移動電子設備的射頻干擾和接收靈敏度分析

來源：CST仿真專家之路更新時間：2024-06-26 閱讀：

本期轉載并翻譯一篇2018年發表在Signal Integrity Journal上的文章。

原文作者：Antonio Ciccomancini Scogna, Hwanwoo Shim, Jiheon Yu, Chang-Yong Oh, Seyoon Cheon, and NamSeok Oh

接收靈敏度和天線耦合噪音是開發像智能手機，平板電腦等移動設備的主要兩大問題。造成靈敏度下降的原因很多，大多數情況是由于PCB的數字信號諧波作為噪音耦合到天線。這篇文章基于電磁仿真相對耦合功率，展示了一種預測這種耦合的方法。

現代電子產品中，系統內的EMC或射頻干擾非常有挑戰性。手機中天線及前端射頻模塊，在沒干擾的情況下，可探測到200kHz帶寬中弱到-120dBm的信號。但是，由于時鐘頻率可到達GSM880-1800、藍牙，WiFi等頻段，諧波和數據信號耦合到天線使整個接收模塊的敏感度降低，從而通信質量降低。

比如USB 3.0 [1], 速率達到 5Gbps 和 10Gbps，對應Nyquist頻率2.5GHz和5GHz。這些高速數據上升沿和下降沿是幾百ps甚至更低，造成輻射，然后復雜電路板，連接器，柔性板都像天線一樣可以將該輻射進一步放大。如果外接設備，則情況可能更糟，分析更困難，因為外接設備對手機設計者來說就是個黑盒子。除了USB，內存，SD卡時鐘，傳感器，攝像頭等都可能造成干擾。即使低速USB2.0也不百分百安全。

干擾分傳導和輻射，或二者皆有。因為數字信號頻段寬范，下圖展示三種耦合機制。

敏感度降低的衡量標準需要用到總全向靈敏度TIS[2]：

其中KTBnoise是熱噪，RF path loss是天線端口和modem輸入信號之間的損耗。NF是噪聲系數， SNR信噪比，coupling noise是主要的耦合因素。（筆者補充：CST后處理有TIS，我們有機會再介紹）。

文獻[2]中計算手機TIS的仿真流程有介紹，但是作者是基于一些假設，1）降低TIS的主要來源是某些數字諧波；2）噪聲通過空氣傳到天線。所以只考慮了輻射傳導。如今大多數敏感元件都是屏蔽的，差不多70%。所以，作者認為傳導輻射是主要問題并常被低估，因為耦合路徑不易識別。

假設電磁模型是線性時不變系統，則天線系統的收發互易原理成立，也就是收發的輻射圖一致。對天線的干擾噪聲可以通過天線作為噪聲源時的磁場分析來估算。所以，文章提出的方法是另辟蹊徑，研究天線對信號的耦合干擾。

一般射頻干擾的清除辦法有兩種，有源和無源[3]。無源的一個方法就是加屏蔽，比如產生噪音IC或走線上加鋁罩形成Faraday cage，下圖展示簡單的屏蔽效果，貼片天線作為輻射源，可見IC上方５ｍｍ處的切線磁場在加屏蔽罩后大幅提高（筆者補充：要看絕對值，可惜圖片太小），屏蔽效能在高頻段會減弱，因為屏蔽罩上的小孔在高頻段會泄漏更多電磁波。圖中還有手機對AP芯片加屏蔽罩前后效果。比如DCDC轉換器里面的開關頻率２MHz-4MHz, 其諧波是可以干擾1GHz以上的射頻信號的。所以大多數產品都有屏蔽罩[4]。有源方法大概分兩種，第一種是間接估算噪聲，然后不影響信號的情況下調整信道。第二種用線性編碼調整信號[3-4].

常見的仿真問題就是IC和噪聲信息不足，無法直接仿真，比如LCD屏幕十幾層材料，加上信號線眾多，阻抗是多少，哪些結構形成耦合路徑，都是問題。解決方法就是用近場掃描（NFS，near field scanned) 數據作為源[5,6]。假設電流在離結構r米遠處，其磁場強度則表達為以下公式。該方法是基于表面等效原理，就是體積內的點源可用其輻射場替代。這種NFS數據可測量或仿真得到。當然，惠更斯的等效原理主要用于遠場，所以近場還是有局限的，比如噪聲源周圍結構密集，反射沒有被考慮。為了考慮反射，可以根據實際結構重新調整等效體積[7,8]，當然PCB太復雜就很難保證準確度。

下圖展示一個天線和L形信號線，旁邊有IC。藍盒子表示等效體積所為源，用于第二個不包括L形信號線的仿真。結果顯示信號線和天線的耦合計算準確，可見該場源方法可以一定程度上替代傳統全結構仿真方法，誤差1dB以內。下圖b是測量的進場數據導入仿真軟件中，一般都是2D數據，XML或ASCII格式，高級的測量系統可以提供3D數據。

不過，現代手機太過密集，這種等效場源很難定義。另一只方法是文獻[9]提到的源重建法，就是用電磁偶極子矩陣來重建噪聲源。一般噪聲位置和類型都能確定，振幅和相位則通過和NFS數據匹配得到。該方法目前可行性只通過簡單結構驗證過。

接下來介紹一種分析方法，常用于可能源自高速信號USB3.0的干擾。下圖展示連接器接線到AP芯片，150歐姆電阻串聯，降低信號強度從而減少EMI輻射和DC電容值。

USB線的延遲能產生共模信號，是最主要的噪聲源，形成輻射和干擾。下圖展示電磁仿真USB3.0的差共模轉換，結果基本相同。絕對值有一定差別，但不影響預測干擾風險。

通過查看場分布，我們可以看到在DC電容焊盤附近場比較強，作者做實驗將其去掉，場最大值也隨之減少。然而目前分析信號干擾天線以空間輻射為主，僅適用前期分析USB3.0。

差共模轉換檢查也可在柔性PCB上做，下圖結果比USB還要糟糕。這些分析對信號完整性而言很有用，但EMC方面需要其他辦法。

核心方法：

下表是一些可能造成諧波的數字接口，大多數文獻都是通過實驗或經驗來假設射頻干擾的原因[10]。該方法缺點就是事先需要知道或預測噪聲源。除非前期都有測試結果，否則很難預測。而仿真整個系統經常太過復雜，往往用戶最終只選個別重要的線來仿真。

這里的核心方法目的在于減少射頻干擾風險，同時不用逐一分析每條數據線。因為最終關重的是耦合到天線的信號，所以方法就是反向研究，給天線一個寬頻的噪聲，在重點頻率看哪里的電磁場較強。比如說，GSM天線工作頻率有兩個，800-900MHz和 1.8-1.9GHz，根據上表，SD和HDMI包括此頻段，所以我們就看這個頻段的場分布。如果能看到潛在干擾，我們就可以讓layout部門改或者進一步分析。

下圖是簡化的手機模型，三個天線，三個PCB信號線。耦合參數（S參數）的互易性非常一致（簡單講就是S21=S12）。

然后我們看H場圖，1.8GHz。下圖a是三個信號線激勵和三個天線激勵。Case1只有少量能量從手機地平面縫隙穿過，Case2和Case3天線耦合都很強，從天線激勵看趨勢也一樣。圖b是比較天線1和信號線的耦合系數。1.8GHz, 只有S18很低（信號3）。天線1激勵時，右上角的信號線3處場很弱，進一步驗證了二者耦合低。

最后是提出的核心方法應用于實際的智能手機。下圖是分集天線激勵后的結果。H場顯示這幾個net影響很大，他們走線是在電流密度較強區域上方，所以認為應該重點研究這幾條線對天線的影響。我們預測SD時鐘是產生射頻干擾的主要原因，而不是AP芯片到手機頂部的高速信號。之前還懷疑是高速信號的問題。

之前高速線的S18很低，而SD時鐘的S14和S12就很高。另外，頻譜也顯示了出了震蕩性，接近GSM頻率。

然后用NFS測量進一步驗證SD卡的區域，結果如下圖，在頻率0.8-0.85GHz范圍內有輻射，OTG運行時無論整機還是拆機都能看到。

在仿真中，加上與NFS測量接近的間距1mm的一些近場探針，來計算SD卡附近的電場。下圖展示探針的幅值，0.84GHz時峰值。

總結

文章提出一種設計前期預測射頻干擾的方法。主要是用仿真算出天線激勵的H場，然后PCB上重點區域就是PCB信號線能夠干擾天線的部分。該方法利用互易原理，實際手機案例的近場掃描結果也證明了方法的正確性。

An earlier version of this paper was a DesignCon 2017 Best Paper Award Winner.

References

1. USB 3.0 Radio Frequency Interference Impact on 2.4 GHz Wireless Devices, White Paper from Intel, April 2012, Available at
http://www.usb.org/developers/whitepapers/327216.pdf
2. Jinkyu Bang, Young Lee, Yongsup Kim and Austin S. Kim, “Calculation of total isotropic sensitivity considering digital harmonic noise of mobile phone”, on Proc. of IEEE 2009

3.   E.X. Alban, S. Sajuyigbe, H. Skinner, A. Alcocer, R. Camacho, “Mitigation Techniques for RFI due to Broadband Noise”, on Proc. of IEEE Int. Symposium on EMC, 4-8 August 2014
4.   H. Shim, J. Lee, “Interference Issues of Smartphones and Challenges to Model Noise from Chipsets”, on Proc. of URSI ASIA Pacific radio Conference, August 21-25, 2016, Seoul, South Korea.
5.   J.J. Kim, K.M. Yang, J.M. Kim, Y.J. Kim and S.Y. Lee, “Methodology for RF receiver sensitivity analysis using electromagnetic field map”, ELECTRONICS LETTERS 6th November 2014 Vol. 50 No. 23 pp. 1753–1755
6.   Jin-Sung Youn, et al, “ Chip and package level wideband EMI analysis for mobile DRAM devices”, on Proceedings of DesignCon 2016
7.   H. Wang, V. Khilkevich, Y. J. Zhang, and J. Fan, “Estimating radio-frequency interference to an antenna due to near-field coupling using decomposition method based on reciprocity,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 55, no. 6, pp. 1125- 1131, 2013
8.   O. Franek, M. Sorensen, H. Ebert, and G. F. Pedersen, "Influence of nearby obstacles on the feasibility of a Huygens box as a field source," in IEEE Int. Symposium Electromagnetic Compatibility, pp. 600-604, 2012.
9.   J. Pan, H. Wang, X. Gao, C. Hwang, E. Song, H.-B. Park, and J. Fan, “Radio-Frequency Interference Estimation Using Equivalent Dipole-Moment Models and Decomposition Method Based on Reciprocity”, on IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, vol.58, no.6, pp 75-84, Dec. 2015.
10.   Seil Kim, Sungwook Moon, Seungbae Lee, Donny Yi, et al., “Simulation based analysis on EMI effect in LPDDR interface for mitigating RFI in a mobile environment”, on Proc. of EPEPS 2016

筆者補充：像文中的多系統多制式的S參數仿真出來之后，如果對干擾強度理解有困難，可以用CST中的interference task功能，輸入協議標準，波段，諧波，天線的敏感度，發射功率等等，然后就能得到干擾矩陣。