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        關(guān)于雜散輻射產(chǎn)生原因及解決方法的研究*

        2020-07-19 14:29:12黃樹文熊仕文
        通信技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:走線雜散傳導(dǎo)

        黃樹文,符 超,熊仕文

        (珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000)

        0 引言

        雜散輻射作為無線產(chǎn)品一項(xiàng)必測(cè)的射頻指標(biāo),倘若不合格不僅會(huì)影響智能產(chǎn)品其他的射頻指標(biāo),而且會(huì)影響通信質(zhì)量、干擾設(shè)備的運(yùn)行。筆者在測(cè)試一款帶有藍(lán)牙模塊的無線產(chǎn)品輻射雜散過程中發(fā)現(xiàn),它的輻射雜散超標(biāo),導(dǎo)致通信連接不穩(wěn)定。本文通過此案例分析雜散產(chǎn)生的原因,以提供正確的解決思路,以期日后遇到類似問題可以迅速得以解決。

        1 雜散輻射的產(chǎn)生

        雜散輻射是指在發(fā)射信道和相鄰信道以外的所有離散頻點(diǎn)上的騷擾輻射,事實(shí)上就是考察發(fā)射機(jī)對(duì)遠(yuǎn)離載波頻點(diǎn)處的干擾水平。按照來源的不同,雜散輻射分為輻射型雜散(以下簡(jiǎn)稱輻射雜散)和傳導(dǎo)型雜散(以下簡(jiǎn)稱傳導(dǎo)雜散)兩種。傳導(dǎo)雜散是用RF Cable 連接天線插頭與50 Ω 負(fù)載進(jìn)行纜測(cè);輻射雜散則是在天線暗室中進(jìn)行耦合測(cè)試。

        1.1 輻射雜散簡(jiǎn)介

        當(dāng)移動(dòng)臺(tái)連接到非輻射純電阻負(fù)載或處于接收狀態(tài)時(shí),移動(dòng)臺(tái)以所述移動(dòng)臺(tái)外殼和電源、控制和音頻電纜輻射的指定信道以外的頻率產(chǎn)生或放大的傳輸,則稱為輻射雜散。輻射雜散是CE/FCC/MIC認(rèn)證中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。任何無線傳輸產(chǎn)品在申請(qǐng)CE/FCC/MIC 認(rèn)證時(shí)都必須進(jìn)行測(cè)試,且該測(cè)試項(xiàng)目的通過率較低。很多產(chǎn)品在此會(huì)出現(xiàn)問題,特別是大功率發(fā)射的產(chǎn)品。

        輻射雜散有多種測(cè)試方法,常見的是在全電波暗室運(yùn)用替代法測(cè)試,如圖1 所示。

        圖1 全電波暗室替代法

        替代法的基本思想是先預(yù)掃描被測(cè)設(shè)備在接收天線處產(chǎn)生的輻射功率,再用信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)天線替代被測(cè)設(shè)備在接收天線處產(chǎn)生相同的輻射功率,由此得到的標(biāo)準(zhǔn)天線發(fā)射功率即為被測(cè)設(shè)備在該頻點(diǎn)的輻射功率。

        1.2 傳導(dǎo)雜散簡(jiǎn)介

        傳導(dǎo)雜散發(fā)射指的是在天線連接處的、不同于載波和調(diào)制相關(guān)的邊帶的各個(gè)頻點(diǎn)的雜散值。一般都是指測(cè)試TX 的指標(biāo),分析發(fā)射最大功率時(shí)對(duì)整個(gè)頻帶的影響。傳導(dǎo)雜散分為帶內(nèi)雜散和帶外雜散兩種。帶內(nèi)雜散是指信號(hào)發(fā)射時(shí)落在各頻段接收帶內(nèi)的干擾。帶外雜散主要是衡量發(fā)射信號(hào)的諧波分量。

        傳導(dǎo)雜散測(cè)試不同于輻射雜散測(cè)試,是直接通過射頻線連接模塊傳輸信號(hào)而非通過空間傳輸信號(hào),受外界干擾可能性比輻射雜散小,如圖2 所示。

        2 實(shí)測(cè)案例

        筆者在對(duì)一款使用5 V 電池供電的藍(lán)牙產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),它的通信不穩(wěn)定,響應(yīng)速度慢,甚至有時(shí)無響應(yīng)。將它放入全電波暗室進(jìn)行輻射雜散測(cè)試后發(fā)現(xiàn),它的輻射雜散值超標(biāo)。圖3 為輻射雜散測(cè)試結(jié)論。

        如圖3 所示,可以清晰看到輻射雜散在939 MHz 有一個(gè)超標(biāo)點(diǎn),距限值差11 dB,輻射雜散不合格。

        圖2 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

        圖3 輻射雜散結(jié)論

        2.1 輻射雜散理論分析

        輻射雜散的干擾源一般由3 個(gè)部分產(chǎn)生:射頻模塊的傳導(dǎo)雜散輻射、機(jī)箱及設(shè)備結(jié)構(gòu)引起的輻射型雜散輻射和傳導(dǎo)雜散與電源線串?dāng)_產(chǎn)生的雜散輻射。由于輻射雜散通過無線空間傳播,因此可能輻射干擾的點(diǎn)是多種多樣的,如圖4 所示。

        圖4 輻射雜散干擾因素

        筆者將輻射雜散不合格的因素歸類為內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)因素。如果傳導(dǎo)雜散合格,意味著內(nèi)部因素合格,此時(shí)需從外部因素找尋輻射雜散不合格原因;如果傳導(dǎo)雜散不合格,不僅需從內(nèi)部因素找尋輻射雜散不合格原因,還需排查外部因素。

        2.2 傳導(dǎo)雜散驗(yàn)證排查

        通過對(duì)2.1 章節(jié)中輻射雜散理論的分析,先進(jìn)行傳導(dǎo)雜散的驗(yàn)證。對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行傳導(dǎo)雜散測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn),30 MHz~1 GHz 低頻部分存在大量雜散超標(biāo),且高頻部分存在3 次、4 次諧波同時(shí)超標(biāo),傳導(dǎo)雜散超標(biāo)則輻射雜散也超標(biāo)。傳導(dǎo)雜散測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

        圖5 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

        2.3 傳導(dǎo)雜散理論分析

        根據(jù)圖5 數(shù)據(jù)顯示,藍(lán)牙模塊的傳導(dǎo)雜散超標(biāo)。因?yàn)閭鲗?dǎo)雜散是用射頻線連接天線插頭進(jìn)行纜測(cè),所以產(chǎn)生雜散的原因多種多樣。但是,它可以主要?dú)w納為屏蔽效果、匹配電路、天線端口、射頻線、電源以及模塊走線布局等,如圖6 所示。

        (1)屏蔽效果:屏蔽罩將元器件、電路、組件或整個(gè)系統(tǒng)包圍在干擾源之外,防止干擾電磁場(chǎng)擴(kuò)散。如果屏蔽效果不好,會(huì)對(duì)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生雜散干擾。

        (2)射頻端口:由于射頻端口裸露在外,其可能受到外界其他信號(hào)的干擾。

        圖6 輻射雜散分析

        (3)天線匹配:RF 線路的匹配對(duì)信號(hào)傳輸尤為重要,若匹配不合適,會(huì)影響天線性能。

        (4)PA 功率放大器:PA 的作用是將射頻信號(hào)放大到足夠功率,經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)由天線發(fā)射出去,起到一個(gè)放大器的功能。但是,功率得到放大,其噪聲也會(huì)得到放大,產(chǎn)生的干擾也會(huì)增加。

        (5)RF 走線布局:天線要盡量遠(yuǎn)離干擾元器件,因?yàn)檫@些元器件的非線性可能會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生串?dāng)_,生成諧波而帶來干擾。

        (6)電源串?dāng)_:如果PA 的電源穩(wěn)壓不好或其電源走線載有高頻噪聲,都會(huì)使發(fā)射端性能劣化,必然影響傳導(dǎo)雜散。

        3 方案設(shè)計(jì)排查

        根據(jù)2.2 章節(jié)中的傳導(dǎo)雜散不合格結(jié)論,結(jié)合2.1章節(jié)輻射雜散干擾因素(如圖4 所示),可以確定輻射雜散超標(biāo)和模塊內(nèi)部因素的有關(guān),但是否受外部因素影響還需驗(yàn)證。因此,筆者開展了如下試驗(yàn)。

        首先,去掉藍(lán)牙產(chǎn)品外殼,其輻射雜散未發(fā)生變化,表明外殼對(duì)輻射雜散值沒有影響。其次,由于藍(lán)牙產(chǎn)品使用5 V 電池供電而非通過電源線接電,電池包裝完好無泄漏。筆者使用直流電源代替電池供電,其輻射雜散值未發(fā)生變化,因此可以排除電源因素。最后,結(jié)合傳導(dǎo)雜散超標(biāo)嚴(yán)重的情況,基本可以確認(rèn)輻射雜散超標(biāo)是因?yàn)閭鲗?dǎo)雜散超標(biāo)導(dǎo)致。結(jié)合2.3 章節(jié)中傳導(dǎo)雜散理論分析,筆者針對(duì)傳導(dǎo)雜散制定了以下最合適的方案。

        3.1 降低功率方案。

        由于諧波來自于元器件的非線性效應(yīng),此外PA 最有可能。通過降低主頻功率,諧波功率會(huì)下降。降低發(fā)射功率雖然有一定的改善,但是相應(yīng)會(huì)減少通信距離,不能作為主要的解決措施。本案例中將藍(lán)牙從原先6 dBm 的發(fā)射功率降到3 dBm,對(duì)比圖5 和圖6 可以看到,高頻部分3 次諧波功率從-27.9 dBm 降到-33 dBm、4 次諧波-27.4 dBm 降到了-37 dBm,高頻部分雜散已經(jīng)合格,但低頻部分60 MHz 處傳導(dǎo)雜散超標(biāo)仍然存在。

        3.2 更改匹配方案

        一般而言,傳導(dǎo)雜散超標(biāo)可以通過更改匹配、加強(qiáng)濾波處理來解決,但要注意對(duì)發(fā)射信號(hào)的衰減。本案例發(fā)現(xiàn)低頻部分超標(biāo)仍存在后更改了匹配,將1.2 pF 電容變?yōu)?.6 pF 電容,結(jié)果非常明顯,如圖7 所示,低頻雜散雜波大大減少,但還存在少量超標(biāo)情況。

        圖7 傳導(dǎo)雜散結(jié)論

        3.3 天線布局方案

        對(duì)天線最好的方式是壓縮其他區(qū)域,保持凈空區(qū)。案例中PCB 電路去掉了多余無用的線路和無用的匹配點(diǎn),增加了天線凈空區(qū)域,減少了對(duì)天線干擾的可能。對(duì)比圖8 與圖9 可以清楚看出,天線區(qū)域空曠了一部分,也縮短了從射頻端到板載天線的距離。

        圖8 整改前布局

        圖9 整改后布局

        3.4 RF 走線方案

        RF 線是指IC RFIO 引腳到天線間的連線,必須小心控制。如果RF 阻抗不在50 Ω±10%內(nèi),RF 性能將會(huì)受到很大影響。為了保證射頻信號(hào)從RFIO 到天線端的傳輸效率,添加一個(gè)阻抗匹配電路。當(dāng)回波損耗大于10 dB 時(shí),能使90%的能量傳輸?shù)教炀€端。

        圖10 中,芯片端的阻抗匹配電路由3 個(gè)元件構(gòu)成,天線端的阻抗匹配電路由另外3 個(gè)元件構(gòu)成,從而使得在輸入阻抗1 和輸入阻抗2 端的阻抗為50 Ω。只有使用PCB 天線或芯片天線時(shí),22 pF 的隔直電容才允許省略。芯片端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)同樣用于諧波抑制,以保證RF 性能。

        圖10 阻抗匹配電路

        案例中該P(yáng)CB 涉及RF 電路,對(duì)阻抗要求較嚴(yán),具體參數(shù)要求按下列要求進(jìn)行控制。整改前(如圖11 所示)RF 線路阻抗未控制在50 Ω 左右,造成了信號(hào)的大量反射。整改后圖12 左圖箭頭路線阻抗控制在50 Ω±5 Ω 內(nèi),圖12 右圖阻抗線末端為IC 夾線不做阻抗控制。

        圖11 整改前RF 線路

        圖12 整改后RF 線路

        3.5 電源電路走線方案

        電源的Bypass 電容擺放必須靠近IC,走線必須先經(jīng)過電容再進(jìn)入IC 或輸出給其他分支電源,如圖13 所示。

        圖13 電源電路走線

        圖14 中整改前只是經(jīng)過一個(gè)電阻,并不能起到很好的降噪作用。實(shí)測(cè)案例中,電源電路的走線先經(jīng)過電容再到芯片供電,如圖15 所示,能夠減少由于線路阻抗引起的壓降和高頻電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換而引起的噪聲,降低產(chǎn)生雜波的風(fēng)險(xiǎn),但會(huì)影響到低頻段。

        圖14 整改前電源走線

        圖15 整改后電源走線

        4 最終整改結(jié)果

        經(jīng)過上述幾種設(shè)計(jì)方案的整改,藍(lán)牙模塊傳導(dǎo)雜散全部合格,低頻部分雜波消失,高頻部分3 次和4 次諧波消失,符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),且裕量充足,超過6 dBm,如圖16 所示。復(fù)測(cè)輻射雜散,圖17 輻射雜散超標(biāo)點(diǎn)消失,輻射雜散測(cè)試合格,證明上述方案是可行的。

        圖16 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

        圖17 輻射雜散測(cè)試

        5 結(jié)語

        對(duì)雜散輻射的測(cè)試原理、產(chǎn)生原因及整改方法進(jìn)行詳細(xì)講解,不管是輻射雜散還是傳導(dǎo)雜散超標(biāo),總體可以分為外部對(duì)射頻模塊產(chǎn)生的干擾引起和內(nèi)部模塊自身問題產(chǎn)生的雜散超標(biāo)。外部需逐步排除外部環(huán)境帶來的影響,內(nèi)部則促從器件、布局等方面進(jìn)行整改。分部分進(jìn)行仔細(xì)排查,最終找到最佳的解決之道。

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