无线数据卡辐射杂散抑制方法研究

2007-06-05 13:25:40来源: 电子技术应用
随着笔记本用户的日益增多,用户对无线上网产生了极大的需求。无线数据卡能为笔记本用户提供方便快捷的互联网服务。在国内外,凡要入网的无线数据卡都要做辐射杂散的测试以确保其对网络及其他用户和设备的安全。抑制辐射杂散的最好方法是重新对PCB进行布局,但实际情况是此时的产品已经设计定型亟待上市,重新修改PCB、投板,会增大生产成本,错失商机。因此研究无线数据卡辐射杂散的抑制具有一定的实际意义。

1 杂散抑制原理

目前对无线数据卡辐射杂散的抑制,除了修改PCB外,另一种有效的方法就是对数据卡进行屏蔽。屏蔽在很大程度上可以降低辐射杂散的发射电平,很好地抑制辐射杂散;与重新修改的PCB相比,其成本低,周期短,实现方法比较简单。无线数据卡工作在复杂的电磁环境中,要对其做到有效的屏蔽,首先需对屏蔽的原理作简单的介绍。

屏蔽按照其原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

1.1 电场屏蔽原理


为方便分析,不妨把电场感应看成是分布电容间的耦合。图1为电场感应示意图。其中干扰源A和受感应物B的电位分别为UA和UB,那么UA与UB间的关系为:

 

式中,C1为A、B之间的分布电容,C2为受感应物B的对地电容。图2是电场屏蔽作用的分析图,由此可见,插入屏蔽板后,新造就了两个分布电容C3和C4,其中C3被屏蔽板短路到地,它不会对B点的电场感应产生影响。而实际上受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容C2与C4处于并联的位置上(因为屏蔽板是接地的)。这样,受感应物B的感应电压UB’应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1’与并联电容C2和c4的分压,即:

由于C1’远小于未屏蔽时的C1值,故UB’值要远小于未屏蔽时的UB值。

1.2 磁场屏蔽原理

磁场屏蔽通常是对直流或甚低频磁场进行屏蔽,其效果比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多,因此磁场屏蔽是个棘手的问题。磁场屏蔽主要依赖于高导磁材料所具有的低磁阻,对磁通起着分路的作用,使得屏蔽体内部的磁场大大减弱,如图3所示。

1.3 电磁场屏蔽原理

电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施。与电场屏蔽、磁场屏蔽原理不同,电磁屏蔽体对电磁波的衰减主要基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式。电磁场屏蔽原理如图4所示。

在电磁场屏蔽中主要用屏蔽效能来衡量电磁屏蔽效果。屏蔽效能是电磁波经过屏蔽物时能量被衰减的量。屏蔽效能一般随频率、屏蔽物的形状与材料、屏蔽中测量的位置、电磁波的种类、电磁波的入射及极化方向的变化因素变动。通常以S表示屏蔽效能,以HO(EO)表示入射的电磁场强度,而以H1(E1)表示经过屏蔽物后的电磁场强度,则电场的屏蔽效能为:
磁场的屏蔽效能为:


此外,当电磁波穿过任何金属物时,通常有两种类型的损耗,一是吸收损耗,一是反射损耗,因此,屏蔽效能又可写成:


其中,P为吸收损耗。R为反射损耗,C为正或负的修正项;当P大于15dB时,C可忽略不计,C是由屏蔽体内反射波所引起的。式(3)中的各项可以视为相对于铜材料的电导率σ,和磁导率μ,频率f(Hz)以及所存在的各种物理参数的函数。表1为各种屏蔽材料的电特性。

吸收损耗P不仅取决于σ、μ和f,而且也取决于屏蔽材料的厚度d(cm):



屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的特性(电导率、磁导率)有关,而且还取决于源的电磁性能和屏蔽体到源之间的距离r(cm)。

阻抗磁场源(如距离<<λ/2π的环)的反射损耗为:


高阻抗电场源(如距离〈〈λ/2πa的棒)的反射损耗为:

平面波(如距离>>λ/2π的棒或环)的反射损耗为: 

2 屏蔽设计及结果分析

2.1 屏蔽设计


在分析屏蔽原理的基础上,给出实际中无线数据卡屏蔽设计。考虑到无线数据卡工作在复杂电磁环境中,要对上述三种场做到有效屏蔽,必须兼顾各自的特点。实际中选用一款工作频段为GSN 900MHz的无线数据卡,屏蔽板到数据卡核心芯片(如:基带处理芯片,射频芯片)的距离r为0.5~1.5mm,计算可得r〈〈λ/2π,因此数据卡可将耦合电容C1’做得很小,使得最后的分压值UB’远小于未屏蔽时的UB值,从而起到良好的电场屏蔽与隔离。屏蔽板材料选用高导电率、高导磁率的金属(如坡莫合金)。采用全封闭的金属屏蔽罩(全封闭是为了达到最佳屏蔽效果)。数据卡的核心芯片不要贴近金属屏蔽罩。要留有距离r,尽量减少通过数据卡的磁通。根据实际经验,金属屏蔽罩壁厚一般为距离r的20%~40%,并要保证接地良好。这样就完成了一款无线数据卡的屏蔽设计。

2.2 无线数据卡辐射杂散测试方法

无线数据卡常规的测试辐射杂散的方法是将它直接插到笔记本中,然后用无线通信综合测试仪呼叫来测试,以模拟网络环境。辐射杂散的测试环境如图5所示。

在微波暗室中,将被测无线数据卡插到笔记本中放到转台上,关闭暗室的门,与外界的环境完全屏蔽隔开.自呼叫天线B对被测件发起呼叫,呼叫成功后,由接收天线A开始接收EUT发出的杂散信号,天线A可以接收30M~1000MHz的所有电磁信号,它将接收到的所有信号传给频谱仪。频谱仪会保持峰值。当接收天线开始工作后,EUT所在的转台就开始工作,在转台转动的过程中接收天线不断地将接收到的数据刷新,并保持峰值。在EUT旋转一周后,接收天线A要升高lm再测试一遍,因为刚开始时的位置与转台上的EUT一样高(距地面1m),考虑到接收到的电渡会有地面的反射,而产生多径效应,将接收天线升高到2m后就只有直射电波了,最后将两次转动后的总峰值显示出来,即最终的结果。

2.3 屏蔽前后的效果比较


将设计好的金属屏蔽盒加到一款实际的GSM无线数据卡上,按照上述辐射杂散测试方法,可以得到数据卡屏蔽前后的辐射杂散实际测量值如图6。图6(a)中可以看出在未加屏蔽措施前,数据卡在100MHz、166MHz、232MHz、300MHz四个频点上出现比较大的杂散,辐射杂散指标不合格。数据卡加屏蔽措施后测试结果如图6(b),可以清楚地看到这几个杂散点被抑制掉了,此时的测试结果显示辐射杂散指标合格。图6中的903MHz这个点是无线数据卡的工作频点,非杂散点。

目前国内外各大无线数据卡提供商都在采取各种措施提高其产品的性能指标,以便更好地服务于用户。数据卡的辐射杂散指标是衡量数据卡产品合格与否的一个重要指标,由以上测试结果可以得出,屏蔽是一种有效抑制数据卡辐射杂散的方法,在实际设计中具有一定的指导意义。

关键字:屏蔽  感应  电容  耦合

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200706/13952.html
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