框四角处做开口，或将金属框和PCB主板利用导电布或者导电泡棉进行连接导通的实验。主要原理为利用该金属框分散手机PCB主板电流，使得电流分布均匀，避免电流堆积，在SAR测试时产生的峰值降低，从而解决了远场辐射的OTA的要求，
6、又满足近场辐射的SAR要求。,手机PCB的电磁兼容性设计,1、选择合理的导线宽度 由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.21.0mm之间选择。,2、采用正确的布线策略 采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布
7、线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。 3、为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。,4、为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点： （1）尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。 （2）时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。 （3）总线驱动器应紧挨
8、其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。 （4）数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。,5、抑制反射干扰 为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验，对一般速度较快的TTL电路，其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。,6、电路板设计过程中采用差分信号线布线策略 布线非常靠
9、近的差分信号对相互之间也会互相紧密耦合，这种互相之间的耦合会减小EMI发射，通常(当然也有一些例外)差分信号也是高速信号，所以高速设计规则通常也都适用于差分信号的布线，特别是设计传输线的信号线时更是如此。这就意味着我们必须非常谨慎地设计信号线的布线，以确保信号线的特征阻抗沿信号线各处连续并且保持一个常数。 在差分线对的布局布线过程中，我们希望差分线对中的两个PCB线完全一致。这就意味着，在实际应用中应该尽最大的努力来确保差分线对中的PCB线具有完全一样的阻抗并且布线的长度也完全一致。差分PCB线通常总是成对布线，而且它们之间的距离沿线对的方向在任意位置都保持为一个常数不变。通常情况下，差分线对
10、的布局布线总是尽可能地靠近。,在GSM手机EMC设计工作中，与其它的通信设备一样，采用了接地、屏蔽、滤波这三项技术。 GSM手机EMC设计要求: 接收灵敏度：优于-102dBmRBER（residualBER） 20（条件：class、静态、900MHz频段）； 发射频率误差：1107，相位误差有效值：5、峰值20； 射频输出功率（四类手机）：5dBm（3.22mW）-33dBm（2W）。 接收机同道、邻道、阻塞、互调指标，发射机调制频谱、开关频谱、杂散辐射等指标均需满足ETSGSM11.10和05.05（欧洲电信标准）技术规范中的各项要求。,接地 从电路分析的角度来看，接地就是一种能对电源或
11、信号源提供一条在工作频率范围内的低阻抗通路的技术。从这一点来看，采用大面积接地、短而粗的导线就近接地是一项基本原则，接地与屏蔽和滤波密切相关，良好、可靠的接地是高质量屏蔽和滤波的前提条件。接地方式有一点接地、多点接地、大面积接地、汇流条接地等，在手机中大多数采用PCB大面积地线层接地和PCB周边汇流条按地。,接地问题,实例一：某系统设备在做422通讯串口的射频场感应传导测试，采用双绞屏蔽线，开始采用的是单端接地，测试时出现的误码率高，几乎没有正确的数据，后来采用双端可靠接地，通讯正常。,实例二：某系统设备在做视频鼠标线的射频场感应传导的试验时，在较低频段（3M以下）时显示器有波纹，上下闪动，后
12、来将视频线的显示器侧可靠接地，干扰明显降低，几乎不影响显示。 分析：这两种现象都是在做射频场的感应传导试验时出现的，射频场的感应传导抗扰度试验实质是：设备引线变成被动天线，接受射频场的感应，变成传导干扰入侵设备内部，最终以射频电压电流形成的近场电磁场影响设备工作 ，以低频磁场为主。,双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。 屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，Is也
13、会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。,屏蔽 因为手机是属于高性能价格比的通信类家用电器，而且有体积和重量的限制，故在进行手机EMC屏蔽技术设计时，必须仔细考虑屏蔽方式和材料的选择以及加工工艺和表面处理。 在手机中，可选择的材料和特点如下所述： (1)有金属涂层或镀层的工程塑料：其特点是可以降低手机的生产成本，容易与外壳在结构和形位公差方面进行匹配，减轻手机重量，但由于镀层厚度和密度的限制，其屏蔽效果一般来讲不如全金属的屏蔽结构件。,导电橡胶：这种材料是在硅橡胶中加入高电导率的金属粉末（如银、镍、Ballotini），其形状和断面可根据需要有
14、多种选择（例：O、U形状）。选择的基本依据是电导率指标要高，有足够的机械强度、弹性和稳定性，这种材料的特点是： 弹性和电导率会随着时间而变差（老化）； 抗震性能差，受到震动后，其电导率指标会变差； 可维性差、易变形脱落。要形成高质量低阻抗的接地面，在工艺上有困难。 由于上述原因，这种材料在新型手机中较少采用。,金属冲压拉伸屏蔽结构件：从理论上来讲，采用这种方法可得到最好的屏蔽效果，在进行设计时需要考虑到下列因素： （a）选择具有高电导率和导磁率的材料。 金属导体对电磁波存在着两种损耗，吸收损耗和反射损耗，在工作频率大于100MHz时，损耗以吸收损耗为主。 （b）屏蔽材料在经过冲压拉伸成型和表面
15、处理之后，要求尺寸精度要高，表面不易氧化，有一定的机械强度，以满足生产和维修的要求。 （c）工制造成本低。,（d）由伽尔伐尼电池效应造成的电化腐蚀要小。 （e）对于需要焊接的封闭式金属屏蔽金上孔的加工和处理：从EMC的角度来考虑，希望孔的数量和孔径要越少越小为好，从红外再流焊的焊接工艺质量来考虑，又希望孔的数量和孔径要多和大为好，这就需要在设计时考虑。 （f）在手机天线附近的屏蔽件的尺寸、形状、形位公差、光洁度、材料，将对天线的分布参数产生很大的影响，从而进一步影响到PA（power amplifier）的输出功率、功耗、相位误差、接收灵敏度等RF指标。,滤波 在GSM手机中采用了各种不同的滤
16、波技术： 从滤波器的截止频率来看，有低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）滤波器； 从作用的工作频率来看，有低、中、高频滤波器； 从信号传输的方式来看，有传输型和旁路型滤波器； 从使用的材料来看，有SAW（surface acoustic wave）、传输线、腔体、铁氧体、陶瓷滤波器； 从使用的器件来看，有无源和有源滤波器。,下面介绍在GSM手机中采用的一些特殊的滤波技术： （1）一路电源（电池）输入，多路电源输出的线性有源滤波技术： 这种滤波技术可保证各路输出电源之间的干扰很小，从而保证了EMC性能。若采用无源滤波技术，不但需要体积很大的滤波电容，而且也是难以达到技术要求的。另外，GSM手机非常讲究功耗指标（待机连续通话时间的长短），从这一点考虑，采用电源滤波管理技术，有利于对各个单元电路分别进行控制和管理，让相关的单元电路只在相应的时隙内启动工作，在其余的时隙内均处于等待休眠状态，从而可以达到进一步降低功耗、省电的目的。,（2）铁氧体滤波器 这种器件根据使用情况可分为几类：标准信号、高速信号、超高速信号、电源。利用
