越来越多的制造商在新产品或现有产品中增加或改造无线技术。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“一切无线化”的转变正在全面展开，随之而来的是产品本身产生的电磁干扰(EMI)问题，它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”或EMI。虽然这种数字开关通常不会干扰数字电路本身，但来自数字时钟，高速数据总线，特别是板载DC-DC开关模式电源的相同谐波能量很容易产生干扰，进入700至950 MHz(及更高)蜂窝电话频段，导致接收器“密度”(接收器灵敏度降低)。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器功率符合性测试。这种机载数字EMI和由此产生的接收机密度通常会延迟产品推出数周或数月。

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每通道224gb /s:选项和挑战

蜂窝和无线提供商要求一定的以dBm为单位的接收器灵敏度，称为总等向灵敏度(TIS)。例如，这可能通常是至少−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。因为移动设备天线通常工作在靠近人的手或头，这往往会进一步降低灵敏度(- 99 dBm可能是典型的，取决于天线)。有关这方面的更多信息以及测试方法，请参见CTIA的“空中移动站性能测试计划: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也在其白皮书“遵守TIS和TRP要求”中提供了一些信息。²

表征平台(或自产生)电磁干扰

现在让我们看看如何描述这种自产生的电磁干扰，然后描述一些可能的缓解措施。通常有两个主要的焦点区域，其中机载能量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(参见数字1）：

1. 机载能量源，如DC-DC转换器、地址和数据总线，以及其他可以将这种EMI直接传导或耦合到无线模块或其天线的快边数字信号。
2. 附加的I/O或电源线充当“辐射结构”(天线)，将这种自产生的射频能量直接耦合到机载或附加的无线天线中。

有三种测量技术可以用来表征平台干扰:

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

利用这些表征技术，通常可以确定可能耦合到车载无线接收器的电磁能量来源。一旦确定了能量来源并对其进行了表征，接下来的挑战就是确定能量如何耦合到接收器中，并应用缓解技术来减少这种耦合。

通常，由于叠加不良、功能电路划分不良(RF、数字、功率转换)或信号/功率路由不良，电磁场直接在电路板内耦合。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。

干扰类型

可以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 MHz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(紫色迹线)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窄尖峰(水色迹线)。除非产品设计符合EMI要求，否则这两种类型的信号都可以辐射或传导高频能量，很好地进入手机或其他无线频段。

这两种电磁干扰源都可能对美国700至900兆赫蜂窝和GPS频段造成干扰，白色圆圈所包围的区域表示。在蜂窝频段内，水痕迹的峰值比环境噪声水平高40 dB以上。

测量类型

已经开发了三种方法来诊断支持物联网的设备的自干扰:使用近场探头来帮助表征电路板或系统上的谐波能量源;表征谐波电缆电流的电流探头;或者在附近安装天线，以便在故障排除时监测实际排放情况。你也可以选择使用TEM单元来代替天线。

第一步:近场探测

有三种有用的测量方法来表征板级电磁干扰，值得注意的是:在宽频率范围内的一般检查;仅在接收器下行频带进行更窄范围的检查;用示波器测量所述DC- DC变换器的开关波形。

对于近场测量，直径约为1厘米的h场环路大约是在板级识别和表征EMI的合适尺寸(参见数字3.)。

从宽频率范围开始

更宽的测量范围有助于描述EMI源的一般概况，如DC-DC转换器、时钟总线、处理器、存储器和任何其他潜在的高频设备，如以太网时钟。该测量从至少1兆赫到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，你需要看到高达2.5或5.4 GHz的信号，但这些车载辐射很少超过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幅度。

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至1500 MHz的宽带和窄带EMI水平非常高。白色圆圈表示美国常用蜂窝频段700至900 MHz的大致边界，以及GPS频率1575.42 MHz(一般GNSS使用附近的附加频率)。测量到的电磁干扰比环境底噪声高20到40 dB。如果这个电磁干扰耦合到接收器输入，它可能会导致严重的接收器密度。

将跨度缩小到下行频带

一旦电路板上的各种噪声源被识别和表征，第二个有用的测量是缩小跨度，并使用相同的近场探头在不同位置查看接收器(下行链路)频带。例如，美国Verizon LTE的下行频段将是FCC从746兆赫到756兆赫分配的“频段13”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。

为了清楚地观察这些更高频率的噪声，可能需要一个增益至少为20db的外部宽带前置放大器。另外，一个内置前置放大器的分析仪就足够了。人们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。

表征DC-DC变换器振铃和上升时间

使用h场探头的第三种有用测量可用于表征各种DC-DC转换器在时域中的开关波形。这对于识别开关波形上的环很重要，因为这个环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一致。h场探头是快速和安全的，因为它们不需要直接连接到电路-只需耦合到输出电感。

为了证明这是一个有效的表征测量，并参考数字5，让我们来检查一下数学。在电感器和h场探头之间存在未知的互耦系数M。由于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进行比较。然而，出于电磁干扰的目的，我们主要对上升时间、一般开关波形和振铃频率(如果有的话)感兴趣。看到数字6举例比较了罗德与施瓦茨公司RT-ZS20示波器探头和RS H 50-1 H-场探头的开关波形特性，结果表明测量结果大致相当。

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，输入到地返回，这是我们用示波器探头测量的。通过电感器的电流与电压的关系为:

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，因此现在可以轻松快速地测量EMI最重要的特性，而不会在电路运行期间与示波器探头尖端发生短路连接的风险。通过使用靠近每个DC-DC转换器电感的h场探头，我们可以测量上升时间(表明谐波频率的上限)，脉冲宽度和周期(也影响谐波频率)和振铃频率(这可能导致宽带频谱中的宽谐振峰值)。图6是用瞄准镜和h场探头测量的对比图。

电流探头可以测量电源线或I/O电缆中的RF共模电流。两者都可以直接辐射到物联网天线。

其中Vout为50Ω端口处的测量电压，I为电线或电缆中的共模电流。

我们可以用dB来表示这个方程:

求解I(通过电线电缆的共模电流):

一个非常有趣的结果是，知道在导线中传播的共模电流(假设长度与波长相比电短)，我们可以根据以下公式计算出该导线或电缆的期望电场:^{3 - 4}

在E_c,马克斯计算出的电场(V/m) I_c为测量的共模电流(A)， f为谐波频率(Hz)， L为电线或电缆的长度(m)， d为测量到电线或电缆的距离(m)。为了与商业EMC标准中的测试限值进行比较，通常使用3或10m作为辐射发射。

考虑到电线或电缆的谐波电流测量，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发射时，这种能力并不那么重要，但相对而言，了解给定电源或I/O电缆是否可能导致整体噪声耦合问题仍然是很好的。

步骤3:近距离天线

要测量有或没有连接电缆的PC板的直接发射，您可以使用近距离天线来接收发射。天线不需要校准，甚至不需要在整个频率范围内谐振，只需要放置在足够近的距离，可以观察到谐波发射。天线可能需要放置在离天线近1米的位置，以观察自干扰的发射(参见数字11)。

需要监测的最重要的谐波频率包括蜂窝LTE频段(约700至900 MHz，商用GPS L2频率1575.42 MHz，更高的蜂窝频段约1.8至1.9 GHz，以及Wi-Fi ISM频段2.4至2.5 GHz)。船上的谐波含量很少超过这个值。

步骤3:TEM细胞(可选)

设置天线的另一种选择是使用TEM单元来表征裸露的物联网板或物联网产品的发射，假设它适合在隔膜区域内。

为了测量有或没有连接电缆的PC板的直接发射，可以将其放置在一个小的TEM电池中(见数字12)，例如Tekbox Digital Solutions生产的产品。⁵TEM单元只是一条扩展的50Ω传输线。在隔膜区域内放置操作测试板(用绝缘体保护)可以捕获一般发射剖面。

在使用中，将50Ω端子连接到TEM单元的一个端口，并将直流模块连接到另一个端口，以便在直流电压最终到达隔膜板时保护示波器或频谱分析仪。然后从直流模块连接同轴电缆到示波器或分析仪输入，并调整到所需的频率限制(参见数字13)。

由于开放式TEM蜂窝设计，该测试也可能必须在屏蔽房间中进行，以排除来自广播站、电视或蜂窝发射机的强环境RF信号。

任何连接的电缆都可以接收来自收音机、电视、双向收音机或移动电话的环境信号。如果是这样的话，试着在每根电缆上安装几个等距的铁氧体扼流圈。在任何情况下，最好在被测量的频率范围内记录一个环境图，以帮助识别和区分环境信号和电路板产生的信号。如果物联网产品可以由电池供电，那就更好了，因为电缆可能会被淘汰。

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器灵敏度降低的风险。重要的考虑因素包括:

• 一个近乎完美的PC板布局(堆叠，路由，坚实的返回平面)
• 可能用线性稳压器代替开关稳压器
• 使用较新的“低emi”开关稳压器
• DC-DC变换器滤波
• 任何其他高频设备的滤波
• 无线电模块的过滤
• 高电磁干扰区域周围的局部屏蔽，如处理器/存储器或DC-DC转换器
• 可能会屏蔽整个产品(天线除外)
• 正确的天线放置和设计

PC板布局是至关重要的，是你的大部分努力应该花。8层或10层的堆叠将在隔离电源、模拟、数字和无线电部分方面提供最大的灵活性，并提供多个接地返回平面，这些平面可以在电路板边缘缝合在一起，形成法拉第笼。必须注意避免通过公共阻抗耦合，即共享公共信号返回路径，在各部分之间产生返回电流污染。这就是为什么划分电路功能(RF、数字、模拟、功率转换)是如此重要。

至关重要的是，电源和地面返回平面在相邻的层上，并且最多相隔3到4密耳。这将提供最好的高频去耦。时钟或其他高速走线必须与坚实的返回平面相邻，应避免通过太多的过孔，并且不应在没有相邻返回过孔或拼接电容器的情况下改变参考平面。

车载DC-DC电源部分应与敏感的模拟或无线电电路(包括天线)隔离。注意一次和二次电流回路区域及其返回电流。这些返回电流不应与数字、空日志或无线电电路共享相同的返回平面路径。通常，最好将输入和输出电容以及输出电感放置在非常靠近DC-DC转换器IC的位置。记住，大约50 kHz以上的返回电流希望直接返回到源迹下。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介电空间，并可能导致EMI耦合到其他电路。

一般的产品设计准则，参考文献3和4描述了几个基本的设计概念，以减少EMI。参考资料6包括一系列关于设计低电磁干扰的PC板的文章。参考文献7为无线电磁干扰的测量和补救提供了有用的思路。

总结

无线自干扰已迅速成为物联网产品制造商开发中最具挑战性的问题之一。成功取决于仔细设计整个产品，以确保最小的自产生EMI。正确的电路板布局和堆叠是成功的关键因素。

文章发表于SIJ 2019年7月印刷版，技术特色:第34页。

参考文献

1. CTIA，“空中移动站性能测试计划: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. 博通，“遵守TIS和TRP要求”，www.broadcom.com/collateral/wp/21XX-WP100-R.pdf。

3. H. W. Ott，《电磁兼容性工程》威利， 2009年8月。

4. P. G. andr和K. Wyatt，《EMI产品设计师故障排除指南》，科技， 2014年7月。

5. Tekbox数字解决方案，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，“无线系统中的平台干扰——模型、测量和缓解”，新奇的新闻, 2008年。