蜂窩發(fā)射模塊對手機(jī)內(nèi)的任何元件來說都將產(chǎn)生最大的輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI,。類似這樣的問題可以采用RF屏蔽技術(shù)來降低與EMI及射頻干擾(RFI)相關(guān)的輻射,，并可將對外部磁場的敏感度降至最低。那么,，什么樣的屏蔽設(shè)計方法具有最佳效率呢,？這個由三部分組成的系列文章圍繞當(dāng)今蜂窩發(fā)射模塊來討論有效的RF屏蔽方法。
近年來,，手機(jī)在形態(tài),、功能、性能和成本方面都發(fā)生了巨大變化,。不斷演進(jìn)的新技術(shù)催生出更小,、更高能效和高度集成的半導(dǎo)體器件，從而不斷孕育出集成度更高的便攜(移動)手機(jī)產(chǎn)品,。運營商在提供額外的諸如短信服務(wù)(SMS),、多媒體(MMS)和GPS等服務(wù)，而制造商為移動蜂窩手機(jī)增加了諸如FM射頻等輔助無線功能,、以及MP3播放機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等其它功能,。實現(xiàn)全部這些特性所要求的外形和體積對手機(jī)設(shè)計師和硬件工程師提出了相當(dāng)挑戰(zhàn)。
因此,，工作在印刷線路板(PCB)級的手機(jī)設(shè)計師遭遇到諸如集成器件間的耦合,、線耦合和交叉干擾等不期望發(fā)生的核心問題。而所有這些問題又導(dǎo)致了更多的設(shè)計返工,、手機(jī)外形間缺少通用性以及被延長的設(shè)計周期,，而上述這些又都增加了手機(jī)開發(fā)成本。在當(dāng)今競爭激烈的市場壓力條件下,，這些因素對移動手機(jī)制造商和研制它們的設(shè)計師的成功來說,，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
在手機(jī)設(shè)計早期就確認(rèn)可有助于解決這些核心問題的一個領(lǐng)域是廣為采用的屏蔽,。屏蔽減小了電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI),、極大削弱了不希望的輻射、緩解了它引發(fā)的災(zāi)難,。目前,，屏蔽與RF頻率如影隨形，因全部RF通信標(biāo)準(zhǔn)都有某種要求把不期望輻射最小化的規(guī)定,。
屏蔽的效能由它在一個寬的頻譜范圍內(nèi),，能多大程度上衰減輻射信號來表征。例如,，一個帶活動蓋的金屬“容器”可構(gòu)成一個屏蔽,，或容器本身可直接固焊在PCB上,。采用蓋結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)很有用，所以常被用在電視調(diào)諧器等應(yīng)用,，但該屏蔽的效能高度依賴蓋和容器間的電氣連接,。它以RF屏蔽所根據(jù)的基本概念為基礎(chǔ)：時變電磁場(EM)會在導(dǎo)體內(nèi)環(huán)繞場線感應(yīng)出電流。所以,，完美導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流會產(chǎn)生一個與誘發(fā)場相反的EM場,，從而使導(dǎo)體內(nèi)的場線抵消。因此,，屏蔽上過多的孔洞,、槽溝和開口會降低屏蔽效能，這是因感應(yīng)電流只能在導(dǎo)體上存在自由電子的部位流動,。導(dǎo)體(容器)上的開口意味著該處沒有自由電子，它會導(dǎo)致電流尋找沿著開口處的其它途徑流動,，從而使感應(yīng)場無法完全抵消誘發(fā)場,。表皮深度是另一個重要因素，它由EM波穿透傳導(dǎo)膜的能力決定,。特別是當(dāng)?shù)皖l具有特別重要性時,，為有效屏蔽輻射的RF信號，會需要一個更厚的膜,。
本討論中,，與屏蔽相關(guān)的重點將圍繞當(dāng)今手機(jī)設(shè)計中一個通用的RF半導(dǎo)體元件——蜂窩發(fā)射模塊(TxM)展開。簡言之,，TxM是由在一種類似PCB的基板上固放上裸片和無源器件構(gòu)成的,。然后將該組件進(jìn)行包注模(overmolded)處理，之后它就可被固焊在手機(jī)PCB上,。因它對手機(jī)內(nèi)的任何元件來說都產(chǎn)生最大的輻射功率,，進(jìn)而極有可能誘發(fā)EMI和RFI，所以該例子特別有用,。另外,，整體上，TxM與矩形波導(dǎo)的尺度類似,，根據(jù)Pozar[1],，矩形波導(dǎo)的截至頻率為：
其中，“m”和“n”代表模式,，“μ”和“e”分別代表滲透率和介電常數(shù),，等式1表示：若尺寸“a”大于“b”，則主導(dǎo)模式是TE10,。因此,，等式1重寫為：
其中：“c”是光速,；“E1”代表相對介電常數(shù)；“μr”是相對滲透率,；“a”是開口,。
等式2指出，如我們預(yù)期的,，截至頻率隨開口“a”尺寸的縮小而增加,。當(dāng)屏蔽上有若干開口時，方程式會變得更復(fù)雜,，從而進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了完全沒有開口的重要性,。
金屬屏蔽容器繼續(xù)被用來從外部對TxM和手機(jī)的RF部分實施屏蔽；但最近有一種在TxM內(nèi)部進(jìn)行嵌入式屏蔽的趨勢,。僅就TxM屏蔽來說,，已開發(fā)出若干對TxM進(jìn)行屏蔽的方法。方法之一是采用一個簡單金屬容器構(gòu)成的嵌入式屏蔽,，但該方法要求在容器上開多個孔以允許注模填料(mold compound)容易地流灌整個模塊,，這是模塊化組裝所必需的。但根據(jù)本文前述的波導(dǎo)理論,，屏蔽效能不僅與屏蔽上開口尺寸也與開口數(shù)有關(guān),，開孔越大、數(shù)越多則效能降低得越厲害,。
RFMD開發(fā)出一種已申請了專利的MicroShield集成RF屏蔽替代技術(shù),。該集成屏蔽把在一個封裝好的半導(dǎo)體注模填料的外部再包裹上一層薄金屬作為整個組裝工藝的最后步驟。采用這種技術(shù)實現(xiàn)的屏蔽對模組高度的影響微乎其微且在降低EMI和RFI輻射的生產(chǎn)中可重復(fù)進(jìn)行,。
為確證MicroShield技術(shù)的超卓能效,，在一個測試載體上，采用RF3178 TxM對輻射進(jìn)行了測試(圖1),。
測試結(jié)果清楚表明,，兩種屏蔽技術(shù)在性能上差別顯著：MicroShield明顯優(yōu)于嵌入式屏蔽技術(shù)。平均看,，在輻射衰減方面,，MicroShield集成RF屏蔽技術(shù)比嵌入式技術(shù)優(yōu)于15dB。
但作為TxM設(shè)計師來說,，取得這些結(jié)果并非唾手可得之事,。從TxM設(shè)計角度看，添加屏蔽給設(shè)計師帶來若干問題,。首先,，緊挨著的屏蔽和電磁輻射電路改變了頻率響應(yīng)，其頻響不再與“素顏(未模封)”、完全調(diào)整好的TxM一致,，從而改變了屏蔽后電路的性能,。特別是在更高頻率可更好地觀察到這些效應(yīng)。這樣,，當(dāng)增加屏蔽時,，建模和EM模擬對確保好結(jié)果具有極其重要的意義。
因3D EM模擬會很耗時,，所以根據(jù)電路的復(fù)雜性以及需提供足夠精度的四面體元件的數(shù)量,，先從一個不太復(fù)雜的電路著手并確認(rèn)其具有重要性的關(guān)鍵部分的作法就功不唐捐了。例如,，根據(jù)場論不難得出：兩條載場信號線挨得越近,，就越趨向于產(chǎn)生更大耦合。這些信號線載負(fù)著時變電荷,，這些電荷業(yè)已嵌入在基板內(nèi)并被諸如地平面等金屬裹覆起來,，所以，當(dāng)施加外屏蔽時,，實質(zhì)上不會在場線上表現(xiàn)出額外干擾,。只有信號線、元件或線綁定才在其各自場線面臨顯著變化,，因這些元素暴露在空氣中或被包注模以作為邊界條件。
圖2顯示的是具有包注模TxM的功放部分的輸出匹配,，它有兩種情況：不帶屏蔽以及在包注模上施加屏蔽,。該雙端口模擬是采用Ansoft的3D EM軟件工具HFSS實現(xiàn)的。
輸出匹配雖然僅表示整個TxM內(nèi)無源電路的一小部分,，但在確定耦合機(jī)理和高階諧波影響方面仍有效用,。
第二個關(guān)注的地方是微帶線附近的場線，在靠近地平面的地方它們最強(qiáng),。只要屏蔽和地平面間的距離明顯大于微帶線和地平面間的距離,，則增加的屏蔽的效用就微乎其微。線綁定和表貼電感與地平面的直接耦合要弱些,，當(dāng)施加屏蔽時,，預(yù)期其場線會有變化。圖3顯示的是3D模擬的E場分布,。
圖3顯示的是不帶屏蔽的輸出匹配的電磁模擬,，其電場以伏/米表征。深紅色意味著強(qiáng)場線,，而深藍(lán)色表示電場實質(zhì)不存在,。如所預(yù)料，表貼電感和綁定線附近的場線不那么穩(wěn)固,，所以,，若在包注模上增加屏蔽則更可能對其產(chǎn)生影響,。下一步是勾畫并檢測雙口S參數(shù)模擬在帶和不帶屏蔽條件下相對于高階諧波的任何變化。
輸出匹配的3D EM模擬(圖4)揭示出在更高頻率下共振的改變,。在TxM內(nèi),，電路遠(yuǎn)比簡單的輸出匹配復(fù)雜。另外,，如在模擬中看到的,，為規(guī)避高階諧波所實現(xiàn)的高Q槽路所受到的影響將明顯大于給單一共振帶來的簡單變化。
最后的任務(wù)是對不帶屏蔽的TxM進(jìn)行輻射測量并將結(jié)果與采用MicroShield集成RF屏蔽技術(shù)的TxM進(jìn)行對比,。為實施準(zhǔn)確測量,，必須避免待測PCB上從連接器和其它板上電路造成的RF功率泄漏；因此,，為進(jìn)行這些測量所設(shè)計的測試板包含若干獨立屏蔽容器,，如圖5所示。
全部輻射測量都是在丹麥哥本哈根的Delta Technologies進(jìn)行的,。被測設(shè)備放在不吸收和不反射材料的表面(圖6),。在該測試中，RFMD的另一款TxM產(chǎn)品(RF3282)用作測試載體,。
圖7顯示的是發(fā)自RF3282 TxM的輻射功率,。紅色圖表示沒有屏蔽的TxM，藍(lán)色圖表示的是采用MicroShield屏蔽的TxM,。注意：為更清楚地顯示兩種被測器件的差異,，藍(lán)色圖被稍微右移。如圖所示,，MicroShield集成RF屏蔽顯著降低了輻射功率,。在10.5GHz僅有一個示警。它昭示著這兩種情況：或是存在另一種模式(腔模式),，或是結(jié)果也許與流經(jīng)屏蔽表面的地電流相關(guān),。但無論如何，對輻射功率的平均衰減可達(dá)15dB或更高,。
我們討論了MicroShield屏蔽技術(shù)在抑制EMI和RFI方面的優(yōu)勢,，該技術(shù)提升了滿足規(guī)約要求的能力。另外,，MicroShield集成RF屏蔽還同時把外部EMI/RFI干擾的影響降至最低,，從而弱化了手機(jī)設(shè)計中存在的性能漂移問題。
因手機(jī)設(shè)計師和制造商越來越依賴手機(jī)平臺來滿足其時間和成本要求,，所以器件對PCB布局的敏感性是個關(guān)鍵因素,。過去，當(dāng)這些平臺被用于不同手機(jī)設(shè)計時，性能會被打折,，具體表現(xiàn)在EMI和RFI輻射通常成為性能不一致的主要誘因,。借助支持MicroShield的RF器件，手機(jī)制造商有能力像安放對EMI/RFI不敏感的任何器件一樣,，安放高度復(fù)雜的RF模塊,，從而提供了一種真正、可包容PCB改變和布局變化的“即插即用”方案,。通過規(guī)避對PCB布局的敏感性,，MicroShield避免了重新調(diào)節(jié)電路的風(fēng)險，因此,，加快了上市進(jìn)度并降低了RF實現(xiàn)的成本,。