中心議題：

• 圍繞蜂窩發(fā)射模塊討論有效的RF屏蔽方法

解決方案：

• 3G手機射頻屏蔽方案
• 采用RF3178 TxM對輻射進(jìn)行測試

蜂窩發(fā)射模塊對手機內的任何元件來(lái)說(shuō)都將產(chǎn)生最大的輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI.類(lèi)似這樣的問(wèn)題可以采用RF屏蔽技術(shù)來(lái)降低與EMI及射頻干擾（RFI）相關(guān)的輻射，并可將對外部磁場(chǎng)的敏感度降至最低。那么，什么樣的屏蔽設計方法具有最佳效率呢？這個(gè)由三部分組成的系列文章圍繞當今蜂窩發(fā)射模塊來(lái)討論有效的RF屏蔽方法?！?br />
近年來(lái)，手機在形態(tài)、功能、性能和成本方面都發(fā)生了巨大變化。不斷演進(jìn)的新技術(shù)催生出更小、更高能效和高度集成的半導體器件，從而不斷孕育出集成度更高的便攜（移動(dòng)）手機產(chǎn)品。運營(yíng)商在提供額外的諸如短信服務(wù)（SMS）、多媒體（MMS）和GPS等服務(wù)，而制造商為移動(dòng)蜂窩手機增加了諸如FM射頻等輔助無(wú)線(xiàn)功能、以及MP3播放機和數碼照相機等其它功能。實(shí)現全部這些特性所要求的外形和體積對手機設計師和硬件工程師提出了相當挑戰?！　?br />
因此，工作在印刷線(xiàn)路板（PCB）級的手機設計師遭遇到諸如集成器件間的耦合、線(xiàn)耦合和交叉干擾等不期望發(fā)生的核心問(wèn)題。而所有這些問(wèn)題又導致了更多的設計返工、手機外形間缺少通用性以及被延長(cháng)的設計周期，而上述這些又都增加了手機開(kāi)發(fā)成本。在當今競爭激烈的市場(chǎng)壓力條件下，這些因素對移動(dòng)手機制造商和研制它們的設計師的成功來(lái)說(shuō)，發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用?！　?br />
在手機設計早期就確認可有助于解決這些核心問(wèn)題的一個(gè)領(lǐng)域是廣為采用的屏蔽。屏蔽減小了電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）、極大削弱了不希望的輻射、緩解了它引發(fā)的災難。目前，屏蔽與RF頻率如影隨形，因全部RF通信標準都有某種要求把不期望輻射最小化的規定?！　?br />
屏蔽的效能由它在一個(gè)寬的頻譜范圍內，能多大程度上衰減輻射信號來(lái)表征。例如，一個(gè)帶活動(dòng)蓋的金屬“容器”可構成一個(gè)屏蔽，或容器本身可直接固焊在PCB上。采用蓋結構對調節很有用，所以常被用在電視調諧器等應用，但該屏蔽的效能高度依賴(lài)蓋和容器間的電氣連接。它以RF屏蔽所根據的基本概念為基礎：時(shí)變電磁場(chǎng)（EM）會(huì )在導體內環(huán)繞場(chǎng)線(xiàn)感應出電流。所以，完美導體內的感應電流會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與誘發(fā)場(chǎng)相反的EM場(chǎng)，從而使導體內的場(chǎng)線(xiàn)抵消。因此，屏蔽上過(guò)多的孔洞、槽溝和開(kāi)口會(huì )降低屏蔽效能，這是因感應電流只能在導體上存在自由電子的部位流動(dòng)。導體（容器）上的開(kāi)口意味著(zhù)該處沒(méi)有自由電子，它會(huì )導致電流尋找沿著(zhù)開(kāi)口處的其它途徑流動(dòng)，從而使感應場(chǎng)無(wú)法完全抵消誘發(fā)場(chǎng)。表皮深度是另一個(gè)重要因素，它由EM波穿透傳導膜的能力決定。特別是當低頻具有特別重要性時(shí)，為有效屏蔽輻射的RF信號，會(huì )需要一個(gè)更厚的膜?！　?br />
本討論中，與屏蔽相關(guān)的重點(diǎn)將圍繞當今手機設計中一個(gè)通用的RF半導體元件——蜂窩發(fā)射模塊（TxM）展開(kāi)。簡(jiǎn)言之，TxM是由在一種類(lèi)似PCB的基板上固放上裸片和無(wú)源器件構成的。然后將該組件進(jìn)行包注模（overmolded）處理，之后它就可被固焊在手機PCB上。因它對手機內的任何元件來(lái)說(shuō)都產(chǎn)生最大的輻射功率，進(jìn)而極有可能誘發(fā)EMI和RFI，所以該例子特別有用。另外，整體上，TxM與矩形波導的尺度類(lèi)似，根據Pozar[1]，矩形波導的截至頻率為：

其中，“m”和“n”代表模式，“μ”和“e”分別代表滲透率和介電常數，等式1表示：若尺寸“a”大于“b”，則主導模式是TE10.因此，等式1重寫(xiě)為：
　　
其中：“c”是光速：“E1”代表相對介電常數：“μr”是相對滲透率：“a”是開(kāi)口?！　?br />
等式2指出，如我們預期的，截至頻率隨開(kāi)口“a”尺寸的縮小而增加。當屏蔽上有若干開(kāi)口時(shí)，方程式會(huì )變得更復雜，從而進(jìn)一步強調了完全沒(méi)有開(kāi)口的重要性?！　?br />
金屬屏蔽容器繼續被用來(lái)從外部對TxM和手機的RF部分實(shí)施屏蔽；但最近有一種在TxM內部進(jìn)行嵌入式屏蔽的趨勢。僅就TxM屏蔽來(lái)說(shuō)，已開(kāi)發(fā)出若干對TxM進(jìn)行屏蔽的方法。方法之一是采用一個(gè)簡(jiǎn)單金屬容器構成的嵌入式屏蔽，但該方法要求在容器上開(kāi)多個(gè)孔以允許注模填料（mold compound）容易地流灌整個(gè)模塊，這是模塊化組裝所必需的。但根據本文前述的波導理論，屏蔽效能不僅與屏蔽上開(kāi)口尺寸也與開(kāi)口數有關(guān)，開(kāi)孔越大、數越多則效能降低得越厲害?！　?br />
RFMD開(kāi)發(fā)出一種已申請了專(zhuān)利的MicroShield集成RF屏蔽替代技術(shù)。該集成屏蔽把在一個(gè)封裝好的半導體注模填料的外部再包裹上一層薄金屬作為整個(gè)組裝工藝的最后步驟。采用這種技術(shù)實(shí)現的屏蔽對模組高度的影響微乎其微且在降低EMI和RFI輻射的生產(chǎn)中可重復進(jìn)行。
為確證MicroShield技術(shù)的超卓能效，在一個(gè)測試載體上，采用RF3178 TxM對輻射進(jìn)行了測試（圖1）?！　?br />  

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測試結果清楚表明，兩種屏蔽技術(shù)在性能上差別顯著(zhù)：MicroShield明顯優(yōu)于嵌入式屏蔽技術(shù)。平均看，在輻射衰減方面，MicroShield集成RF屏蔽技術(shù)比嵌入式技術(shù)優(yōu)于15dB.　　

但作為T(mén)xM設計師來(lái)說(shuō)，取得這些結果并非唾手可得之事。從TxM設計角度看，添加屏蔽給設計師帶來(lái)若干問(wèn)題。首先，緊挨著(zhù)的屏蔽和電磁輻射電路改變了頻率響應，其頻響不再與“素顏（未模封）”、完全調整好的TxM一致，從而改變了屏蔽后電路的性能。特別是在更高頻率可更好地觀(guān)察到這些效應。這樣，當增加屏蔽時(shí)，建模和EM模擬對確保好結果具有極其重要的意義?！　?br />
因3D EM模擬會(huì )很耗時(shí)，所以根據電路的復雜性以及需提供足夠精度的四面體元件的數量，先從一個(gè)不太復雜的電路著(zhù)手并確認其具有重要性的關(guān)鍵部分的作法就功不唐捐了。例如，根據場(chǎng)論不難得出：兩條載場(chǎng)信號線(xiàn)挨得越近，就越趨向于產(chǎn)生更大耦合。這些信號線(xiàn)載負著(zhù)時(shí)變電荷，這些電荷業(yè)已嵌入在基板內并被諸如地平面等金屬裹覆起來(lái)，所以，當施加外屏蔽時(shí)，實(shí)質(zhì)上不會(huì )在場(chǎng)線(xiàn)上表現出額外干擾。只有信號線(xiàn)、元件或線(xiàn)綁定才在其各自場(chǎng)線(xiàn)面臨顯著(zhù)變化，因這些元素暴露在空氣中或被包注模以作為邊界條件?！　?br />  

圖2顯示的是具有包注模TxM的功放部分的輸出匹配，它有兩種情況：不帶屏蔽以及在包注模上施加屏蔽。該雙端口模擬是采用Ansoft的3D EM軟件工具HFSS實(shí)現的?！　?br />
輸出匹配雖然僅表示整個(gè)TxM內無(wú)源電路的一小部分，但在確定耦合機理和高階諧波影響方面仍有效用?！　?br />
第二個(gè)關(guān)注的地方是微帶線(xiàn)附近的場(chǎng)線(xiàn)，在靠近地平面的地方它們最強。只要屏蔽和地平面間的距離明顯大于微帶線(xiàn)和地平面間的距離，則增加的屏蔽的效用就微乎其微。線(xiàn)綁定和表貼電感與地平面的直接耦合要弱些，當施加屏蔽時(shí)，預期其場(chǎng)線(xiàn)會(huì )有變化。圖3顯示的是3D模擬的E場(chǎng)分布。