越来越多的制造商在新产品或现有产品中增加或改进无线技术。这些产品通常包括移动、家用、工业、科学和医疗(ISM)设备。这种向“一切无线”的转变正在如火如荼地进行，随之而来的是产品本身的电磁干扰(EMI)问题，会干扰敏感的车载蜂窝、GPS/GNSS和Wi-Fi/蓝牙接收器。这就是所谓的“平台”或自我干扰，它已经成为制造商的一个大问题。

无线自干扰

当今大多数基于数字的产品都会产生大量的机载射频谐波“噪声”，即EMI。虽然这种数字开关通常不会干扰数字电路本身，但同样来自数字时钟、高速数据总线、特别是车载DC-DC开关模式电源的谐波能量很容易对700 - 950 MHz(或更高)的手机频段产生干扰，导致接收器“desense”(降低接收器灵敏度)。为了使用各种移动电话服务(Verizon, ATT, Sprint, T-Mobile等)，制造商必须根据CTIA(蜂窝电话工业协会)标准通过非常严格的接收器灵敏度和发射机功率遵从性测试。这种机载数字EMI和由此产生的接收器desense通常会将产品介绍延迟几周或几个月。

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每道224 Gb/s:选择和挑战

蜂窝和无线提供商要求dBm中有一定的接收器灵敏度，称为全向异性灵敏度(TIS)。例如，这通常可能是至少−108 dBm的灵敏度，并且必须包括移动设备中使用的天线效率的影响。由于移动设备天线通常在靠近人的手或头的地方工作，这往往会进一步降低灵敏度(−99 dBm可能是典型的，这取决于天线)。关于这方面的更多信息，以及测试方法，请参见CTIA的“空中移动电台性能测试计划:辐射射频功率和接收机性能的测量方法”。¹蜂窝无线电制造商Broadcom在其白皮书“遵守TIS和TRP要求”中也有一些信息。²

描述平台(或自产生)EMI

现在让我们看看如何描述这种自我产生的电磁干扰，然后描述一些可能的缓解措施。通常有两个主要的关注领域，机载能源可以耦合到接收器天线或无线模块，并导致接收器灵敏度的损失(见数字1)：

1. 机载能源，如DC-DC转换器，广告和数据总线，以及其他快速边缘的数字信号，可以直接引导或耦合这种EMI到无线模块或其天线。
2. 附加的I/O或电源线作为“辐射结构”(天线)，将这种自产生的射频能量直接耦合到板上或附加的无线天线。

有三种测量技术可以用来描述平台干扰:

1. 近场磁场或电场探头，用于定位主要能量(EMI)源。
2. 高频电流探头可用于测量I/O和电源电缆上的小射频电流。
3. 用于直接从PC板或附加电缆测量实际近场发射的附近天线或TEM单元。

考虑到这些表征技术，通常可以确定耦合到机载无线接收器的电磁能量来源。一旦能源被识别和表征，那么挑战就是确定能量是如何耦合到接收器的，并应用缓解技术来减少这种耦合。

通常情况下，电磁场直接在板内耦合，这是由于糟糕的堆叠，糟糕的功能电路划分(射频，数字，功率转换)，或糟糕的信号/功率路由。也很有可能是杂散电磁场直接耦合到天线中。也可能是两者的结合。

类型的干扰

能干扰敏感接收器的两种常见的高频谐波信号是窄带和宽带。数字2显示了我们从1到1500兆赫的差异。通常，DC-DC转换器或数据/地址总线数据将显示为具有几个谐振峰(紫色迹)的非常宽的信号，而晶体振荡器或高速时钟将显示为一系列狭窄的峰值(水色迹)。除非产品设计符合EMI要求，否则这两种类型的信号都能很好地辐射或传导高频能量到手机或其他无线带。

这两种电磁干扰源都可能对美国700 - 900兆赫的蜂窝频段和GPS频段造成干扰，白色圆圈所包围的区域表示。在细胞波段内，水迹的峰值比环境噪声水平高出40分贝以上。

类型的测量

已经开发了三种方法来诊断物联网设备的自干扰:使用近场探针来帮助描述板或系统上的谐波能量来源;一种描述电缆谐波电流的电流探头;或者在排除故障时在附近安装天线来监测实际排放。可选地，您可以使用TEM单元代替天线。

步骤1:近场探测

有三种有用的测量方法可以表征板级电磁干扰，值得注意的是:在宽频率范围内进行一般性检查;仅在接收器下行频带处的窄检查;以及用示波器测量直流-直流变换器的开关波形。

对于近场测量，直径约1厘米的h场环的大小大约是在板级识别和表征电磁干扰的合适尺寸数字3.)．

从较宽的频率跨度开始

更宽的测量范围有助于描述电磁干扰源的一般概况，如DC-DC转换器、时钟总线、处理器、内存和任何其他潜在的高频设备，如以太网时钟。该测量从至少1到1000兆赫，将覆盖美国蜂窝LTE频段。对于其他移动电话和/或GPS/ GNSS，您需要查看高达2 GHz的频率。对于Wi-Fi，你需要寻找高达2.5或5.4 GHz的信号，但这些机载辐射很少超过2 GHz。将频谱分析仪置于“最大保持”模式有助于建立最大频谱振幅。

例如，使用h场探头测量典型物联网设备中的以太网和DC-DC转换器(见图2)，可以发现1到1500 MHz的宽带和窄带电磁干扰水平非常高。白色圆圈表示美国常用蜂窝频段700 - 900 MHz的近似边界，以及GPS频率1575.42 MHz(一般GNSS使用附近的额外频率)。测量到的电磁干扰比环境噪声地板高20到40分贝。如果这个电磁干扰是耦合到接收器输入，它可以引起严重的接收器失感。

缩小到下行频带的跨度

一旦识别和表征了板上的各种噪声源，第二个有用的测量方法是缩小跨度，在不同位置使用相同的近场探头只观察接收器(下行)波段。例如，Verizon LTE在美国的下行带宽是FCC分配的“13波段”，从746到756兆赫图4)．通过探测所有剩余的电路，你可能能够识别其他潜在的干扰源。

一个人可能需要一个至少20分贝增益的外部宽带前置放大器，以便清楚地观察这些较高频率下的噪声。或者，一个内置前置放大器的分析仪可能就足够了。你可能需要在一个屏蔽的房间里进行这些测量，以排除其他移动电话传输干扰你的测量。

描述DC-DC变换器的振铃和上升时间

第三种有用的测量方法使用h场探头可以用来描述各种DC-DC变换器在时域的开关波形。这对于识别开关波形上的振铃是很重要的，因为这个振铃频率可以转化为发射特性中的宽峰值。有时这些发射的宽峰与细胞带重合。h场探头是快速和安全的，因为他们不需要直接连接到电路-只需耦合到输出电感。

为了表明这是一个有效的表征测量，并参考数字5，让我们来检验一下数学。在电感和h场探头之间会有一个未知的相互耦合因子M。因为我们不知道相互耦合因子，振幅将无法与实际测量的示波器探头相比。然而，对于电磁干扰的目的，我们主要感兴趣的是上升时间、一般开关波形和振铃频率(如果有的话)。看到数字6以Rohde & Schwarz RT-ZS20示波器探头和RS H 50-1 H场探头的开关波形特性为例进行比较，表明测量结果一般具有可比性。

DC-DC转换器通常有一个近方波信号VL，来自转换器开关节点SW和输出电感L，输入到地面返回，这是我们将用示波器探头测量的。通过电感器的电流与该电压的关系如下:

假设h场探头靠近电感，我们得到一些相互耦合，M(未知)，探头的输出为:

由于Vout与VL成正比，现在可以轻松快速地测量EMI最重要的特性，而无需在电路运行过程中使用示波器探头尖端短路连接的风险。通过使用靠近每个DC-DC变换器电感的h场探头，我们可以测量上升时间(表示谐波频率的上范围)，脉冲宽度和周期(也考虑到谐波频率)，以及振铃频率(它可以导致宽频频谱中的宽谐振峰值)。图6显示了用范围和h场探针测量的对比。

电流探头可以测量射频共模电流在电源线或I/O电缆。两者都可以直接辐射到物联网天线。

其中Vout是50Ω端口的测量电压，I是电线或电缆中的共模电流。

我们可以用dB表示这个方程:

求解I(通过电线或电缆的共模电流):

一个非常有趣的结果是，知道了导线中的共模电流(假设长度比波长短)，我们可以根据下面的公式计算出这条导线或电缆的期望电场:^{3 - 4}

在E_c,马克斯计算得到的e场(V/m)， I_c为实测共模电流(A)， f为谐波频率(Hz)， L为电线或电缆长度(m)， d为测量到电线或电缆的距离(m)。为了与商用EMC标准的测试限值进行比较，一般采用3米或10米作为辐射发射值。

在测量电线或电缆的谐波电流时，计算近似通过或失败的能力是处理产品辐射排放的强大工具。

虽然在处理直接进入敏感物联网接收器的近场辐射时，这种能力不那么重要，但相对而言，知道给定的电源或I/O电缆是否可能导致整体噪声耦合问题仍然很好。

第三步:近距离天线

要测量PC板的直接排放物，无论是否连接电缆，你都可以使用近距离天线来采集排放物。天线不需要校准，甚至不需要在整个频率范围内谐振，只需放置在一个足够近的距离，以便可以观察到谐波发射。天线的位置可能需要接近1米，以观察自干扰的发射数字11)．

要监测的最重要的谐波频率包括蜂窝LTE频段(大约700到900 MHz，商业GPS L2频率1575.42 MHz，更高的蜂窝频段约1.8到1.9 GHz，以及Wi-Fi ISM频段2.4到2.5 GHz)。船上的谐波含量很少比这高。

步骤3:TEM细胞(可选)

另一种设置天线的替代方法是使用TEM单元来表征裸物联网板或物联网产品的发射，假设它可以嵌入隔层区域。

为了测量PC板的直接辐射，可以将其放入一个小的TEM槽中(参见数字12)，例如Tekbox Digital Solutions生产的产品。⁵透射电镜细胞只是一条扩展的50Ω传输线。在隔区放置一个运行的测试板(用绝缘体保护)可以捕获总体发射剖面。

在使用中，将50Ω端子连接到TEM单元的一个端口，将直流块连接到另一个端口，以保护示波器或频谱分析仪，以防直流电压结束在间隔板上。然后连接从直流块到示波器或分析仪输入的同轴电缆，并调整为所需的频率限制(见数字13)．

由于开放式TEM单元设计，该测试可能还必须在一个屏蔽的房间中进行，以排除来自广播站、电视或蜂窝发射机的强环境射频信号。

任何附加的电缆都可能从收音机、电视、双向收音机或移动电话接收环境信号。如果是这种情况，尝试附加几个等距铁氧体扼流圈沿每根电缆。在任何情况下，最好记录被测频率范围内的环境图，以帮助识别和区分环境信号和板产生的信号。如果物联网产品可以用电池供电，那就更好了，因为电缆可能会被消除。

修复清单

所有无线或物联网产品设计都必须考虑到EMC/EMI，任何偏差都可能增加接收机灵敏度失感的风险。重要的考虑因素包括:

• 近乎完美的PC板布局(堆叠，路由，回程平面)
• 可能用线性稳压器代替开关稳压器
• 使用更新的“低电磁干扰”开关稳压器
• DC-DC转换器的滤波
• 任何其他高频装置的滤波
• 无线电模块的过滤
• 高电磁干扰区域的局部屏蔽，如处理器/存储器或DC-DC转换器
• 可能屏蔽整个产品(天线除外)
• 正确的天线位置和设计

PC板的布局是至关重要的，也是您应该花费大部分精力的地方。一个8或10层的堆叠将提供最灵活的隔离电源，模拟，数字和无线电部分，并提供多个地面返回平面，可以缝合在一起围绕板边缘形成法拉第笼。必须注意避免通过公共阻抗耦合的截面之间的回流电流污染，即共享一个公共信号返回路径。这就是为什么电路功能(射频、数字、模拟、功率转换)的划分是如此重要。

至关重要的是，动力和地面返回平面在相邻的层上，并且最大间隔为3到4密耳。这将提供最好的高频解耦。时钟或其他高速轨迹必须与固体返回平面相邻，应避免通过过多的通孔，不应在没有相邻返回通道或缝合电容器的情况下改变参考平面。

机载DC-DC电源部分应与敏感的模拟电路或无线电电路(包括天线)很好地隔离。注意一次和二次电流回路区域及其返回电流。这些回流电流不应与数字电路、语音电路或无线电电路共用相同的回流平面路径。通常情况下，最好将输入和输出电容以及输出电感放置在离DC-DC转换器IC非常近的地方。记住，大约50 kHz以上的回流电流希望直接返回到源迹的下方。最后，在PC板的顶部或底部找到所有相关的转换器电路。将它们放置在两侧将导致高频电流污染电介质空间，并可能导致EMI耦合到其他电路。

对于一般的产品设计指南，参考文献3和4描述了几个减少电磁干扰的基本设计概念。参考文献6包含了设计低电磁干扰PC板的一系列文章。参考文献7为无线电磁干扰的测量和补救提供了思路。

总结

无线自干扰迅速成为开发物联网产品的制造商面临的最具挑战性的问题之一。成功取决于仔细设计整个产品，以确保最小的自我产生的EMI。正确的电路板布局和堆叠是成功的关键因素。

文章发表在SIJ 2019年7月印刷版，技术特征:第34页．

参考文献

1. 移动电台空中性能测试计划:辐射射频功率和接收机性能的测量方法，http:// files.ctia.org/pdf/CTIA_OTA_Test_Plan_Rev_3.1.pdf．

2. Broadcom，“遵守TIS和TRP要求”www.broadcom.com/collateral/wp/21XX-WP100-R.pdf．

3. H. W. Ott，“电磁兼容工程”，威利, 2009年8月。

4. P. G. André和K. Wyatt，《产品设计师的EMI故障诊断指南》，科技, 2014年7月。

5. Tekbox数码解决方案,www.tekbox.com/product/open-tem-cells-emc-兼容性测试/．

6. K. Wyatt，“EMC博客”经济日报，www.edn.com/electronics-bCopylogs/4376432/The-EMC-Blog．

7. K. Slattery和H. Skinner，“无线系统的平台干扰-模型、测量和缓解”，新奇的新闻, 2008年。