描述和调试无线和物联网产品的EMI问题

越来越多的制造商正在将无线技术添加到新的或现有的产品中。这些产品通常包括移动、家用、工业、科学和医疗(ISM)设备。向“一切无线”的转变正在如火如烈，随之而来的是产品本身的电磁干扰(EMI)问题，这些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，这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板载射频谐波“噪声”，或EMI。虽然这种数字切换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，特别是板上DC-DC开关模式电源的相同谐波能量很容易对700至950 MHz(或更高)的手机频段产生干扰，导致接收器“desense”(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机灵敏度和发射机功率测试。这种机载数字EMI和由此产生的接收机密度通常会使产品的推出延迟数周或数月。

蜂窝和无线提供商在dBm中要求一定的接收机灵敏度，称为总等向灵敏度(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离人手或头部很近的地方工作，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蜂窝无线电制造商博通(Broadcom)也在他们的白皮书“遵守TIS和TRP要求”中提供了一些信息。²

表征平台(或自生成)EMI

现在让我们看看如何描述这种自行产生的EMI，然后描述一些可能的缓解措施。通常有两个主要的重点领域，其中机载能源可以耦合到接收机天线或无线模块，并导致接收机灵敏度的损失(见数字1)：

1. 机载能源，如DC-DC转换器，广告和数据总线，以及其他快速边缘数字信号，可以直接将EMI传导或耦合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)，将这种自行产生的射频能量直接耦合到板载或附加的无线天线中。

您可以使用三种测量技术来表征平台干扰:

1. 用于定位主要能量(EMI)源的近场磁场或电场探头。
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. 附近的天线或TEM单元，用于直接从PC板或连接的电缆测量实际近场发射。

考虑到这些表征技术，通常可以确定电磁能量的来源，可以耦合到机载无线接收器。一旦能量来源被识别和表征，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，电磁场直接在电路板内耦合，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。杂散电磁场也很可能只是直接耦合到天线中。也可能是两者的结合。

干扰类型

可以干扰敏感接收机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一个非常宽的信号，具有几个谐振峰(紫色痕迹)，而晶体振荡器或高速时钟将显示为一系列狭窄的尖峰(水痕迹)。除非产品设计符合EMI标准，否则这两种类型的信号都能辐射或将高频能量很好地传导到手机或其他无线波段。

这两种EMI来源都可能对美国700至900 MHz的蜂窝和GPS频段造成干扰，由白色圆圈所包围的区域表示。在蜂窝波段内，水迹的峰值超过环境噪声水平40分贝以上。

测量类型

已经开发了三种方法来诊断物联网设备的自干扰:使用近场探头来帮助表征电路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;或者在故障排除时，在附近安装天线来监测实际排放。可选地，您可以使用TEM单元来代替天线。

第一步:近场探测

表征电路板级EMI有三种有用的测量方法，值得注意的是:在宽频率范围内进行一般检查;只在接收器下行波段进行更窄的检查;示波器测量DC- DC变换器的开关波形。

对于近场测量，直径约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.)．

从宽频率跨度开始

更宽的测量范围有助于表征EMI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 MHz到1000 MHz，将覆盖美国蜂窝LTE频段。对于其他移动电话和/或GPS/ GNSS，你将需要高达2 GHz的频率。对于Wi-Fi，你需要达到2.5或5.4 GHz，但这些车载信号很少超过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)，揭示了从1到1500 MHz的非常高水平的宽带和窄带EMI。白色圆圈表示美国常见蜂窝频段从700 MHz到900 MHz的大致边界，以及GPS频率1575.42 MHz(一般GNSS使用附近的额外频率)。测量到的EMI比环境噪声底限高20至40 dB。如果这个电磁干扰耦合到接收机输入，它可能导致严重的接收机失感。

缩小跨度到下行频带

一旦识别和表征了板上的各种噪声源，第二种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(下行链路)波段。例如，Verizon LTE在美国的下行频带是FCC分配的“13波段”，从746 MHz到756 MHz图4)．通过探测所有剩余的电路，您可能能够识别其他潜在的干扰源。

人们可能需要一个增益至少20 dB的外部宽带前置放大器，才能清楚地观察到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就足够了。人们可能需要在一个有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您的测量。

描述DC-DC变换器的振铃和上升时间

使用h场探头的第三种有用测量可用于在时域中表征各种DC-DC转换器的开关波形。这对于识别开关波形上的振铃很重要，因为该振铃频率可以转换为发射特性中的宽峰值。有时，这些宽的发射峰与细胞带重合。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，让我们来计算一下。在电感器和h场探头之间会有一些未知的相互耦合因子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，对于EMI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例如，罗德施瓦茨RT-ZS20示波器探头和RS H 50-1 H场探头的开关波形特征进行了比较，表明测量结果一般具有可比性。

DC-DC转换器通常有一个接近方波的信号，VL，从转换器开关节点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。通过电感的电流与该电压相关，如下所示:

假设h场探头靠近电感，我们得到一些相互耦合，M(未知)，探头的输出是:

由于Vout与VL成比例，现在可以轻松快速地测量EMI的最重要特性，而无需在电路操作期间与示波器探针尖端连接短路的风险。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(表示谐波频率的上限范围)，脉冲宽度和周期(也考虑到谐波频率)，以及振铃频率(可以在宽频带频谱中引起宽谐振峰值)。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电缆中的射频共模电流。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(导线或电缆的共模电流):

一个非常有趣的结果是，知道在导线中传播的共模电流(假设导线长度比波长短)，我们可以根据以下公式计算出这条导线或电缆的期望电子场:^{3 - 4}

在E_c,马克斯是计算出的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米或10米进行辐射发射。

计算近似通过或失败的能力，给定电线或电缆的谐波电流测量是处理产品辐射发射的强大工具。

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，知道给定的电源或I/O电缆是否会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板的直接辐射，无论是否连接电缆，您都可以使用一个紧密间隔的天线来接收辐射。天线不需要校准，甚至在整个频率范围内谐振，只需放置在一个足够近的距离，可以观察到谐波发射。天线可能需要放置在接近1m的位置，以观察自干扰的发射(参见数字11)．

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，较高的蜂窝频段约1.8至1.9 GHz，以及Wi-Fi ISM频段2.4至2.5 GHz)。机载谐波含量很少高于这一水平。

第三步:TEM细胞(可选)

设置天线的另一种替代方法是使用TEM单元来表征裸物联网板或物联网产品的发射，假设它适合间隔区域。

为了测量有或没有电缆连接的PC板的直接排放，可以将其放置在一个小的TEM单元中(参见数字12)，例如由Tekbox Digital Solutions公司生产的电脑。⁵TEM单元只是一个扩展的50Ω传输线。在间隔区域内放置一个操作测试板(用绝缘体保护)可以捕获一般的发射剖面。

在使用时，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，以防直流电压最终落在间隔板上，以保护示波器或频谱分析仪。然后从直流块连接同轴电缆到示波器或分析仪输入，并调整所需的频率限制(见数字13)．

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

任何附加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。如果是这种情况，试着在每根电缆上附加几个等间距的铁氧体扼流圈。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由电池供电，那就更好了，因为电缆可能会被省去。

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感知的风险。重要的考虑因素包括:

• 一个近乎完美的PC板布局(堆叠，路由，固体返回平面)
• 可能用线性稳压器代替开关稳压器
• 使用更新的“低emi”开关稳压器
• DC-DC转换器的滤波
• 任何其他高频装置的滤波
• 无线电模块的滤波
• 高电磁干扰区域周围的局部屏蔽，如进程/内存或DC-DC转换器
• 可能屏蔽整个产品(天线除外)
• 适当的天线放置和设计

PC板布局是至关重要的，是你应该花大部分精力的地方。8层或10层的堆叠将提供最大的灵活性来隔离电源、模拟、数字和无线电部分，并提供多个地面返回平面，这些平面可以围绕板边缘缝合在一起，形成法拉第笼。必须注意避免通过公共阻抗耦合在部分之间返回电流污染，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，电源和地面返回平面在相邻的层上，并且间隔最多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固体回线平面相邻，应避免通过太多过孔，并且不应在没有相邻回线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)良好隔离。注意一次电流和二次电流回路区域及其回流电流。这些返回电流不应与数字电路、模拟电路或无线电电路共享相同的返回平面路径。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，超过50 kHz的返回电流要直接返回到源迹线下面。最后，在PC板的顶部或底部找到所有相关的转换器电路。将它们放在两侧会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。

对于一般产品设计指南，参考文献3和4描述了减少EMI的几个基本设计概念。参考文献6包括一系列关于设计低EMI 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思路。

总结

无线自干扰已迅速成为制造商开发物联网产品最具挑战性的问题之一。成功取决于精心设计整个产品，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。

文章发表于《SIJ》2019年7月刊，技术特稿: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. 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EMI故障诊断手册”，科技2014年7月。

5. Tekbox Digital Solutions，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。