近场分析在EMC领域的应用

关键词： EMC , 近场分析

胡衡毅：大家好！我是村田电子的EMC工程师，我将利用这次机会和大家一起讨论一下近场分析在EMC的应用，我相信对于EMC大家已经有一定的了解，随着数字化的发展，我们越来越多的数字设备被应用在电磁环境当中，我们国家对EMC的执行标准也越来越严格，在这样的情况下，我们不得不去面对和解决这样的问题，那在面对和解决这样的问题，我们首先要使得电磁波这样看不见摸不到的东西变的直观，今天我就会介绍一种方法，如何使这些电磁波变得直观，那就是近场分析。
   
首先我会介绍一下EMC的状况，这样可以使大家更好的了解近场分析的必要性，第二个我们会介绍一下EMC近场分析的设备和方法。我们会在第三部分举一些实际的案例分析。最后我们会做一个总结，来更好的回顾这些内容。
   
首先我们来看一下关于EMC研究的状况，我们也知道越来越多的数字设备进入到我们的生活当中，这些数字设备对于整个环境来说都是一个噪声源，这些噪声源他们是互相影响的，在这样的情况下，电磁环境就变得相当复杂，在这些噪声源还没有完全解决的时候，我们还面临内部噪声的问题，关于内部噪声的问题我们选出了笔记本和手机，笔记本电脑我们都知道里面有很多的数字电路模块，这些数字电路模块扮演了我们前面所提到的一个一个数码产品，无疑是一个干扰源，同时我们对于无线的需求，越来越多的无线通讯设备被集成在电路当中，我们看一下手机，手机原来是一个通讯设备，主要的功能是通讯，有手机通讯和GPS的功能，随着我们对掌上功能的追求，越来越多的芯片被集成，甚至我们对分辨率的要求提高，造成越来越多的噪声源集成手机当中，这样就造成数码产品的内部电磁环境变得越来越复杂，由于射频元器件都有天线，我们整个内部环境就变得相当的麻烦，不容易解决。这样的问题，我们称之为系统内部的EMC的问题，由于内部的天线接收到这种噪声，天线接收信号并不会去区分是有用信号还是无用信号，当这些噪音声量变高，会造我们接受的灵敏度比较低，造成我们无线设备的无法连接，这就是我们提到的系统内部的EMC问题的原理。
   
我们在了解了EMC内部系统原理之后，我们来看一下另外一个重要的问题，关于这个内部系统它的噪声能量有多强，我们可以看到我们的数字电视信号是在 -105到-170之间，我们是需要另外一种方式去监测这些噪声，接下来我们就介绍这样一种方法，近场测量法。
   
首先我们会利用这样一个磁场探头，采集到磁场能量，我们通过磁场探头采集到的能量，由于我们知道现在的集成度非常高，走线与走线的距离和器件和器件的距离非常近，我们为了避免串扰到我们的探头，我们选择了比较好的探头保持准确的精确度，为了取得最大的磁通量，我们就会旋转探头来达到这样的目的，对于这样一个方法，大家有的时候可能会疑惑，我们为什么没有选择电场探头，而是选择磁场探头，电场探头不可避免会影响我们电场的方向，会影响我们的测量结果。这里来看一下，这是我们的测试结果，我们通过不同的颜色来表示不同的能量等级，我们在看右边这张图相比这两张图我们很容易找到红色的区域，这样可以找出噪声源，红色区域是我们的IC区域，通过对比我们就可以很容易得出一些分析结果，这就是我们利用近场分析做的一些测试和结果。
   
接下来就是第三部分，关于第三部分是我们会比较直接的介绍一下实际的案例，利用这些案例向大家说明我们如何利用近场分析来解决这些问题。首先来看我们会先介绍手机灵敏度，现在主要是关于手机当中一个问题，我们手机集成了很多IS的信号和设备，不单单是传统的，还有数字电视，这样的情况就造成一个情况，我使用的RF频段也越来越宽，可能会从400多兆一直覆盖到2.4G，这样的情况同样还有一个问题，就是我们的噪声源，我们越来越多的数码娱乐集成了更多的噪声源，比如说这里的控制芯片，还有摄象头模块，而这些模块由于我们对数据的快速处理，它所产生的噪声谐波范围也越来越宽广，产生内部系统噪声灵敏度下降的问题。在介绍手机灵敏度之前，先介绍一下我们做这样分析的流程是什么样的，我们看一下这张图，我们首先会测试一下手机灵敏度的状况，我们推荐的一个模式，这种模式就是要把所有的功能模块都打开，这样可以取得最差的一个状况从而进行分析，因为我们知道单单只是打手机的状况下和打开其他模块的设备的情况下是不一样的，初始环境之后我们进行近场分析，我们可以得到这样一个分布图，通过这样一张图我们就可以更好更快的找出有效抑制噪声的方法，找出方法之后，我们可以再次进行验证，这是一个实际案例，我们通过抑制噪声从而提高了灵敏度，红线是之前的情况，黑线是之后的结果。

接下来我们会介绍一个实际的案例，我们选择的是日本CDMA的手机，我们选择软排线，我们针对这样一个情况进行了一个分析，这边是我们的分析测试结果，我们可以看到最原始的状况下，我们选择了待机测试状态，灵敏度还是非常优质的，通过近场分析，我们可以看到整个是蓝色，造成整个噪声能量等级都很低，在这样的情况下我们打开摄象头，我们发现灵敏度降低了5个DB，我们看到这个区域相对应的是一个区域和软排线区域， 我们可以看到整个噪声能量等级已经比前面高很多，这就证明了在这个范围之内存在着噪声，而我们对比这两个结果，很明显噪声对我们的灵敏度有一定的影响，还有需要打开前面所有的功能模块，这就是为什么打开所有的工作模块才能发现问题所在。针对这样的情况，我们导入了一个滤波器，在加入这个接口处之后，我们可以看到红色的区域被有效的遏制住，意味着我们的噪声能量等级下降了，同时我们再进行一个灵敏度的测试，我们的灵敏度相比在没有滤波器的情况下，我们的灵敏度提高了3个dB。
   
这里是我之前提到的一个RF的滤波器，这个案例所涉及的范围是数据线，对于数据线上的滤波，我们要关注两大点，一个是信号的完整性和抑制，为了保证有良好的信号完整性，我们就选择了LC的滤波器，我们可以保证我们信号良好的通过，而信号被很好的滤除。

首先我们会做一个关于数据上的分析，大家知道因为高速信号的应用越来越多，同时我们的差分信号也被应用越来越多，我们还是会遇到很多噪声的问题，这些问题产生的问题就是共模噪声，在这里 我们就做了一块分析板，这是一个发射端的IC还有一个接收端的IC。

我们可以来看一下，这里是我们的分析和测试的结果，我们看一下原始的情况，我们没有加入任何的滤波器，我们可能在右侧有很明显的红色区域，意味着我们这块地方含有噪声，同时我们数据线上的能量等级也是相当高的，在这样的情况下我们导入了一个共模扼流线圈，我们可以看到对比原始的状态，我们在使用滤波器后噪音得到了很好的抑制，同时在红色区域也得到明显的减少，我们的噪音不再传播在我们的接受端，通过这样的近场分析，我们可以清晰的感受到滤波器对于噪音滤除的效果。在这里我们之前提到的是使用共模扼流线圈，我们使用的是差分信号线，共模扼流线圈可以有效的滤除噪音，保留信号，由于我们知道差分走线的时候，我们这边会提供一个共模扼流线圈排这样的产品，可以更好的减少面积。这是数据上的分析，然后我们会介绍一下关于电源板上的噪音分析。
   
我们知道DC-DC现在被广泛应用在数字电视当中，它也是很大的噪音源，会影响到手机的接受，我们可以看到DC-DC会产生一些尖峰噪声通过地耦合到整个板上去，针对这样的噪声问题，大家也有解决方案，这是模拟了手机的状态，我们加入了DC-DC的模块，我们可以来看一下，这是我们的分析和测试结果，这边我们是使用了陶瓷电容作为滤波，这边是使用三端子电容作为滤波，我们对比可以看到DC-DC的噪声通过地，就意味着通过DC-DC噪音通过地传播到整个板上，  这个近场分析就很明显显示了这个效果，黄色区域面积基本上没有，意味着我们的传导路径被很好的切断，这个案例分析了DC-DC转化器噪音的解决方案。这边的话是我们前面提到使用三端子电容的情况，我们可以从这张图可以看到，三端子电容会比陶瓷电容有很好的表现效果，这就是在DC-DC端滤波效果更好的原因所在。

接下来我们将会看一下近场分析，和远场分析相结合的分析方法，我们这里是使用辐射噪声进行分析，电波暗室当中有一些缺陷是不可避免的，首先是我们可能只能得到一张频谱图，还有我们受限于时间和资源的限制。我们找到了近场分析比较好的分析方式，去弥补这样的缺陷，接下来我们就看一下，这是一个回路，我们先使用近场分析测量这方面的情况，我们可以看到在这些数据线上存在着噪声，就意味着噪声通过这个接口，以软排线进行辐射，我们很容易找到噪声的辐射途径和耦合途径，我们这边使用的还是差分信号，我们还是使用共模扼流线圈，然后我们可以很明显的发现软排线对于软排线的情况，红色区域明显的减少，就意味这我们的噪声很好的被抑制，在这种情况下，我们可以看到一些我们平时做其他实验，做电波暗室很难得到的效果。完成了近场分析之后，我们还是要进行电波暗室，我们可以看到相比前面的结果，我们近场分析也是显示了很好的抑制效果，那么在远场我们也看到整个辐射噪声被降低了，另外近场的数据和远场数据我们不能只给作为数字对比，因为大家采用的方法是不一样的...