CST 干货：移动电子设备的射频干扰和接收灵敏度分析
本期转载并翻译一篇 2018 年发表在 Signal Integrity Journal 上的文章。
原文作者：
Antonio Ciccomancini Scogna, Hwanwoo Shim, Jiheon Yu, Chang-Yong Oh, Seyoon Cheon, and NamSeok Oh
接收灵敏度和天线耦合噪音是开发像智能手机，平板电脑等移动设备的主要两大问题。造成灵敏度下降的原因很多，大多数情况是由于 PCB 的数字信号谐波作为噪音耦合到天线。这篇文章基于电磁仿真相对耦合功率，展示了一种预测这种耦合的方法。
现代电子产品中，系统内的 EMC 或射频干扰非常有挑战性。手机中天线及前端射频模块，在没干扰的情况下，可探测到 200kHz 带宽中弱到-120dBm 的信号。但是，由于时钟频率可到达 GSM880-1800、蓝牙，WiFi 等频段，谐波和数据信号耦合到天线使整个接收模块的敏感度降低，从而通信质量降低。
比如 USB 3.0 [1], 速率达到 5Gbps 和 10Gbps，对应 Nyquist 频率 2.5GHz 和 5GHz。这些高速数据上升沿和下降沿是几百 ps 甚至更低，造成辐射，然后复杂电路板，连接器，柔性板都像天线一样可以将该辐射进一步放大。如果外接设备，则情况可能更糟，分析更困难，因为外接设备对手机设计者来说就是个黑盒子。除了 USB，内存，SD 卡时钟，传感器，摄像头等都可能造成干扰。即使低速 USB2.0 也不百分百安全。
干扰分传导和辐射，或二者皆有。因为数字信号频段宽范，下图展示三种耦合机制。
敏感度降低的衡量标准需要用到总全向灵敏度 TIS[2]：
其中 KTBnoise 是热噪，RF path loss 是天线端口和 modem 输入信号之间的损耗。NF 是噪声系数， SNR 信噪比，coupling noise 是主要的耦合因素。（笔者补充：CST 后处理有 TIS，我们有机会再介绍）。
文献[2]中计算手机 TIS 的仿真流程有介绍，但是作者是基于一些假设，1）降低 TIS 的主要来源是某些数字谐波；2）噪声通过空气传到天线。所以只考虑了辐射传导。如今大多数敏感元件都是屏蔽的，差不多 70%。所以，作者认为传导辐射是主要问题并常被低估，因为耦合路径不易识别。
假设电磁模型是线性时不变系统，则天线系统的收发互易原理成立，也就是收发的辐射图一致。对天线的干扰噪声可以通过天线作为噪声源时的磁场分析来估算。所以，文章提出的方法是另辟蹊径，研究天线对信号的耦合干扰。
一般射频干扰的清除办法有两种，有源和无源[3]。无源的一个方法就是加屏蔽，比如产生噪音 IC 或走线上加铝罩形成 Faraday cage，下图展示简单的屏蔽效果，贴片天线作为辐射源，可见 IC 上方５ｍｍ处的切线磁场在加屏蔽罩后大幅提高（笔者补充：要看绝对值，可惜图片太小），屏蔽效能在高频段会减弱，因为屏蔽罩上的小孔在高频段会泄漏更多电磁波。图中还有手机对 AP 芯片加屏蔽罩前后效果。比如 DCDC 转换器里面的开关频率２MHz-4MHz, 其谐波是可以干扰 1GHz 以上的射频信号的。所以大多数产品都有屏蔽罩[4]。有源方法大概分两种，第一种是间接估算噪声，然后不影响信号的情况下调整信道。第二种用线性编码调整信号[3-4].
常见的仿真问题就是 IC 和噪声信息不足，无法直接仿真，比如 LCD 屏幕十几层材料，加上信号线众多，阻抗是多少，哪些结构形成耦合路径，都是问题。解决方法就是用近场扫描（NFS，near field scanned) 数据作为源[5,6]。假设电流在离结构 r 米远处，其磁场强度则表达为以下公式。该方法是基于表面等效原理，就是体积内的点源可用其辐射场替代。这种 NFS 数据可测量或仿真得到。当然，惠更斯的等效原理主要用于远场，所以近场还是有局限的，比如噪声源周围结构密集，反射没有被考虑。为了考虑反射，可以根据实际结构重新调整等效体积[7,8]，当然 PCB 太复杂就很难保证准确度。
下图展示一个天线和 L 形信号线，旁边有 IC。蓝盒子表示等效体积所为源，用于第二个不包括 L 形信号线的仿真。结果显示信号线和天线的耦合计算准确，可见该场源方法可以一定程度上替代传统全结构仿真方法，误差 1dB 以内。下图 b 是测量的进场数据导入仿真软件中，一般都是 2D 数据，XML 或 ASCII 格式，高级的测量系统可以提供 3D 数据。
不过，现代手机太过密集，这种等效场源很难定义。另一只方法是文献[9]提到的源重建法，就是用电磁偶极子矩阵来重建噪声源。一般噪声位置和类型都能确定，振幅和相位则通过和 NFS 数据匹配得到。该方法目前可行性只通过简单结构验证过。
接下来介绍一种分析方法，常用于可能源自高速信号 USB3.0 的干扰。下图展示连接器接线到 AP 芯片，150 欧姆电阻串联，降低信号强度从而减少 EMI 辐射和 DC 电容值。
USB 线的延迟能产生共模信号，是最主要的噪声源，形成辐射和干扰。下图展示电磁仿真 USB3.0 的差共模转换，结果基本相同。绝对值有一定差别，但不影响预测干扰风险。
通过查看场分布，我们可以看到在 DC 电容焊盘附近场比较强，作者做实验将其去掉，场最大值也随之减少。然而目前分析信号干扰天线以空间辐射为主，仅适用前期分析 USB3.0。
差共模转换检查也可在柔性 PCB 上做，下图结果比 USB 还要糟糕。这些分析对信号完整性而言很有用，但 EMC 方面需要其他办法。
核心方法：
下表是一些可能造成谐波的数字接口，大多数文献都是通过实验或经验来假设射频干扰的原因[10]。该方法缺点就是事先需要知道或预测噪声源。除非前期都有测试结果，否则很难预测。而仿真整个系统经常太过复杂，往往用户最终只选个别重要的线来仿真。
这里的核心方法目的在于减少射频干扰风险，同时不用逐一分析每条数据线。因为最终关重的是耦合到天线的信号，所以方法就是反向研究，给天线一个宽频的噪声，在重点频率看哪里的电磁场较强。比如说，GSM 天线工作频率有两个，800-900MHz 和 1.8-1.9GHz，根据上表，SD 和 HDMI 包括此频段，所以我们就看这个频段的场分布。如果能看到潜在干扰，我们就可以让 layout 部门改或者进一步分析。
下图是简化的手机模型，三个天线，三个 PCB 信号线。耦合参数（S 参数）的互易性非常一致（简单讲就是 S21=S12）。
然后我们看 H 场图，1.8GHz。下图 a 是三个信号线激励和三个天线激励。Case1 只有少量能量从手机地平面缝隙穿过，Case2 和 Case3 天线耦合都很强，从天线激励看趋势也一样。图 b 是比较天线 1 和信号线的耦合系数。1.8GHz, 只有 S18 很低（信号 3）。天线 1 激励时，右上角的信号线 3 处场很弱，进一步验证了二者耦合低。
最后是提出的核心方法应用于实际的智能手机。下图是分集天线激励后的结果。H 场显示这几个 net 影响很大，他们走线是在电流密度较强区域上方，所以认为应该重点研究这几条线对天线的影响。我们预测 SD 时钟是产生射频干扰的主要原因，而不是 AP 芯片到手机顶部的高速信号。之前还怀疑是高速信号的问题。
之前高速线的 S18 很低，而 SD 时钟的 S14 和 S12 就很高。另外，频谱也显示了出了震荡性，接近 GSM 频率。
然后用 NFS 测量进一步验证 SD 卡的区域，结果如下图，在频率 0.8-0.85GHz 范围内有辐射，OTG 运行时无论整机还是拆机都能看到。
在仿真中，加上与 NFS 测量接近的间距 1mm 的一些近场探针，来计算 SD 卡附近的电场。下图展示探针的幅值，0.84GHz 时峰值。
总结
文章提出一种设计前期预测射频干扰的方法。主要是用仿真算出天线激励的 H 场，然后 PCB 上重点区域就是 PCB 信号线能够干扰天线的部分。该方法利用互易原理，实际手机案例的近场扫描结果也证明了方法的正确性。
An earlier version of this paper was a DesignCon 2017 Best Paper Award Winner.
References
1. USB 3.0 Radio Frequency Interference Impact on 2.4 GHz Wireless Devices, White Paper from Intel, April 2012, Available at http://www.usb.org/developers/whitepapers/327216.pdf2. Jinkyu Bang, Young Lee, Yongsup Kim and Austin S. Kim, “Calculation of total isotropic sensitivity considering digital harmonic noise of mobile phone”, on Proc. of IEEE 2009
3. E.X. Alban, S. Sajuyigbe, H. Skinner, A. Alcocer, R. Camacho, “Mitigation Techniques for RFI due to Broadband Noise”, on Proc. of IEEE Int. Symposium on EMC, 4-8 August 20144. H. Shim, J. Lee, “Interference Issues of Smartphones and Challenges to Model Noise from Chipsets”, on Proc. of URSI ASIA Pacific radio Conference, August 21-25, 2016, Seoul, South Korea.5. J.J. Kim, K.M. Yang, J.M. Kim, Y.J. Kim and S.Y. Lee, “Methodology for RF receiver sensitivity analysis using electromagnetic field map”, ELECTRONICS LETTERS 6th November 2014 Vol. 50 No. 23 pp. 1753–17556. Jin-Sung Youn, et al, “ Chip and package level wideband EMI analysis for mobile DRAM devices”, on Proceedings of DesignCon 20167. H. Wang, V. Khilkevich, Y. J. Zhang, and J. Fan, “Estimating radio-frequency interference to an antenna due to near-field coupling using decomposition method based on reciprocity,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 55, no. 6, pp. 1125- 1131, 20138. O. Franek, M. Sorensen, H. Ebert, and G. F. Pedersen, "Influence of nearby obstacles on the feasibility of a Huygens box as a field source," in IEEE Int. Symposium Electromagnetic Compatibility, pp. 600-604, 2012.9. J. Pan, H. Wang, X. Gao, C. Hwang, E. Song, H.-B. Park, and J. Fan, “Radio-Frequency Interference Estimation Using Equivalent Dipole-Moment Models and Decomposition Method Based on Reciprocity”, on IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, vol.58, no.6, pp 75-84, Dec. 2015. 10. Seil Kim, Sungwook Moon, Seungbae Lee, Donny Yi, et al., “Simulation based analysis on EMI effect in LPDDR interface for mitigating RFI in a mobile environment”, on Proc. of EPEPS 2016
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