基于3G手機(jī)的蜂窩發(fā)射模塊RF屏蔽設(shè)計

蜂窩發(fā)射模塊對手機(jī)內(nèi)的任何元件來說都將產(chǎn)生最大的輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI。類似這樣的問題可以采用RF屏蔽技術(shù)來降低與EMI及射頻干擾(RFI)相關(guān)的輻射，并可將對外部磁場的敏感度降至最低。那么，什么樣的屏蔽設(shè)計方法具有最佳效率呢？這個由三部分組成的系列文章圍繞當(dāng)今蜂窩發(fā)射模塊來討論有效的RF屏蔽方法。

近年來，手機(jī)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(dǎo)體器件，從而不斷孕育出集成度更高的便攜(移動)手機(jī)產(chǎn)品。運(yùn)營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)，而制造商為移動蜂窩手機(jī)增加了諸如FM射頻等輔助無線功能、以及MP3播放機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等其它功能。實(shí)現(xiàn)全部這些特性所要求的外形和體積對手機(jī)設(shè)計師和硬件工程師提出了相當(dāng)挑戰(zhàn)。

因此，工作在印刷線路板(PCB)級的手機(jī)設(shè)計師遭遇到諸如集成器件間的耦合、線耦合和交叉干擾等不期望發(fā)生的核心問題。而所有這些問題又導(dǎo)致了更多的設(shè)計返工、手機(jī)外形間缺少通用性以及被延長的設(shè)計周期，而上述這些又都增加了手機(jī)開發(fā)成本。在當(dāng)今競爭激烈的市場壓力條件下，這些因素對移動手機(jī)制造商和研制它們的設(shè)計師的成功來說，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

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在手機(jī)設(shè)計早期就確認(rèn)可有助于解決這些核心問題的一個領(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(zāi)難。目前，屏蔽與RF頻率如影隨形，因全部RF通信標(biāo)準(zhǔn)都有某種要求把不期望輻射最小化的規(guī)定。

屏蔽的效能由它在一個寬的頻譜范圍內(nèi)，能多大程度上衰減輻射信號來表征。例如，一個帶活動蓋的金屬“容器”可構(gòu)成一個屏蔽，或容器本身可直接固焊在PCB上。采用蓋結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)很有用，所以常被用在電視調(diào)諧器等應(yīng)用，但該屏蔽的效能高度依賴蓋和容器間的電氣連接。它以RF屏蔽所根據(jù)的基本概念為基礎(chǔ)：時變電磁場(EM)會在導(dǎo)體內(nèi)環(huán)繞場線感應(yīng)出電流。所以，完美導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流會產(chǎn)生一個與誘發(fā)場相反的EM場，從而使導(dǎo)體內(nèi)的場線抵消。因此，屏蔽上過多的孔洞、槽溝和開口會降低屏蔽效能，這是因感應(yīng)電流只能在導(dǎo)體上存在自由電子的部位流動。導(dǎo)體(容器)上的開口意味著該處沒有自由電子，它會導(dǎo)致電流尋找沿著開口處的其它途徑流動，從而使感應(yīng)場無法完全抵消誘發(fā)場。表皮深度是另一個重要因素，它由EM波穿透傳導(dǎo)膜的能力決定。特別是當(dāng)?shù)皖l具有特別重要性時，為有效屏蔽輻射的RF信號，會需要一個更厚的膜。

本討論中，與屏蔽相關(guān)的重點(diǎn)將圍繞當(dāng)今手機(jī)設(shè)計中一個通用的RF半導(dǎo)體元件——蜂窩發(fā)射模塊(TxM)展開。簡言之，TxM是由在一種類似PCB的基板上固放上裸片和無源器件構(gòu)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(jī)PCB上。因它對手機(jī)內(nèi)的任何元件來說都產(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(dǎo)的尺度類似，根據(jù)Pozar[1]，矩形波導(dǎo)的截至頻率為：

......1

其中，“m”和“n”代表模式，“μ”和“e”分別代表滲透率和介電常數(shù)，等式1表示：若尺寸“a”大于“b”，則主導(dǎo)模式是TE10。因此，等式1重寫為：

......2

其中：“c”是光速；“E1”代表相對介電常數(shù)；“μr”是相對滲透率；“a”是開口。

等式2指出，如我們預(yù)期的，截至頻率隨開口“a”尺寸的縮小而增加。當(dāng)屏蔽上有若干開口時，方程式會變得更復(fù)雜，從而進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了完全沒有開口的重要性。

金屬屏蔽容器繼續(xù)被用來從外部對TxM和手機(jī)的RF部分實(shí)施屏蔽；但最近有一種在TxM內(nèi)部進(jìn)行嵌入式屏蔽的趨勢。僅就TxM屏蔽來說，已開發(fā)出若干對TxM進(jìn)行屏蔽的方法。方法之一是采用一個簡單金屬容器構(gòu)成的嵌入式屏蔽，但該方法要求在容器上開多個孔以允許注模填料(mold compound)容易地流灌整個模塊，這是模塊化組裝所必需的。但根據(jù)本文前述的波導(dǎo)理論，屏蔽效能不僅與屏蔽上開口尺寸也與開口數(shù)有關(guān)，開孔越大、數(shù)越多則效能降低得越厲害。

RFMD開發(fā)出一種已申請了專利的MicroShield集成RF屏蔽替代技術(shù)。該集成屏蔽把在一個封裝好的半導(dǎo)體注模填料的外部再包裹上一層薄金屬作為整個組裝工藝的最后步驟。采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(fù)進(jìn)行。

為確證MicroShield技術(shù)的超卓能效，在一個測試載體上，采用RF3178 TxM對輻射進(jìn)行了測試(圖1)。

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圖1、實(shí)用的高性能RFID接收器架構(gòu)