关于射频电子设备的电磁兼容性设计的思考

【摘要】在现今科技发展下，电子设备设计不再是将信号线正确连接这么单纯，射频电子设备上的电磁兼容成为必须要考虑的因素，也即整合射频电子设备上各种不同种类的信号，使各信号不会互相干扰。本文首先探讨了电子设备的电磁兼容性概述，进而分析了射频电子设备电磁兼容性的系统布局与系统设计。

【关键词】电子设备；电磁兼容；系统布局；硬件架构

一、电子设备的电磁兼容性概述

近年来科技快速的发展，各式各样的电子产品无不追求轻薄短小，而电子设备的制程也趋向缩小化与多层板，如何在有限空间内进行电子设备布局（layout）和解决电磁干扰（electromagnetic interference， EMI）相关问题已成为工程师重要的技术。目前电子设备布局设计时需注意阻抗匹配（impedance matching）、信号完整性（signal integrity， SI）、电源完整性（power integrity， PI），并以低成本达到良好的电磁兼容（electromagnetic compatibility， EMC）成为主要研究方向。

常见电子设备布局须注意的效应包括布线与贯孔间的串扰、数位与类比元件摆放位置、电路布线的长度、贯孔对高速电路的影响，其中布线与贯孔设计最容易产生干扰问题，好的布线与贯孔设计能减少传输线间的串扰，进一步提升信号的品质。一般传统的设计流程，在设计的过程中往往只考虑信号完整性、电源完整性，却常常忽略了电子设备上传输线所造成的电磁干扰问题，往往需要花费时间在电磁干扰的纠错方面。

二、射频电子设备电磁兼容性的系统布局

随着电路技术突飞猛进，射频电子产品的操作频率越来越高，使得电磁干扰问题成为设计的一大挑战，因此本文将描述电子设备的电磁干扰布局设计原理。

（一）电磁干扰来源

当一个电磁干扰问题发生时，有三个元素需特别注意，第一为能量的来源，第二为被能量干扰的接受者，第三为在能源与接受者之间的耦合路径。同时具备这三个元素，则会造成电磁干扰，如果改善其中之一，便能改善干扰的问题。电磁干扰是指产生的一种电磁波杂波，或装置本身不需要的信号，经由辐射路径或传导路径影响其它装置，造成其它装置不正常或失真。目前在电子设备上供电的部分是由厂家所提供的，我们无法确保所使用的电源是否为无干扰的电源；主动元件在集成电路（integrated circuit， IC）电磁兼容的相关法规制订完成之前设计者也无法确保其电磁兼容特性是否优良。若在成本有限的情形以不使用任何金属屏蔽的情况下，只能够从射频电子设备布局上来着手降低电磁干扰的问题。

（二）板层规划与布局

在设计射频电子设备时，首先要考虑的是在可接受的成本价格内决定需要使用多少的布线层（routing layer）及电源平面。层数的决定在于功能规格、抗杂波能力、信号分类、须布线的节点、布线的密度、集成电路元件密度、汇流排布线等。使用微带线（microstrip）及带状线（stripline）方式已成为电子设备层面抑制射频辐射的技术。使用内嵌于电子设备内的平面（ground或VCC）是抑制电子设备内共模射频信号（common-mode radio frequency）的重要方法之一。具体而言，使用的设计原理可采用四层板设计，多层板可以提供较佳的电磁兼容特性与信号品质，因为通过微带线及带状线可有较佳的信号阻抗控制。电源及接地层的分布阻抗（distribution impedance）应尽可能降低。这些平面含有来自于数位信号的突波电流及信号与汇流排的电容负载，利用微带线及带状线互相抵销磁通量（flux cancellation）使得传输线的电感降低。

（三）电源与接地规划

电源输入布局不恰当将会引起不必要的天线效应，使电子设备如同天线向外辐射。若将电源输入接头（power jack）放置于电子设备的中间，则电源回路形成一双极天线或环形天线，因此在设计与布局电子设备时，应避免此种布局方式。在电源层方面采用20H-rule，可让电源层尺寸小于地层20H的尺寸，其中H为电源面与接地面之间的高度，若要拦截更多的辐射干扰可缩小至100倍的高度可拦截98%的辐射干扰，若以成本做为考虑，从数据上可以得知缩小20倍为最符合经济效益的做法。

三、射频电子设备电磁兼容性的系统设计

（一）硬件结构

硬件架构布局可由左上至右下设计，分别是信号层、接地层、电源层与信号层。布线宽度采取一致的宽度20mil线宽，地线与电源线则采用30mil的线宽，为了防止信号反射，布线转折处使用钝角，避免锐角或直角转折所造成的阻抗不匹配，各线之线距均保持在20mil以上以避免串扰现象（crosstalk）发生，遇到接地处与电源处采用贯孔方式连接电源与接地。将接地层保持完整，提供高速信号层一完整的参考平面，缩短各信号回流路径使其得以最短距离接地。并与电源层采用20H-rule，让接地层面积尺寸大于电源层20H的尺寸，其中H为电源面与接地面之间的高度，为防止周边有杂波干扰，该作法可将电源层所产生射频电流直接在地层接地，滤除电子设备边缘效应所形成的电流辐射。

（二）印制电路板设计

作为射频微波电路印制板，地线一般都要大面积接地，电路板底部通常全部铺地，而且正面也通过接地通孔大面积铺地，从而减少能量泄漏，降低电磁干扰。在电路的布局上，一般都是按照信号的传输方向按直线排布，从而减小多级放大电路之间的信号耦合以及输出和输入信号之间的耦合干扰。同时还应注意滤波去耦电容和旁路电容接地的位置，使放大器等的返回电流或由负载返回的电流经过最短的路径和相互之间最小的耦合回到放大器中。

（三）高密度安装

在微波频段，各种寄生效应极易产生，通常电路板上高密度地安装电路器件，采用模块化分立型集成电路而使表面积缩小时，可以使电路不易受噪声影响。高密度的安装大大缩短了同一电气网络互连线，从而减小了传输阻抗和电路的各种寄生参数对电路性能的影响。同时，电路内部温度也分布均匀，电路的可靠性也可以得到提高。在高密度安装的同时，要注意各个器件的合理布局，避免不同频率之间的耦合问题，可以通过加隔离板的方法使不同频率的信号独立成腔。

另外，射频电子设备系统在良好电路性能精心设计的同时，必须要有合理的电磁兼容考虑，否则会直接影响电路性能。另外，合理的电磁兼容考虑除了电路设计师外，还需要工艺和结构设计师的配合，这样才能达到最佳效果。

参考文献

[1]龙奕.智能传感器系统的电磁兼容设计[D].电子科技大学，2008年.

[2]王震.控制系统控制柜电磁兼容分析与仿真研究[D].哈尔滨工程大学，2009年.

[3]易大川.非集成化智能传感器系统电磁兼容技术研究[D].电子科技大学，2007年.