智能手机设计中电磁兼容问题解决方案

Ferrya · 发表于 2018-12-19 07:30

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智能手机设计中电磁兼容问题解决方案

本文第一次全面、系统、深入和创新性地对智能移动手机设计中的EMC(电磁兼容)问题进行了研究,该研究能为智能手机中电磁兼容问题的设计、分析和解决提供全面而深入的参考。
首先本文对智能手机的物理结构、硬件框图、运行原理、存在或潜在的噪声和干扰源特性以及从源头抑制干扰的办法进行了介绍。

本文第一次建立了智能手机的电磁拓扑图,并基于建立的电磁拓扑图对智能手机设计中存在和潜在的电磁兼容问题进行了初步的分类、分析和归纳。接着本文对智能手机中特有的电磁兼容问题(CSE (Continuous Spurious Emission)问题,RSE (Radiated Spurious Emission)问题和desense (Sensitivity Degradation)问题)进行了进一步的分析,绘制出了用于对这些问题进行分析和实验的流图。然后本文找到和明确了要实现智能手机电磁兼容而需要进行全面、详细和深入研究的方向：它们分别是提高接收机抗扰能力的研究,减少发射机干扰生成的研究,共存问题的研究,智能手机电路中干扰传导耦合的研究,传输线模型及其在智能手机EMC分析中应用的研究,智能手机中非有意辐射的研究以及屏蔽罩导致问题的研究,共七大方向。最后本文用七章分别对这7大研究方向展开了系统而深入的研究。对于每个研究方向,作者首先对前人已完成的工作进行学习和总结,找到不足或是前人还没有完成的工作；然后围绕这些不足或是未完成的工作展开了研究；最后又将研究的结果用到智能手机的电磁兼容设计工作中,并对具体的电磁兼容问题的抑制和设计以及分析和解决提供全面和深入的指导。

本论文主要的创新点有以下几个方面：

(1) 建立了智能手机的电磁拓扑图。

2) 通过理论计算、仿真和实验验证的方法完成了智能手机接收机的基带处理方式如调制方式,扩频方式和信道编码方式以及接收机射频链路对接收机抗干扰能力影响的分析,完成了实际无线接收机射频前端的优化设计。

(3) 验证了用X参数模型来预测放大器对信号质量的畸变和及放大器的频谱再生的可行性和准确性。

(4) 找到共存问题的本质,完成了LTE Inter-band载波聚合(FDD LTEB1/B3)中共存问题的分析以及完成了具体SGLTE (SIMultaneous GSM and TDD-LTE)手机共存问题的分析、设计和验证。

(5)利用分布参数和电压电流定理加上静电磁场比拟建立了双导体或多导体系统对外界电磁场激励的响应的传输线方程；找到了能将智能手机中非等长PCB双走线间的相互耦合问题等效成等长传输线间相互耦合的问题的等效长度法,并找到了该法的具体实现步骤；用传输线模型和积分方法完成了智能手机中不等长PCB(Printed Circuit Board)走线间弱耦合而导致被干扰走线沿线干扰电压和电流通用公式的推导；完成了在特定的端口阻抗情况下被干扰走线弱耦合而导致的端口电压和电流以及功率的推导,以及耦合功率决定因素的分析。

(6)建立了智能手机中实际电流回路的,且能对实际回路中共模电流生成机理、实际回路的辐射机理以及实际回路对外界干扰接收机理进行清晰解释的等效电路模型。

(7)利用实验的方法对一具体智能手机设计过程中屏蔽罩导致CSE问题的分析和解决,以及应用仿真的方法得到了抑制屏蔽罩对微带线影响的设计指导。

智能手机设计中电磁兼容问题解决方案

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摘要4-6
ABSTRACT6-17
第一章绪论17-25
1.1 研究背景17-18
1.1.1 智能手机市场现状17
1.1.2 智能手机电磁兼容要求17-18
1.1.3 智能手机设计中电磁兼容研究现状18
1.2 主要内容、研究成果和研究特色18-22
1.2.1 主要内容和研究成果18-22
1.2.2 本文的特色22
参考文献22-25
第二章智能手机物理结构、运行原理和干扰源的介绍25-35
2.1 智能手机的物理结构介绍25-27
2.1.1 PCB表层器件布局介绍25-26
2.1.2 PCB内部印制电路的介绍26-27
2.2 智能手机的硬件框图和运行原理的介绍27-28
2.2.1 手机的原理框图和运行原理27-28
2.2.2 分系统间的联系28
2.3 智能手机中存在的干扰源,干扰源特点和抑制方法的介绍28-33
2.3.1 数字电路的干扰源及抑制办法28-33
2.3.1.1 周期性脉冲的频潜特性及其高频干扰抑制办法29-31
2.3.1.2 高速数据信号的频谱分析及其高频干扰抑制办法31-32
2.3.1.3 智能手机中高速数据和时钟信号电路32
2.3.1.4 基准时钟电路32
2.3.1.5 PWM干扰源电路32-33
2.3.1.6 尖峰脉冲干扰源及其抑制办法33
2.3.2 无线发射机噪声33
参考文献33-35
第三章智能手机中电磁兼容问题的分析、分类和归纳35-50
3.1 智能手机的电磁拓扑图的生成35-37
3.1.1 器件和结构件的重新定义和分类35-36
3.1.2 智能手机系统的电磁拓扑图36-37
3.2 智能手机系统与外界的电磁兼容问题的分析37-44
3.2.1 智能手机系统与外界相互传导干扰的分析37-41
3.2.1.1 USB等数据传输接口和耳机、麦克风和听筒等音频接口与外界的传导互扰介绍37
3.2.1.2 交流充电器接口与供电网络的传导互扰的介绍37-38
3.2.1.3 天线接口的传导干扰问题38-40
3.2.1.3.1 问题的分析38-39
3.2.1.3.2 CSE问题的分析和实验流图39-40
3.2.1.4 天线口的传导抗扰度问题40
3.2.1.5 智能手机的静电抗扰度的介绍40-41
3.2.2 智能手机系统对外界辐射干扰的分析41-43
3.2.2.1 能导致辐射的部件42-43
3.2.2.2 RSE问题的分析和实验流图43
3.2.3 智能手机系统受外部辐射干扰的介绍43-44
3.3 智能手机系统内部相互干扰的分析44-47
3.3.1 依据干扰的耦合路径的分类44
3.3.1.1 手机电路内的相互耦合44
3.3.1.2 辐射部件间的相互耦合44
3.3.2 依据相互干扰系统来分类44-47
3.3.2.1 数字系统受到到传导和辐射于扰问题45
3.3.2.2 无线系统受到数字系统传导和辐射干扰问题45-47
3.3.2.2.1 问题的初步分析和归纳45
3.3.2.2.2 Desense问题的分析和试验流图45-47
3.3.2.3 无线通信系统之间的相互干扰问题47
3.4 本章小结47-48
3.4.1 对智能手机中电磁兼容问题的归纳47-48
3.4.2 实现智能手机电磁兼容需要更深一步研究的问题48
参考文献48-50
第四章提高接收机抗扰能力的研究50-73
4.1 绪论50
4.2 智能手机接收机介绍50-51
4.3 影响智能手机接收机抗扰度因素的研究51-60
4.3.1 接收机输出信号误比特率的计算51-53
4.3.2 信道编码和扩频对接收机抗扰度影响的分析53-59
4.3.2.1 仿真设置53-55
4.3.2.2 仿真结果的分析和实验验证55-57
4.3.2.3 理论分析和进一步验证57-59
4.3.3 本节小结59-60
4.4 接收机灵敏度和DESENSE的分析和计算60-61
4.4.1 接收机的灵敏度的计算60
4.4.2 接收机Desense的计算60-61
4.5 干扰受接收机射频非线性器件非线性作用后形成干扰的分析和计算61-65
4.5.1 引言61
4.5.2 器件的非线性61-62
4.5.3 干扰受器件非线性作用的分析和计算62-64
4.5.3.1 有用信号增益的减小和阻塞62
4.5.3.2 交叉调制(Cross modulation)62-63
4.5.3.3 互调(Intermodulation)干扰63-64
4.5.3.4 混频器相位噪声对干扰的搬移64
4.5.4 本节小结64-65
4.6 智能手机接收机射频前端的设计和优化65-71
4.6.1 射频前端的设计和LNA的输入阻抗匹配65-67
4.6.1.1 分级系统噪声系数的计算65-66
4.6.1.2 接收机射频链路的噪声系数66
4.6.1.3 射频前端的设计和LNA的输入阻抗匹配66-67
4.6.2 具体的设计和优化67-71
4.6.2.1 需要设计和优化接收机射频链路的框图67
4.6.2.2 理想状态仿真67-69
4.6.2.3 实际情况仿真69-70
4.6.2.4 稳定性的验证70-71
4.6.3 仿真的验证71
4.7 本章小结71-72
参考文献72-73
第五章减少发射机干扰生成的研究73-93
5.1 相关基础介绍73-80
5.1.1 发射机干扰73-75
5.1.1.1 发射机干扰介绍73-74
5.1.1.2 发射机电路的介绍74-75
5.1.2 射频非线性电路基础75-76
5.1.2.1 射频非线性电路基尔霍夫方程的求解方法75
5.1.2.2 射频非线性器件的建模75-76
5.1.3 X参数模型介绍76-80
5.1.3.1 X参数模型的现状及文献没有解决的问题76-77
5.1.3.2 X参数的理论基础77-80
5.2 射频高功率放大器的设计80-83
5.2.1 发射机高功率放大器介绍80
5.2.2 放大器的畸变和干扰机理80-82
5.2.2.1 发射机谐波的生成机理80-81
5.2.2.2 发射机邻道和杂散干扰的产生机理81
5.2.2.3 互调干扰生成机理81-82
5.2.3 高功率放大器的建模82-83
5.3 TD-SCDMA高功率放大器X参数模型的建立、仿真与验证83-89
5.3.1 仿真和验证的简化83
5.3.2 TD-SCDMA放大器X参数模型的建立83-84
5.3.3 仿真和验证的方法84-87
5.3.3.1 仿真方法介绍84
5.3.3.2 验证方法介绍84
5.3.3.3 仿真和验证用到源的介绍84-86
5.3.3.4 仿真和测试数据的后处理86-87
5.3.4 仿真和验证总结87-89
5.4 本章小结89-90
参考文献90-93
第六章共存问题的研究93-120
6.1 引言93-94
6.2 智能手机内共存问题分析和设计的归纳和总结94-101
6.2.1 共存问题示意框图94-95
6.2.2 共存问题干扰的耦合途径95
6.2.2.1 天线间的耦合95
6.2.2.2 共器件耦合95
6.2.3 共存问题分类95-97
6.2.3.1 发射机对接收机的干扰95-96
6.2.3.2 发射机间相互影响96-97
6.2.4 共存问题的分析步骤97
6.2.5 发射机产生干扰强度的获取97-99
6.2.5.1 近似计算97-98
6.2.5.2 X参数模型仿真98-99
6.2.5.3 干扰产物的直接测量99
6.2.6 共存问题的特点99-100
6.2.6.1 可预测性99-100
6.2.6.2 解决方法特殊100
6.2.7 共存问题的努力方向总结100-101
6.2.7.1 抑制干扰源100
6.2.7.2 减少干扰的耦合100-101
6.2.7.3 对接收机进行设计101
6.2.7.4 软件设计101
6.3 INTER-BAND载波聚合共存问题的分析和解决101-105
6.3.1 发射机对接收机干扰的分析和计算以及解决方案介绍101-103
6.3.2 发射机与发射机互调导致的问题103-105
6.3.2.1 分析、计算和确定103-104
6.3.2.2 gps和GLONASS受到干扰问题的解决方案总结104-105
6.3.2.3 LTE B1主接收机和MIMO接收机受到干扰问题解决方案总结105
6.4 SGLTE智能手机设计中共存问题的分析、设计和验证105-116
6.4.1 SGLTE同时工作的组合105-107
6.4.2 SGLTE智能手机射频实现方法原理框图107-108
6.4.3 发射机与发射机间的互调导致的问题的分析和解决108-109
6.4.4 发射机对接收机的干扰109-112
6.4.4.1 发射机有用信号对接收机的阻塞问题的分析、解决和验证110-112
6.4.5 CMCC DCS1800与TD-SCDMA/TDD-LTE B39共存时发射机对接收机干扰的解决和验证112-115
6.4.5.1 CMCC DCS1800发射机杂散对TD-SCDMA/TDD-LTE B39接收机干扰问题的解决和验证112-114
6.4.5.1.1 发射机杂散导致接收机Desense的分析和近似计算112-113
6.4.5.1.2 解决方案的设计113
6.4.5.1.3 验证113-114
6.4.5.2 TD-SCDMA/TDD-LTE B39发射机杂散对CMCC DCS1800接收机干扰问题的解决和验证114-115
6.4.6 TDD-LTE B40/41 与2.4G WLAN共存问题的分析和解决和验证115-116
6.5 本章小结116-117
参考文献117-120
第七章智能手机电路中干扰传导耦合的研究120-138
7.1 绪论120-121
7.2 共地阻抗耦合121-131
7.2.1 共地阻抗耦合的机理和导致的问题121-123
7.2.2 共地导体阻抗123-124
7.2.2.1 直流电阻123
7.2.2.2 低频阻抗123
7.2.2.3 高频阻抗123-124
7.2.3 部分电感基础介绍124-130
7.2.3.1 环路电感与部分电感的定义124-125
7.2.3.2 部分导体的部分电感导致的感性压降的计算和其与环路电感的关系125-127
7.2.3.3 PCB中导体高频部分电感数值计算介绍127-130
7.2.4 共地阻抗耦合的抑制130-131
7.2.4.1 器件布置和布线来避免共地阻抗耦合130-131
7.2.4.2 减少公共导体对于干扰电流的部分电感131
7.2.4.3 物理结构的设计来减少共地耦合131
7.3 共电源和控制网路耦合131-133
7.3.1 智能手机中常见的共网络耦合131-133
7.3.1.1 共电源网络的波动而导致的问题以及应对措施132-133
7.3.1.2 干扰通过共网路直接流经被干扰电路的介绍和应对措施133
7.4 共器件耦合133-136
7.4.1 Diplexer134-135
7.4.1.1 Diplexer在智能手机中的应用举例134
7.4.1.2 器件的选择和应用方法介绍134-135
7.4.2 Duplexer135-136
7.4.3 双刀双掷天线开关136
7.5 本章小结136-137
参考文献137-138
第八章传输线模型以及其在智能手机EMC分析和计算中应用的研究138-215
8.1 引言138-142
8.2 容性和感性耦合基础介绍142-145
8.2.1 容性耦合的电路分析142-143
8.2.1.1 减少耦合的方法143
8.2.1.2 屏蔽机理的分析143
8.2.2 感性耦合的电路分析143-145
8.2.2.1 减少耦合的方法144
8.2.2.2 磁感应屏蔽机理的分析144-145
8.3 传输线基础介绍145-162
8.3.1 传输线波动方程145-156
8.3.1.1 传输系统Maxwell方程介绍145-146
8.3.1.2 无耗传输线TEM波动求解146-148
8.3.1.3 无耗传输线全波求解148-149
8.3.1.4 有耗传输线全波的求解149-152
8.3.1.5 低损耗传输线的准TEM波求解152-154
8.3.1.6 本节小结154-156
8.3.2 传输线方程的求解156-162
8.3.2.1 等长多导体传输线方程生成156-157
8.3.2.2 双导体传输线方程及方程通解157-158
8.3.2.3 负载电流和电压确定的双导线传输线方程求解158-159
8.3.2.4 始端电流电压确定的双导线传输线方程求解159
8.3.2.5 始端电压源确定的双导线传输线方程求解159
8.3.2.6 受任意点电压源(U_S)激励的传输线电流和电压求解159-160
8.3.2.7 受任意点电流源(I_S)激励的传输线电流和电压求解160-161
8.3.2.8 受沿线均匀分布电压源激励的传输线电压和电流求解161-162
8.3.2.9 受沿线有均匀分布电流源激励的传输线电压和电流求解162
8.4 PCB走线受外界电磁场激励响应的分析和计算162-166
8.4.1 低频响应模型162-166
8.4.1.1 静电法的建立162-165
8.4.1.2 Taler模型到Agrawal模型[21]和Rachidi模型[23]的推导165
8.4.1.3 传输线方程的求解165-166
8.4.2 PCB走线束受外界高频干扰响应的分析和计算的介绍166
8.5 PCB走线束间相互耦合问题的分析和计算166-170
8.5.1 等长PCB双走线或走线束间相互耦合的分析和计算166
8.5.2 不等长双PCB走线间相互耦合的等效长度法166-170
8.5.2.1 不等长到等长的等效167-169
8.5.2.1.1 干扰走线长度大于相干长度167-168
8.5.2.1.2 被干扰线长度大于非相干线长度168-169
8.5.2.2 不相干部分走线沿线电压和电流的求解169-170
8.5.2.2.1 干扰线长度大于非相干线长度169
8.5.2.2.2 被干扰线长度大于非相干线长度169-170
8.5.3 双导线间弱耦合的积分求解法170
8.6 被干扰走线长度大于相干长度的不等长双PCB走线间容性和感性弱耦合问题的研究170-201
8.6.1 干扰走线沿线电压电流的表达式170-171
8.6.2 被干扰走线特性参数171
8.6.3 容性耦合沿线电压电流计算171-184
8.6.3.1 沿线电压电流的积分表达式171-173
8.6.3.1.1 始端微小电压和电流表示式171-172
8.6.3.1.2 被干扰走线沿线电压和电流的积分表达式172
8.6.3.1.3 干扰传播常数与被干扰传播常数关系的讨论172-173
8.6.3.2 干扰走线和被干扰走线传播常数相等173-178
8.6.3.2.1 沿线电压和电流的通用表达式求解173-175
8.6.3.2.2 被干扰电路均匹配和干扰电路负载匹配175-176
8.6.3.2.3 被干扰电路均匹配和干扰电路负载短路176-177
8.6.3.2.4 被干扰电路均匹配和干扰电路负载开路177-178
8.6.3.3 干扰走线和被干扰走线传播常数不相等178-184
8.6.3.3.1 沿线电压和电流的通用表达式178-180
8.6.3.3.2 干扰电路的传播常数为0180
8.6.3.3.3 被干扰电路均匹配和干扰电路负载匹配180-181
8.6.3.3.4 被干扰电路均匹配和干扰电路负载短路181-183
8.6.3.3.5 被干扰电路均匹配和干扰电路负载开路183-184
8.6.4 感性耦合沿线电压电流计算184-196
8.6.4.1 沿线电压电流的积分表达式184-186
8.6.4.1.1 始端细小电压和电流184-185
8.6.4.1.2 被干拢线沿线电压和电流的表达式185-186
8.6.4.2 沿线电压和电流的通用表达式186-189
8.6.4.3 干扰电路的传播常数为0189-190
8.6.4.4 被干扰电路均匹配和被干扰电路负载匹配190-192
8.6.4.5 被干扰电路均匹配和干扰电路负载短路192-194
8.6.4.6 被干扰电路均匹配和干扰电路负载开路194-196
8.6.5 端口耦合功率影响因素分析196-201
8.6.5.1 干扰走线影响函数的分析197-198
8.6.5.1.1 内阻影响函数197-198
8.6.5.1.2 抑制耦合的干扰走线设计198
8.6.5.2 频率和相干长度影响的分析198-201
8.7 本章小结201-203
参考文献203-205
附录1205-207
附录2207-209
附录3209-212
附录4212-215
第九章智能手机中非故意辐射的研究215-232
9.1 引言215-217
9.2 基础介绍217-218
9.2.1 电磁辐射基础介绍217-218
9.3 非有意辐射的分析、建模和抑制218-228
9.3.1 实际电流回路等效电路模型的建立218-219
9.3.2 理想回路等效电路模型、理想回路的辐射以及辐射的抑制219-221
9.3.2.1 理想回路及其辐射219-220
9.3.2.2 辐射的抑制和受外界干扰的抑制220-221
9.3.3 非理想回路等效电路模型、非理想回路的辐射以及辐射的抑制221-227
9.3.3.1 非理想回路1221-223
9.3.3.1.1 非理想回路以及其辐射222
9.3.3.1.2 辐射的抑制和受外界干扰的抑制222-223
9.3.3.2 非理想回路2223-225
9.3.3.2.1 非理想回路以及其辐射223-224
9.3.3.2.2 辐射的抑制和受外界干扰的抑制224-225
9.3.3.3 非理想回路3225-227
9.3.3.3.1 非理想回路以及其辐射225-226
9.3.3.3.2 辐射的抑制和受外界干扰的抑制226-227
9.3.4 差分回路辐射的分析和抑制227-228
9.3.5 智能手机非有意辐射部件辐射的分析和抑制228
9.4 非有意辐射的数值分析方法介绍228-229
9.5 辐射部件间的辐射耦合问题的介绍229
9.6 本章小结229-230
参考文献230-232
第十章智能手机中屏蔽罩导致的问题的研究232-247
10.1 引言232-233
10.2 屏蔽罩影响导致的CSE问题的分析和解决233-241
10.2.1 问题描述233-235
10.2.2 问题实验分析和解决235-240
10.2.2.1 实验设计235-236
10.2.2.2 实验结果236-239
10.2.2.3 实验结果分析和可行解决方案讨论239-240
10.2.3 小结240-241
10.2.3.1 分析和新解决该类问题方法的总结240-241
10.2.3.2 降低屏蔽罩导致问题风险的措施241
10.3 屏蔽罩对微带线影响的CST仿真分析241-246
10.3.1 屏蔽罩高度影响的分析241-243
10.3.1.1 窄微带线受屏蔽罩高度影响的分析242
10.3.1.2 宽微带线受屏蔽罩高度影响的仿真242-243
10.3.2 屏蔽罩墙与走线距离影响的分析243-244
10.3.3 微带线与屏蔽墙体相干长度影响的分析244-245
10.3.4 分析和结论245-246
10.4 本章小结246
参考文献246-247
第十一章总结和展望247-249
参考文献248-249
致谢249-250

wu68aq · 发表于 2018-12-19 10:45

看看隐藏的是什么

haiyun0921 · 发表于 2019-7-29 14:15

学习了

goodboyha · 发表于 2023-4-22 10:47

谢谢分享！！！！

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