接收机灵敏度和噪声耦合天线是两个主要的问题在开发智能手机和平板电脑等移动设备。有各种各样的接收机灵敏度退化的原因。然而,大多数时间他们将数字信号谐波产生的噪音在印刷电路板(PCB)模式,这一对天线。本文提出了一种方法来预测噪声天线耦合和天线desense。实现的方法是通过三维电磁仿真的相对耦合水平移动设备。
通过假设定常线性媒体在电磁模型中,天线系统的互惠原则。这意味着天线工作同样作为发射器或接收器,尤其是天线的辐射和接收模式是相同的。因此信号天线干扰估计通过考虑(H)磁场地图和假设天线作为噪声来源。
Intra-system电磁兼容性(EMC)或射频干扰(RFI),是一个具有挑战性的问题在现代电子产品。接收机灵敏度和噪声耦合天线是两个主要的问题在开发智能手机和平板电脑等移动设备。手机天线和接收机形成一个射频模块,它可以检测到信号弱-120 dbm 200千赫带宽,如果不是被附近的电子产品。然而,智能手机的时钟频率可以达到gsm880 - 1800以及蓝牙和wifi乐队(如图1所示)。几个谐波和数据信号天线和de-sensitize (desense)射频系统,从而降低通信质量。
Desense代表退化导致接收机灵敏度噪声设备内。它限制了接收机检测低信号的能力,从而减少整个范围和数据速率。图1 b描绘了典型的场景通信系统的接收机灵敏度的感情从一些在设备组件。
图1所示。):在移动设备和无线通信频段b):典型的RFI和desense移动电话系统的机制
有各种各样的接收机灵敏度退化的原因。大多数情况下是由于噪声产生的数字信号谐波在印刷电路板(PCB)模式,这一对天线。例如,USB 3.0[1],在高端智能手机,最近推出了非常高的数据率(5 3.1 gbps和10 gbps的变异与奈奎斯特频率分别为2.5 GHz和5 GHz)。
这些高数据率包括时钟和数据信号快速转型时期的数以百计的皮秒和低,引入高辐射的领域。这是进一步放大的影响复杂的子电路使用连接器和flex,像天线,不必要的频率和噪声传播。
在更复杂的场景中,当外部设备连接时问题就出现了。这让事情很难分析,因为通常外部设备只能被视为一个黑盒从智能手机的设计师。
此外,USB接口并不是唯一可以RFI和desense的手臂。SD卡内存接口,时钟信号,传感器,摄像头,显示只有很少的选择。更低的速度信号(如USB 2.0)可以创建射频识别问题。因此,遵循最佳实践设计指南并不总是足够减少射频识别风险。
干扰噪声来源可能会引入不良噪音附近的无线模块通过传导或辐射耦合或通过他们两人。自数字噪声覆盖广泛的频率,我们在图2说明三个潜在噪声源和受害者之间的耦合机制:进行耦合,串扰耦合,和辐射耦合。
图2。噪声来源和受害者之间的耦合机制
一个重要品质因数天线灵敏度的重要用于估计退化是完全各向同性敏感性(TIS) [2]。的方程的计算是考虑到数字耦合噪声可以表示如下:
KTB是热噪声、射频路径损耗代表天线端口之间的损失和调制解调器输入电话,NF和信噪比噪声图和信号噪声比射频组件如PAM和收发器的电话。中包含的耦合噪声Tnoise通常的主导因素。
在[2]模拟程序计算介绍了手机。然而,作者做出一些假设:1)主导侵略者TIS性能退化是由于某个数字谐波和2)噪音是通过空气引导天线。这意味着只有辐射领域被认为是。
如今,移动设备中最敏感的部分屏蔽(如屏蔽罐覆盖超过70%的主要PCB)包和PCB水平。因此,在我们看来,进行发射通常是一个占主导地位的现象,有时低估了RFI和desense因为困难识别耦合路径。
很明显,重点分析信号天线耦合可能非常耗时和困难进行了大量的信号分析和模型的复杂性。这种类型的研究与数值模拟也可以是困难的,由于计算资源需要和困难组装电磁模型与实际系统。
在这项研究中,我们提出一种不同的方法来分析RFI基于互惠原则。而不是研究信号天线耦合,我们关注天线信号耦合和提供字段映射,以检测关键信号的地区。因为在接下来的部分中,我们将展示这种逆向工程的方法可以帮助设计工程师在早期设计阶段预测潜在的射频识别风险。
RFI减排技术由于宽带噪声
有两种类型的技术来减轻RFI:被动缓解和主动缓解[3]。被动的方法减轻曝光平台天线RFI的屏蔽。有效地实现屏蔽,一个小铝覆盖(法拉第笼)是直接放置在噪声罪犯IC包或痕迹,从而隔离噪声源的平台。由于其假定的功效,使用盾牌在移动无线产业已成为一个惯例。
我们设计了一个简单的实验来评估一个特定的有效性保护在近场区域。图2显示了一个刺激电小补丁(代表一个干扰侵略者)接地环包围,由铝制的盾牌。看切向磁场在2.4 ghz, 5毫米以上我们可以看到EMI性能改进的路径。屏蔽效能(SE)是40 - 80 db在感兴趣的频率范围,然后与频率的增加会降低由于孔径的盾牌出现电更大,导致更多的泄漏。
图2 b显示了近场分布,由于应用程序处理器(美联社)在一个真正的智能手机,没有屏蔽盒[4]。因为智能手机系统由多个数字设备,噪音有各种脉冲信号的谐波。例如,在直流-直流转换器的开关频率2 MHz ~ 4 MHz,谐波会影响射频性能远高于1 ghz。这是其中一个原因大多数产品有屏蔽盒在几乎所有PCB领域[4]。
与有关活动缓解有两种主要类型。第一个使用间接法来估计RFI,基于这些信息,总线控制活动无需修改数据。第二个修改总线上的数据通过应用线性编码。更多细节,参见参考资料[3 - 4]。
图2。):金属块(隔离和屏蔽)和磁场情节,b):对比非屏蔽和屏蔽PCB在电话系统
先进的建模方法对于复杂模块的移动设备
一个嘈杂的IC可以直接建模是否存在足够的信息。然而,在许多实际情况下,噪声来源的内部信息可能是未知的,或者如果它是已知的,源模型可能过于复杂。
例如,在一个手机与一个RFI问题引起的LCD,它几乎是不可能找到源机制在微观层面。液晶面板可能包括有超过10个不同的材料层和分布式和局部电路。它是未知的痕迹/电路构成了RFI源,源阻抗是什么,或结构将有助于耦合路径。
一个解决方案来解决上述挑战是模型源近场扫描(NFS)的数据(5、6)。假设电流在某一地区遥远r从结构、磁场强度可表示为:
技术来取代噪声源,NFS是基于表面等效定理,即一个源卷可以代替其排放领域(如印象来源)印在表面,覆盖本卷。印象来源通常是根据惠更斯的计算从NFS数据等效原理。
NFS数据可以用近距离扫描测量系统或模拟考虑系统的某一部分。在这最后的情况下,NFS数据通常叫NFD(近场分布)。惠更斯的等效方法已经应用主要为远场计算;挑战可能出现建模时近场问题。在一个移动设备紧凑,周围是复杂的散射噪声来源。因此,如果噪声源与惠更斯的等效代替,之间的散射源和附近的障碍是不考虑。
包括背散射,惠更斯的盒子可以加一个近似的实际来源结构[7,8],我们验证,该方法行之有效。图3展示了一个例子NFD为反向路径测试用例组成天线和信号线路路由在PCB的引用。一个结构(例如代表芯片)位于上海附近的信号。照片中的蓝色框可见代表了惠更斯的盒子用作NFD源在第二个模拟信号线。良好的相关性之间可以实现完整的模型和惠更斯的模型在邻桌的框计算散射体时所代表的芯片。图中显示的信号,天线之间的耦合模型和场源模型,偏差小于1分贝。
图3 b显示了一个示例NFS测量数据导入到一个3 d领域模拟器。热点地图中明确指出。的数据,可用于现场模拟器,通常包含一个XML文件和一个ASCII (* .dat)文件包含的字段值xyz E和/或H领域的组件在一个给定的空间对于一个给定的频率。NFS数据通常是在二维平面上生成的;然而,更多现代系统,还可以生成3 d数据。
图3。):简单的模型的智能手机信号天线耦合比较完整的模型,NFD b)来源:3 d扫描测量设备
多氯联苯在现实的智能手机更复杂的测试用例,因此它可能不容易定义惠更斯的盒子和加药的体积,因为密集的地区。
除了惠更斯的等效方法,另一种解决方案是源重建方法[9]。源的基本思想是可以由一个矩阵重构的电和磁偶极矩。通常,运营商提供的位置和类型的来源,和大小和相位是由NFS数据匹配字段。和物理的方法直观的理解。
然而,到目前为止,研究只考虑简单的结构来证明其可行性。智能手机芯片的尺寸介于15毫米~ 20毫米的高度小于1.0毫米。3 d芯片通常是包,如流行包(包)、MCP (multi-chip包)的一个问题是当前沿着基板边缘的影响。另一个是由孔或不完美的坚实的飞机。此外,当前排放较低的包装上也很难被NFS的探针测量,因此产生不准确的噪声源。
USB 3.0接口(c型)
在本节中,我们描述一个方法通常用于分析可能的RFI[10]由于某些高速接口,USB 3.0。图4说明了路由从连接器应用程序处理器(美联社)在证据150欧姆电阻是用来减少信号的强度,因此整体EMI减排以及直流阻断电容。
测量模拟数据也在相同的图。节奏PowerSI用于分析和良好的协议考虑的频率范围内可以观察到10 mhz-10ghz。
图4。USB 3.0,测量和模拟单头(SE)之间的相关性参数插入损耗和回波损耗
相关噪声的重要来源,通常desense问题是斜的USB线产生共模(CM)转换。这可能导致辐射和干扰。图5显示了差模(DM)的USB 3.0厘米转换的主要电路板生成两个不同的工具:中科多工作站系统和Ansys基于。值相对比较类似的,我们可以观察到约20 db ~ 6 ghz。这可能是也可能不是可接受的绝对值,但它没有提供任何具体的见解和/或量化的潜在RFI的风险。
通过观察场分布,我们可以观察到高场分布在一个特定的布局的垫直流阻断电容。我们做一个实验通过删除垫的电阻器和评估层叠的横截面上的磁场强度(图6 b)。可以观察到最大价值的减少。
然而,整个分析是基于假设大多数signal-to-antenna耦合发生辐射领域而言,这可能并非如此。这个结果只是初步的信息,这不是很有用RFI预测。最重要的是,结果只适用于USB 3.0。
执行一个类似的模式变换研究在flex PCB。结果显示了一个更糟糕的是厘米值(参见图7)。不过,这些模拟有用信号完整性(SI)的目的,他们不能提供任何具体指示是否RFI的症状或提供见解可能的耦合路径。应该使用一种不同的方法。
图5。差模(DM)共模(CM)转换主要PCB上的USB 3.0对
图6。):布局修改和减少近场,b):磁场幅度在5 ghz截面
图7。差模(DM)共模(CM)转换的USB 3.0 flex PCB
提出的方法
如前一节所述,典型的建模方法用于RFI / desense在移动设备上考虑关键接口的仿真基于他们的运作速度。表1显示了一组小的数字接口,可能会导致虚假的谐波频率。大部分工作中可用的关于这个主题的文献初步假设RFI基于测量的主要原因和经验[10]。
表1——虚假和谐波频率从常见的数字接口
强烈的这种方法的局限性在于,用户需要提前知道噪声源引起RFI或者至少有一个好主意。除非执行初步测量,不幸的是,这是不容易预测的。
智能手机内的电子产品非常复杂,有时它包含多个多层多氯联苯(其中一些是灵活),主应用程序处理器(美联社),电源管理单元(PMU),和几个芯片组。出于这个原因,完整的仿真系统几乎是不可能的,并介绍了近似为了一些估计或辐射场进行。用户往往最终只选择一个或两个关键网基于董事会布局的建议。
在我们提出的方法,我们的目标是有能力减少RFI风险由于特定的数字接口,而无需对它们进行分析。因为我们感兴趣的主要输出是天线的耦合引起的关键信号,我们提出研究反向问题。我们考虑天线的宽带模拟噪声源,我们基于地图可视化关键区域分布E / H领域感兴趣的频率范围内。
例如,GSM天线将在两个主要的辐射频率:800 - 900兆赫和1.8 -1.9 ghz。通过观察表1,SD和HDMI在同一个范围;因此,我们将看看地图等频率和周围。
这使我们能够评估是否可能容易RFI的接口。如果是这种情况,我们会问布局工程部再次重新输入接口和执行分析。这种方法的一个优点是能够执行初步RFI分析在设计的早期阶段,理想情况下即使PCB不能完全击溃。
这是更重要的,因为计算努力减少当比较完整的系统仿真。我们开始验证这个想法一个简单的测试车辆的适用性。图8显示了一个简化的手机模型的证据三天线:Hexaband、蓝牙、GSM以及三个信号线路路由在主电路板。
图8。简化的手机模型的证据三天线:wi - fi、GPS和蓝牙
我们开始验证互易定理和比较的耦合系数(的参数)天线信号与信号天线(图9),我们可以观察到一个很好的相关性。在下一步中,我们关注的磁场图作为主要的品质因数识别关键的网。
图9。耦合系数(的参数)天线信号,反之亦然
特别是,通过查看地图在1.8 ghz的磁场分布,我们可以用强耦合定位区域内的电话。
图10显示了磁场在PCB上的三行信号时所产生的兴奋以及磁场天线兴奋。根据第一组数据,例2和例3代表最强的耦合天线,而在案例1中我们只能看到一些的能量耦合槽槽位于PCB地平面。这一趋势也出现在模拟天线感到兴奋的地方。
图10 b需要进一步验证方法通过比较天线的耦合系数1线信号。S14系列和S12有非常相似的值在1.8 ghz (~ 1 db的区别),S18,而美国是超过10 db低。
这显然是证实了磁场图在同一频率。右上角上的信号线的电话(命名为信号3)坐落在一个临界区当天线1小兴奋。
图10。)映射产生的磁场分布天线和信号网,b)的参数天线1信号和磁场图1.8 ghz
相同的概念已经应用于现实世界的智能手机。图11显示了结果多样性天线时很兴奋。磁场地图允许识别关键区域,如net0001、0007和net0006 net0082,净。这些线路由上的电流密度较高的区域,因此他们可以耦合到天线的关键,应进一步分析。
通过使用这种方法,我们可以预测,RFI对SD时钟网络至关重要。这是代替高速信号路由从美联社到手机的顶部,最初是用于分析天线的耦合,因为它被怀疑是RFI / desense问题的可能原因。
这可以清楚地看到在图10 b,我们观察的参数耦合值低于-80分贝的高速网络,而SD时钟网络的耦合是高得多。此外,频域光谱揭示了重要的共鸣,他们中的一些人非常接近GSM乐队。
为了验证这一点,NFS测量执行监控SD卡地区。结果报道在图12中,他们清楚地揭示EMI问题频率范围0.8 - -0.85 ghz。这可以观察到在活跃的(OTG)活动与组装和di-assembled电话。
图11。):现实世界智能手机模型:磁场分布多样性天线兴奋时,信号识别和一层一层地地图,b): RFI耦合天线信号线路
近场探头1毫米分辨率(类似于NFS)用于数值模型在SD卡上电。图13显示了振幅值的电探针。峰值在0.84 GHz可以看到,这是非常接近共振被NFS测量检测。这个实验进一步证实了该方法的可行性RFI分析移动设备。
图12。测量近场扫描测试设置地图的SD卡地区的近距离在0.8 ghz拆卸和组装手机
图13。手机的电磁模型的证据调查位置1毫米以上SD卡和电振幅
结论
方法在早期设计阶段预测RFI移动设备介绍。的主要思想是使用数字地图生成的磁场在电话内的天线兴奋。在PCB可以确定关键区域,从而减少数量的实验旨在分析信号的天线。
方法是基于互惠原则,显示了一个很好的估计信号的天线耦合路径,可以生成desense问题。一个真实的测试用例是用于验证方法显示定性相关性与近场扫描测量。
本文的早期版本DesignCon 2017最佳论文奖。
引用
1。USB 3.0对2.4 GHz无线设备无线电频率干扰的影响,从英特尔白皮书,2012年4月,可用
http://www.usb.org/developers/whitepapers/327216.pdf
2。Jinkyu爆炸,年轻的李,Yongsup金姆和奥斯汀美国金,“总各向同性灵敏度的计算考虑数字谐波噪声的手机”,Proc. IEEE 2009
3所示。E.X.奥尔本,s . Sajuyigbe h .斯金纳,a . Alcocer r·卡马乔“缓解RFI由于宽带噪声的技术”,在IEEE Proc. Int。EMC研讨会上,2014年8月4 - 8
4所示。h .垫片,j·李,“智能手机的干扰问题和挑战模型噪声从芯片”,在无线电Proc.亚太广播会议、8月21 - 25日,2016年,韩国首尔。
5。J.J.金正日K.M.杨J.M. Kim Y.J.金姆和林亭汝李,“射频接收机灵敏度分析方法使用电磁场地图”,电子信件2014年11月6日50号23卷1753 - 1755页
6。-你等,“移动DRAM芯片和包级别宽带电磁干扰分析设备”,在2016年DesignCon学报》上
7所示。诉Khilkevich h . Wang, y . j . Zhang和j .粉丝,“估计射频干扰天线由于近场耦合使用基于互惠的分解方法,“IEEE反式。电磁兼容性,55卷,没有。6,1125 - 1131年,2013页
8。o . Franek m·索伦森,h·艾伯特和g·f·彼得森”影响附近的障碍的可行性作为场源,惠更斯盒”研讨会在IEEE Int。电磁兼容性,600 - 604年,2012页。
9。j .锅h . Wang x高,黄,大肠的歌,H.-B。公园,j .粉丝“射频干扰估计使用等效偶极矩模型和基于互惠”的分解方法,对IEEE反式。在电磁兼容性,vol.58,没有。6,75 - 84页,2015年12月。
10。Seil Kim Sungwook月亮,Seungbae李,唐尼,et al .,“模拟分析基于EMI影响LPDDR界面减轻RFI在移动环境”,2016年EPEPS Proc.
作者(年代)传记
安东尼奥Ciccomancini Scogna目前正在与三星电子首席工程师(HE-Group)。他的兴趣包括信号和电源完整性(SIPI), EMC / EMI和RFI / desense为移动设备。他拥有超过15年的经验领域的电磁仿真SIPI、EDA和硬件行业,包括计算机仿真技术(CST)和苹果。他有超过150的出版物在IEEE事务》杂志上相关会议资料和EDA杂志。他是IEEE EMC社会的活跃成员,他作为副主编,是联合仿真EM TC10小组委员会主席。
Hwanwoo垫片是一个移动通信业务部门首席工程师,三星电子。他一直作为一个领导者的CAE应用程序团队经过十多年的经验作为商业智能手机开发的项目负责人。他的技术利益包括SI /π模拟和噪声建模技术来估计EMI / RFI在早期设计阶段的问题。他收到了来自密苏里州科技EMC实验室的博士和硕士从韩国先进科学技术研究所(韩科院),韩国大田市。
Jiheon余正与三星电子首席工程师(HE-group) Suwon-Si,韩国吗
Chang-Yong哦正与三星电子高级工程师(HE-group) Suwon-Si,韩国吗
Seyoon千正在与三星电子助理工程师(HE-group) Suwon-Si,韩国吗
NamSeok哦正与三星电子高级工程师(HE-group) Suwon-Si,韩国吗
