GSM手机电磁兼容设计

中心议题：

• 介绍EMC的概念和设计技术
• 提出几项在GSM手机中可以采用的EMC技术

解决方案：

• 可采用接地、屏蔽、滤波三项技术改善和提高EMC性能
• 屏蔽材料选铁皮镀镍或铍青铜镀镍或选镍基不锈钢
• 在GSM手机中采用各种不同的滤波技术

电磁兼容（EMC）的定义
EMC性能表示为在一定的时间、频率、电磁空间的范围内，某设备或单元与其它设备或单元，在所述范围内“和平共处”能力的大小，换句话说：该设备或单元对其它设备或单元产生的不良影响，干扰要小，而且在这种电磁环境下，该设备或单元能够稳定、可靠地工作，具备一定的抗干扰能力。

电磁干扰方式
频域内的干扰有四种类型：同频干扰、邻道干扰、互调干扰和杂散。

邻道干扰和杂散可通过滤波技术来解决，同频干扰可通过合理的频率管理和分配来解决，互调干扰可通过提高线性动态范围和合理地选择器件和工作点来解决。

大小不同电平之间的干扰有强信号阻塞和远近效应两种类型。这两种干扰可通过合理的选择功率等级和自动功率控制（APC）来解决。

传导型干扰：它通过传输线作为媒介产生的干扰，例如，通过电源线和地线产生的干扰，这种干扰可通过滤波和合理地进行PCB设计来解决。

高频辐射干扰：这种干扰可通过屏蔽来解决，以减小干扰电场、磁场在“敏感”空间内传播的能量。

GSM手机电磁兼容设计
在改善和提高EMC性能方面，有三项技术可采用：接地、屏蔽、滤波。对于每一项技术针对不同类别的具体产品，又有比较丰富的内容，这使得EMC设计具有一定的难度而且需要经验。

a.GSM手机EMC设计要求
接收灵敏度：优于-102dBm／RBER（residualBER）＜ 20％（条件：classⅡ、静态、900MHz频段）；
发射频率误差：＜1×10－7，相位误差有效值：≤5°、峰值≤20°；射频输出功率（四类手机）：5dBm（3.22mW）-33dBm（2W）。

接收机同道、邻道、阻塞、互调指标，发射机调制频谱、开关频谱、杂散辐射等指标均需满足ETSGSM11.10和05.05（欧洲电信标准）技术规范中的各项要求。

b.手机EMC设计的特点
EMC设计这项工作在通信系统、通信设备、家用电器等设备中扮演着十分重要的角色。对于GSM手机这种家用通信电子类产品来讲，手机EMC性能的好坏对GSM网络系统可靠、稳定地工作、手机RF指标、人体感应程度、手机软硬件的可靠性和稳定性都有着直接的影响。

GSM手机EMC设计有下列特点：
①整机外形尺寸小，单位体积的功率密度大。现在GSM手机的外形尺寸一般为：长100mm、宽40mm、厚25mm左右，对于四类机来讲，其最大输出射频功率为2W（33dBm）和其它的通信设备相比较（例：100W寻呼发射机，25W调频车载台，20mW无绳电话），手机的单位体积功率密度是最大的，这对EMC设计提出了较高的要求。

②重量轻、对屏蔽材料的选择要求高。因为GSM手机有重量要求（一般小于100克），放在手机中采用过多的、过厚的屏蔽材料是不切合实际的，这又增加了EMC设计难度。

③TDMA脉冲突发（burst）工作方式。GSM手机采用TDMA通信工作方式（每帧8个时隙，每帧长4.615ms，每时隙长577μs），这对输出开关频谱和电源滤波提出了较高的要求。

④人体感应问题突出。手持式通信终端都存在着人体感应问题，由于GSM手机工作在900MHz和1800MHz频段，工作频率比一般的手持式通信终端都要高（例：150MHz、450MHz调频对讲机，48～74 MHz家用无绳电话），因此该问题更加突出。

GSM手机EMC设计技术
在GSM手机EMC设计工作中，与其它的通信设备一样，采用了接地、屏蔽、滤波这三项技术。对于手机来讲，这些技术有它的特点。

a.接地
从电路分析的角度来看，接地就是一种能对电源或信号源提供一条在工作频率范围内的低阻抗通路的技术。从这一点来看，采用大面积接地、短而粗的导线就近接地是一项基本原则，接地与屏蔽和滤波密切相关，良好、可靠的接地是高质量屏蔽和滤波的前提条件。接地方式有一点接地、多点接地、大面积接地、汇流条接地等，在手机中大多数采用PCB大面积地线层接地和PCB周边汇流条按地。

b屏蔽
因为手机是属于高性能价格比的通信类家用电器，而且有体积和重量的限制，故在进行手机EMC屏蔽技术设计时，必须仔细考虑屏蔽方式和材料的选择以及加工工艺和表面处理。在手机中，可选择的材料和特点如下所述：
有金属涂层或镀层的工程塑料：其特点是可以降低手机的生产成本，容易与外壳在结构和形位公差方面进行匹配，减轻手机重量，但由于镀层厚度和密度的限制，其屏蔽效果一般来讲不如全金属的屏蔽结构件。由于国内塑胶模具的设计加工和金属层的镀涂一般是由不同的厂家来完成的，EMC的设计者难以对其提出具体的电磁屏蔽效果要求，产品的质量和稳定性难以保证，易出现镀涂层脱落、机械变形和表面氧化等问题，从而严重影响屏蔽效果。笔者认为，除非采用这种方法的塑料件在物理、化学、电气特性指标方面有稳定的工艺保证，一般国内自主开发的手机不宜采用这种方法。

导电橡胶：这种材料是在硅橡胶中加入高电导率的金属粉末（如银、镍、Ballotini），其形状和断面可根据需要有多种选择（例：O、U形状）。选择的基本依据是电导率指标要高，有足够的机械强度、弹性和稳定性，这种材料的特点是：①弹性和电导率会随着时间而变差（老化）；②抗震性能差，受到震动后，其电导率指标会变差；③可维性差、易变形脱落。要形成高质量低阻抗的接地面，在工艺上有困难。

由于上述原因，这种材料在新型手机中较少采用。
金属冲压拉伸屏蔽结构件：从理论上来讲，采用这种方法可得到最好的屏蔽效果，在进行设计时需要考虑到下列因素：
（a）选择具有高电导率和导磁率的材料。
金属导体对电磁波存在着两种损耗，吸收损耗和反射损耗，在工作频率大于100MHz时，损耗以吸收损耗为主。

（b）屏蔽材料在经过冲压拉伸成型和表面处理之后，要求尺寸精度要高，表面不易氧化，有一定的机械强度，以满足生产和维修的要求。

（c）工制造成本低。

（d）由伽尔伐尼电池效应造成的电化腐蚀要小。

（e）对于需要焊接的封闭式金属屏蔽金上孔的加工和处理：从EMC的角度来考虑，希望孔的数量和孔径要越少越小为好，从红外再流焊的焊接工艺质量来考虑，又希望孔的数量和孔径要多和大为好，这就需要EMC设计者在这两者之间作出折衷考虑。

（f）在手机天线附近的屏蔽件的尺寸、形状、形位公差、光洁度、材料，将对天线的分布参数产生很大的影响，从而进一步影响到PA（power amplifier）的输出功率、功耗、相位误差、接收灵敏度等RF指标，这需要设计者给予足够的重视。

针对国内的具体情况和工艺水平，笔者认为，屏蔽材料可选厚约0.2mm的铁皮镀镍或铍青铜镀镍或选镍基不锈钢（需充分注意到脱模后材料的回弹形变），若屏蔽件需要焊接，则表面处理改为镀锡。

c.滤波
滤波就是对某些频率点范围内的信号提供传输极点，而对另一些频率点范围内的信号提供传输零点的技术。在GSM手机中采用了各种不同的滤波技术：①从滤波器的截止频率来看，有低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）滤波器；②从作用的工作频率来看，有低、中、高频滤波器；③从信号传输的方式来看，有传输型和旁路型滤波器；④从使用的材料来看，有SAW（surface acoustic wave）、传输线、腔体、铁氧体、陶瓷滤波器；⑤从使用的器件来看，有无源和有源滤波器。

下面介绍在GSM手机中采用的一些特殊的滤波技术。
（1）一路电源（电池）输入，多路电源输出的线性有源滤波技术由于GSM手机采用TDMA的方式工作，在一帧期间内，只在某些时隙内工作，故在整个电源回路中，均存在着TDMA脉冲，特别是在发射时隙内。对于采用3.6V供电的手机，在发射时隙内，其峰值电流在高功率档时可达2.5A左右。考虑到这一点，在GSM手机中广泛采用这种技术，即对接收机、发射机驱动、PA、颇丰合成器、 CPU、基诺处理、SIM卡、音频处理，LCD单元分别采用有源滤波输出供电。这种滤波技术可保证各路输出电源之间的干扰很小，从而保证了EMC性能。若采用无源滤波技术，不但需要体积很大的滤波电容，而且也是难以达到技术要求的。另外，GSM手机非常讲究功耗指标（待机连续通话时间的
长短），从这一点考虑，采用电源滤波管理技术，有利于对各个单元电路分别进行控制和管理，让相关的单元电路只在相应的时隙内启动工作，在其余的时隙内均处于等待休眠状态，从而可以达到进一步降低功耗、省电的目的。

（2）铁氧体滤波器
这种器件根据使用情况可分为几类：标准信号、高速信号、超高速信号、电源。利用铁氧体的阻抗一频率特性（由材料配方和工艺决定），在低频段时呈感性，在高频段时呈容性，在中间某一缺点处有一并联谐振点。把铁氧体滤波器串接在回路中，可构成一个低通滤波器，它具有体积小、成本低、工作电流大的特点（和LC滤波器相比较），特别适用于PA供电部分的大电流脉冲滤波，具有较高的性能价格比。

（3）PCB上的传输线波波器
在接收机输入端、PA的输出端回路中采用传输线。型滤波器比采用传统的集中参数LC滤波器能获得更高的性价比。由于传输线的等效电感参数在设计中难以精确计算（与PCB的介电常数、PCB的厚度、PCB上的导线长度、工作频率、边缘效应有关），又由于PCB材料的介电常数可能会随生产批次而变化，放在GSM手机车。这种滤波器的并臂下地电容（一般均用高Q值的高频瓷片电容）要求能在传输线上“滑动”接地，以获得较精确的功率匹配和阻抗匹配，这对提高接收灵敏度、减小发射相位误差、提高射频输出功率和降低电源功耗是有利的。