射頻芯片輻射發(fā)射測(cè)試方法

摘??要：產(chǎn)品的電磁兼容性是工程設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段必須考慮的問題，它不僅影響產(chǎn)品的性能，同時(shí)影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性。本文針對(duì)一TSV轉(zhuǎn)接板及其芯片，使用Ansys的HFSS、Designer組件對(duì)其不同位置處的頻譜曲線及場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，并使用電場(chǎng)探頭及頻譜儀對(duì)轉(zhuǎn)接板及芯片的頻譜曲線及場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，最后將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真方法的可行性。

?0?引言

隨著集成電路（IC）工藝尺寸日益變小，以及工作頻率的日益提高，集成電路的電磁兼容性越來越突出。電磁騷擾小的集成電路更有利于整機(jī)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)，可以減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，節(jié)約濾波、屏蔽等措施的費(fèi)用。因此，開展集成電路的電磁兼容仿真和測(cè)試能為電路的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)指南，節(jié)約最終產(chǎn)品的成本。越來越多的電路設(shè)計(jì)人員和應(yīng)用人員開展集成電路的電磁兼容仿真和測(cè)試的研究，電磁兼容性已經(jīng)成為衡量集成電路性能的又一重要技術(shù)指標(biāo)[1]?。

電磁兼容（EMC）是指電氣和電子系統(tǒng)、設(shè)備和裝置，在設(shè)定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設(shè)計(jì)的等級(jí)或性能運(yùn)行，而不會(huì)由于電磁干擾引起損壞的能力。在電磁兼容性能的實(shí)際測(cè)試中[2]，設(shè)備的輻射發(fā)射是最容易超標(biāo)的項(xiàng)目，相較于在暗室對(duì)實(shí)物進(jìn)行輻射發(fā)射性能測(cè)試而言，仿真方法就顯得更加便捷且節(jié)省成本。電磁兼容仿真是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期階段，借助于電磁仿真軟件對(duì)電子元件、線纜、PCB板乃至整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容的建模與分析[3] [4] [5]。電磁兼容仿真能夠幫助設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容問題并大致“定位”出現(xiàn)問題的位置和頻段，并將仿真結(jié)果可視化。因此，電磁兼容仿真越來越受到工程人員的重視[6] [7]。

本文探討一種射頻芯片輻射發(fā)射的仿真及實(shí)測(cè)方法?；贖FSS、Designer兩款仿真軟件，建立PCB板、關(guān)鍵器件及關(guān)鍵芯片的仿真模型，本文使用的模型為TSV轉(zhuǎn)接板[8] [9] [10]。結(jié)合外電路提供的激勵(lì)源，通過仿真運(yùn)算獲取轉(zhuǎn)接板及其芯片輻射發(fā)射的場(chǎng)分布結(jié)果。同時(shí)，參考集成電路電磁兼容的測(cè)試方法，使用場(chǎng)強(qiáng)探頭獲取轉(zhuǎn)接板及芯片輻射發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)分布情況。通過對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的場(chǎng)分布結(jié)果，優(yōu)化仿真模型，提高仿真結(jié)果的精確度，形成可靠準(zhǔn)確的可用于多數(shù)射頻芯片輻射發(fā)射仿真分析的方法。

1?模型概述

在三維結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS中搭建TSV轉(zhuǎn)接板的模型結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示，圖（a）為機(jī)械殼體，材質(zhì)是銅，尺寸為60mm×60mm×5mm，在連接SMA接頭的位置高度上有5mm的凸起；圖（b）是微帶線模型；圖（c）是PCB測(cè)試基板。微帶線和PCB板都是三層結(jié)構(gòu)，二者材質(zhì)與厚度相同，表面鍍金，其材料和模型參數(shù)如表1-1所示。確定PCB的板材、介質(zhì)層厚度、微帶線寬度、微帶線長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，建立TSV芯片結(jié)構(gòu)，并在芯片的輸入輸出端口處添加lumped port，以便連接相應(yīng)器件以及關(guān)鍵源，求解頻率設(shè)置為0.1GHz-6GHz。

（a）機(jī)械殼體? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

（b）微帶線模型

（c）PCB測(cè)試基板

圖1-1 TSV轉(zhuǎn)接板裝配模型示意圖

表1-1?PCB的材料和模型參數(shù)

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以上為本仿真工作中涉及到的轉(zhuǎn)接板模型，下面介紹使用HFSS、Designer兩款軟件聯(lián)合仿真轉(zhuǎn)接板及其芯片輻射發(fā)射特性的方法。

2?HFSS-Designer協(xié)同仿真方法

在HFSS中對(duì)圖1-1的轉(zhuǎn)接板模型進(jìn)行仿真，仿真完成后，把模型動(dòng)態(tài)鏈接到Designer中，根據(jù)轉(zhuǎn)接板實(shí)際的電路連接，在端口處添加相應(yīng)器件以及外電路提供的激勵(lì)源，激勵(lì)源的輸入頻率為3GHz，功率為10dBm，負(fù)載端接50Ω端接電阻。圖2-1為轉(zhuǎn)接板在designer中的仿真電路圖，在電路中設(shè)置線性網(wǎng)絡(luò)仿真，求解頻率從0.1GHz到6GHz，之后進(jìn)行電路仿真，仿真完成后，同樣使用動(dòng)態(tài)鏈接的方法，把端口處的電壓電流波形反推回到HFSS中，在HFSS中對(duì)圖2-2所示的五個(gè)位置點(diǎn)（距離模型2mm）的頻譜曲線以及模型上方2mm處的電場(chǎng)分布圖進(jìn)行仿真。

圖2-1?轉(zhuǎn)接板仿真電路圖

圖2-2頻譜曲線的位置示意圖

3?射頻芯片輻射發(fā)射測(cè)試方法

3.1?測(cè)試布置

測(cè)試用到的儀器主要有直流源、信號(hào)源、頻譜儀、近場(chǎng)探頭、30dB放大器，使用直流10.5V的電壓給轉(zhuǎn)接板供電，用信號(hào)源提供輸入頻率為3GHz、輸入功率為10dBm的輸入信號(hào)。設(shè)備連接圖如圖3-1所示，具體實(shí)驗(yàn)室布置如圖3-2所示，我們?cè)谵D(zhuǎn)接板表面均勻地取49個(gè)點(diǎn)，并將近場(chǎng)探頭手動(dòng)置于這些點(diǎn)上方（近場(chǎng)探頭絕緣層厚度約2mm），記錄每個(gè)點(diǎn)在頻譜儀上顯示的頻譜曲線，然后將這些頻譜曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)接板上的場(chǎng)強(qiáng)分布圖。

圖3-1設(shè)備連接圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

圖3-2測(cè)試布置圖

3.2?測(cè)試數(shù)據(jù)處理

在使用電場(chǎng)探頭測(cè)試時(shí)，頻譜儀或接收機(jī)測(cè)得的功率值（dBm）與電壓（dBuV）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

或

已知接收機(jī)電壓時(shí)，使用107算法；已知接收機(jī)天線感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，使用113算法。而在實(shí)測(cè)時(shí)，頻譜儀接收的數(shù)據(jù)為場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)到的數(shù)據(jù)，故使用113算法進(jìn)行換算。

同時(shí)，在測(cè)試中我們?yōu)榱朔乐剐盘?hào)被底噪淹沒，會(huì)在探頭與頻譜儀之間接30dB放大器，所以dBm與dBuV實(shí)測(cè)換算關(guān)系為：

根據(jù)113算法將功率值轉(zhuǎn)換為電壓值之后，仍需要將電壓值轉(zhuǎn)換為場(chǎng)強(qiáng)值。

設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E（uV/m），則增益為G（真值）的天線有效長(zhǎng)度為：

則感應(yīng)電壓V可由下式給出：

Z0是饋電電纜的特性阻抗，Zr是天線的阻抗，這里均取50Ω。根據(jù)上式，dBuV/m與dBuV之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

即：

?4?仿真實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

將實(shí)測(cè)得到的轉(zhuǎn)接板不同位置的功率值根據(jù)第三節(jié)的轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為場(chǎng)強(qiáng)值后，在matlab中輸入芯片不同點(diǎn)的位置坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值，利用pcolor函數(shù)繪制場(chǎng)強(qiáng)分布圖。然后將仿真得到的圖2-2中a-e五個(gè)位置處的頻譜曲線及場(chǎng)強(qiáng)分布圖與實(shí)測(cè)得到的頻譜曲線和場(chǎng)強(qiáng)分布圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4-1、圖4-2所示。

(a)?仿真a點(diǎn)頻譜曲線????????????????????

(b)?實(shí)測(cè)a點(diǎn)頻譜曲線

(c)?仿真b點(diǎn)頻譜曲線??????????????????

(d)?實(shí)測(cè)b點(diǎn)頻譜曲線?

(e)?仿真c點(diǎn)頻譜曲線????????????????????

(f)?實(shí)測(cè)c點(diǎn)頻譜曲線

(g)?仿真d點(diǎn)頻譜曲線????????????????????

(h)?實(shí)測(cè)d點(diǎn)頻譜曲線

(i)?仿真e點(diǎn)頻譜曲線??? ? ? ? ? ? ? ? ???

(j)?實(shí)測(cè)e點(diǎn)頻譜曲線

圖4-1不同點(diǎn)的仿真與實(shí)測(cè)頻譜曲線

(a)仿真電場(chǎng)分布圖????????????????????????

(b)實(shí)測(cè)電場(chǎng)分布圖

圖4-2?3GHz頻率下仿真與實(shí)測(cè)場(chǎng)分布圖

對(duì)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

1）仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較好，證明仿真方法的可行性；

2）與實(shí)測(cè)方法相比，仿真方法無法預(yù)測(cè)到諧波以及一些雜波的存在；

3）測(cè)試時(shí)，頻譜儀的讀數(shù)可能會(huì)隨近場(chǎng)探頭位置以及角度的變化發(fā)生輕微偏移，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差。

5?結(jié)論

本文使用HFSS、Designer兩款仿真軟件對(duì)TSV轉(zhuǎn)接板及其芯片的輻射發(fā)射進(jìn)行場(chǎng)-路協(xié)同分析，仿真獲取了轉(zhuǎn)接板不同位置的頻譜曲線及電場(chǎng)分布圖，同時(shí)又通過實(shí)測(cè)的方法獲取了TSV轉(zhuǎn)接板不同位置的頻譜曲線及電場(chǎng)分布圖，并將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真方法的可行性。本文探討的仿真方法和測(cè)試方法可應(yīng)用到類似產(chǎn)品的仿真及實(shí)測(cè)中。

　　審核編輯：湯梓紅