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無(wú)線數(shù)據(jù)卡輻射雜散抑制方法研究

2008-04-29
作者:段亞軍1,, 武 昌1, 李成恩2

  摘 要: 數(shù)據(jù)卡" title="數(shù)據(jù)卡">數(shù)據(jù)卡" title="無(wú)線數(shù)據(jù)卡" title="無(wú)線數(shù)據(jù)卡">無(wú)線數(shù)據(jù)卡">無(wú)線數(shù)據(jù)卡為筆記本用戶提供了方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),,但無(wú)線數(shù)據(jù)卡在工作時(shí)如果其輻射雜散指標(biāo)過(guò)高將會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)安全及其他用戶和設(shè)備,。在分析屏蔽原理的基礎(chǔ)上,,采用屏蔽措施來(lái)抑制無(wú)線數(shù)據(jù)卡輻射雜散,通過(guò)測(cè)試,,驗(yàn)證了該措施的有效性,。
  關(guān)鍵詞: 無(wú)線數(shù)據(jù)卡 輻射雜散 屏蔽


  隨著筆記本用戶的日益增多,用戶對(duì)無(wú)線上網(wǎng)產(chǎn)生了極大的需求,。無(wú)線數(shù)據(jù)卡能為筆記本用戶提供方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),。在國(guó)內(nèi)外,凡要入網(wǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)卡都要做輻射雜散的測(cè)試以確保其對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其他用戶和設(shè)備的安全,。抑制輻射雜散的最好方法是重新對(duì)PCB進(jìn)行布局,,但實(shí)際情況是此時(shí)的產(chǎn)品已經(jīng)設(shè)計(jì)定型亟待上市,,重新修改PCB,、投板,,會(huì)增大生產(chǎn)成本,錯(cuò)失商機(jī),。因此研究無(wú)線數(shù)據(jù)卡輻射雜散的抑制具有一定的實(shí)際意義,。
1 雜散抑制原理
  目前對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)卡輻射雜散的抑制,除了修改PCB外,,另一種有效的方法就是對(duì)數(shù)據(jù)卡進(jìn)行屏蔽,。屏蔽在很大程度上可以降低輻射雜散的發(fā)射電平,很好地抑制輻射雜散,;與重新修改的PCB相比,,其成本低,周期短,,實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單,。無(wú)線數(shù)據(jù)卡工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,要對(duì)其做到有效的屏蔽,,首先需對(duì)屏蔽的原理作簡(jiǎn)單的介紹,。
  屏蔽按照其原理可分為電場(chǎng)屏蔽" title="電場(chǎng)屏蔽">電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽" title="磁場(chǎng)屏蔽">磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽,。
1.1 電場(chǎng)屏蔽原理
  為方便分析,,不妨把電場(chǎng)感應(yīng)看成是分布電容間的耦合。圖1為電場(chǎng)感應(yīng)示意圖,,其中干擾源A和受感應(yīng)物B的電位分別為UA和UB,,那么UA與UB間的關(guān)系為:
  
  式中,C1為A,、B之間的分布電容,,C2為受感應(yīng)物B的對(duì)地電容。圖2是電場(chǎng)屏蔽作用的分析圖,,由此可見(jiàn),,插入屏蔽板后,新造就了兩個(gè)分布電容C3和C4,,其中C3被屏蔽板短路到地,,它不會(huì)對(duì)B點(diǎn)的電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生影響。而實(shí)際上受感應(yīng)物B的對(duì)地和對(duì)屏蔽板的分布電容C2與C4處于并聯(lián)的位置上(因?yàn)槠帘伟迨墙拥氐?,。這樣,,受感應(yīng)物B的感應(yīng)電壓UB′應(yīng)當(dāng)是A點(diǎn)電壓被A、B之間的剩余電容C1′與并聯(lián)電容C2和C4的分壓,,即:
  
  由于 C1′遠(yuǎn)小于未屏蔽時(shí)的C1值,,故UB′值要遠(yuǎn)小于未屏蔽時(shí)的UB[4]

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1.2 磁場(chǎng)屏蔽原理
  磁場(chǎng)屏蔽通常是對(duì)直流或甚低頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,,其效果比對(duì)電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差得多,,因此磁場(chǎng)屏蔽是個(gè)棘手的問(wèn)題,。磁場(chǎng)屏蔽主要依賴于高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻,對(duì)磁通起著分路的作用,,使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減弱[5],,如圖3所示。

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1.3 電磁場(chǎng)屏蔽原理
  電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施,。與電場(chǎng)屏蔽,、磁場(chǎng)屏蔽原理不同,電磁屏蔽體對(duì)電磁波的衰減主要基于電磁波的反射和電磁波的吸收兩種方式[6],。電磁場(chǎng)屏蔽原理如圖4所示,。
  在電磁場(chǎng)屏蔽中主要用屏蔽效能來(lái)衡量電磁屏蔽效果。屏蔽效能是電磁波經(jīng)過(guò)屏蔽物時(shí)能量被衰減的量,。屏蔽效能一般隨頻率,、屏蔽物的形狀與材料、屏蔽中測(cè)量的位置,、電磁波的種類,、電磁波的入射及極化方向的變化因素變動(dòng)。通常以S表示屏蔽效能,,以H0(E0)表示入射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,,而以H1(E1)表示經(jīng)過(guò)屏蔽物后的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,則電場(chǎng)的屏蔽效能為:
  磁場(chǎng)的屏蔽效能為:
  
  此外,,當(dāng)電磁波穿過(guò)任何金屬物時(shí),,通常有兩種類型的損耗,一是吸收損耗,,一是反射損耗,,因此,屏蔽效能又可寫(xiě)成:
  S=P+R+C(dB)     (3)
  其中,,P為吸收損耗,,R為反射損耗,C為正或負(fù)的修正項(xiàng),;當(dāng)P大于15dB時(shí),,C可忽略不計(jì),C是由屏蔽體內(nèi)反射波所引起的,。式(3)中的各項(xiàng)可以視為相對(duì)于銅材料的電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ,,頻率f(Hz)以及所存在的各種物理參數(shù)的函數(shù)。表1為各種屏蔽材料的電特性,。


  吸收損耗P不僅取決于σ,、μ和f,而且也取決于屏蔽材料的厚度d(cm):
  
  屏蔽體的反射損耗不僅與材料本身的特性(電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率)有關(guān),,而且還取決于源的電磁性能和屏蔽體到源之間的距離r(cm),。
  低阻抗磁場(chǎng)源(如距離〈〈λ/2π的環(huán))的反射損耗為:
  
  
2 屏蔽設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
2.1 屏蔽設(shè)計(jì)
  在分析屏蔽原理的基礎(chǔ)上,給出實(shí)際中無(wú)線數(shù)據(jù)卡屏蔽設(shè)計(jì),??紤]到無(wú)線數(shù)據(jù)卡工作在復(fù)雜電磁環(huán)境中,,要對(duì)上述三種場(chǎng)做到有效屏蔽,,必須兼顧各自的特點(diǎn)。實(shí)際中選用一款工作頻段為GSM 900MHz的無(wú)線數(shù)據(jù)卡,,屏蔽板到數(shù)據(jù)卡核心芯片(如:基帶處理芯片,,射頻芯片)的距離r為0.5~1.5mm,計(jì)算可得r〈〈λ/2π,因此數(shù)據(jù)卡可將耦合電容C1′做得很小,,使得最后的分壓值UB′遠(yuǎn)小于未屏蔽時(shí)的UB值,,從而起到良好的電場(chǎng)屏蔽與隔離。屏蔽板材料選用高導(dǎo)電率,、高導(dǎo)磁率的金屬(如坡莫合金),。采用全封閉的金屬屏蔽罩(全封閉是為了達(dá)到最佳屏蔽效果)。數(shù)據(jù)卡的核心芯片不要貼近金屬屏蔽罩,,要留有距離r,,盡量減少通過(guò)數(shù)據(jù)卡的磁通。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),,金屬屏蔽罩壁厚一般為距離r的20%~40%,,并要保證接地良好。這樣就完成了一款無(wú)線數(shù)據(jù)卡的屏蔽設(shè)計(jì),。
2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)卡輻射雜散測(cè)試方法
  無(wú)線數(shù)據(jù)卡常規(guī)的測(cè)試輻射雜散的方法是將它直接插到筆記本中,,然后用無(wú)線通信綜合測(cè)試儀呼叫來(lái)測(cè)試,以模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[1],。輻射雜散的測(cè)試環(huán)境如圖5所示,。
  在微波暗室中,將被測(cè)無(wú)線數(shù)據(jù)卡插到筆記本中放到轉(zhuǎn)臺(tái)上,,關(guān)閉暗室的門(mén),,與外界的環(huán)境完全屏蔽隔開(kāi),由呼叫天線B對(duì)被測(cè)件發(fā)起呼叫,,呼叫成功后,,由接收天線" title="接收天線">接收天線A開(kāi)始接收EUT發(fā)出的雜散信號(hào),天線A可以接收30M~1000MHz的所有電磁信號(hào),,它將接收到的所有信號(hào)傳給頻譜儀,,頻譜儀會(huì)保持峰值。當(dāng)接收天線開(kāi)始工作后,,EUT所在的轉(zhuǎn)臺(tái)就開(kāi)始工作,,在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中接收天線不斷地將接收到的數(shù)據(jù)刷新,,并保持峰值。在EUT旋轉(zhuǎn)一周后,,接收天線A要升高1m再測(cè)試一遍,,因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)的位置與轉(zhuǎn)臺(tái)上的EUT一樣高(距地面1m),考慮到接收到的電波會(huì)有地面的反射,,而產(chǎn)生多徑效應(yīng),,將接收天線升高到2m后就只有直射電波了,最后將兩次轉(zhuǎn)動(dòng)后的總峰值顯示出來(lái),,即最終的結(jié)果[2],。

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2.3 屏蔽前后的效果比較
  將設(shè)計(jì)好的金屬屏蔽盒加到一款實(shí)際的GSM無(wú)線數(shù)據(jù)卡上,按照上述輻射雜散測(cè)試方法,,可以得到數(shù)據(jù)卡屏蔽前后的輻射雜散實(shí)際測(cè)量值如圖6,。圖6(a)中可以看出在未加屏蔽措施前,數(shù)據(jù)卡在100MHz,、166MHz,、232MHz、300MHz四個(gè)頻點(diǎn)上出現(xiàn)比較大的雜散,,輻射雜散指標(biāo)不合格,。數(shù)據(jù)卡加屏蔽措施后測(cè)試結(jié)果如圖6(b),可以清楚地看到這幾個(gè)雜散點(diǎn)被抑制掉了,,此時(shí)的測(cè)試結(jié)果顯示輻射雜散指標(biāo)合格,。圖6中的903MHz這個(gè)點(diǎn)是無(wú)線數(shù)據(jù)卡的工作頻點(diǎn),非雜散點(diǎn),。
  目前國(guó)內(nèi)外各大無(wú)線數(shù)據(jù)卡提供商都在采取各種措施提高其產(chǎn)品的性能指標(biāo),,以便更好地服務(wù)于用戶。數(shù)據(jù)卡的輻射雜散指標(biāo)是衡量數(shù)據(jù)卡產(chǎn)品合格與否的一個(gè)重要指標(biāo),,由以上測(cè)試結(jié)果可以得出,屏蔽是一種有效抑制數(shù)據(jù)卡輻射雜散的方法,,在實(shí)際設(shè)計(jì)中具有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
1 GB/T 6113.1-199.無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范
2 GB 9254.信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法
3 GB/T 17626.3.電磁兼容,試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù),射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)
4 IEEE Transactions on electro-magnetic compatibility.Shielding Theory and Practice,1988;30(3)
5 劉鵬程,,邱 揚(yáng).電磁兼容原理及技術(shù).北京:高等教育出版社,,1998

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