蜂窩發(fā)射模塊的RF屏蔽設計

蜂窩發(fā)射模塊對手機內的任何元件來說都將產生最大的輻射功率，從而可能誘發(fā)EMI和RFI。類似這樣的問題可以采用RF屏蔽技術來降低與EMI及射頻干擾(RFI)相關的輻射，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今蜂窩發(fā)射模塊來討論有效的RF屏蔽方法。

近年來，手機在形態(tài)、功能、性能和成本方面都發(fā)生了巨大變化。不斷演進的新技術催生出更小、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)手機產品。

運營商在提供額外的諸如短信服務(SMS)、多媒體(MMS)和GPS等服務，而制造商為移動蜂窩手機增加了諸如FM射頻等輔助無線功能、以及MP3播放機和數碼照相機等其它功能。實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(zhàn)。

因此，工作在印刷線路板(PCB)級的手機設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致了更多的設計返工、手機外形間缺少通用性以及被延長的設計周期，而上述這些又都增加了手機開發(fā)成本。

在當今競爭激烈的市場壓力條件下，這些因素對移動手機制造商和研制它們的設計師的成功來說，發(fā)揮著關鍵作用。

在手機設計早期就確認可有助于解決這些核心問題的一個領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(guī)定。

屏蔽的效能由它在一個寬的頻譜范圍內，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”可構成一個屏蔽，或容器本身可直接固焊在PCB上。采用蓋結構對調節(jié)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：時變電磁場(EM)會在導體內環(huán)繞場線感應出電流。所以，完美導體內的感應電流會產生一個與誘發(fā)場相反的EM場，從而使導體內的場線抵消。

因此，屏蔽上過多的孔洞、槽溝和開口會降低屏蔽效能，這是因感應電流只能在導體上存在自由電子的部位流動。導體(容器)上的開口意味著該處沒有自由電子，它會導致電流尋找沿著開口處的其它途徑流動，從而使感應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波穿透傳導膜的能力決定。特別是當低頻具有特別重要性時，為有效屏蔽輻射的RF信號，會需要一個更厚的膜。

本討論中，與屏蔽相關的重點將圍繞當今手機設計中一個通用的RF半導體元件——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成的。然后將該組件進行包注模(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說都產生最大的輻射功率，進而極有可能誘發(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。等式指出，如我們預期的，截至頻率隨開口“a”尺寸的縮小而增加。當屏蔽上有若干開口時，方程式會變得更復雜，從而進一步強調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和手機的RF部分實施屏蔽;但最近有一種在TxM內部進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進行屏蔽的方法。方法之一是采用一個簡單金屬容器構成的嵌入式屏蔽，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。

但根據本文前述的波導理論，屏蔽效能不僅與屏蔽上開口尺寸也與開口數有關，開孔越大、數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。該集成屏蔽把在一個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組裝工藝的最后步驟。采用這種技術實現的屏蔽對模組高度的影響微乎其微且在降低EMI和RFI輻射的生產中可重復進行。

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

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

但作為TxM設計師來說，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若干問題。首先，緊挨著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察到這些效應。這樣，當增加屏蔽時，建模和EM模擬對確保好結果具有極其重要的意義。

因3D EM模擬會很耗時，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，先從一個不太復雜的電路著手并確認其具有重要性的關鍵部分的作法就功不唐捐了。例如，根據場論不難得出：兩條載場信號線挨得越近，就越趨向于產生更大耦合。

這些信號線載負著時變電荷，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，所以，當施加外屏蔽時，實質上不會在場線上表現出額外干擾。只有信號線、元件或線綁定才在其各自場線面臨顯著變化，因這些元素暴露在空氣中或被包注模以作為邊界條件。

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實現的。

輸出匹配雖然僅表示整個TxM內無源電路的一小部分，但在確定耦合機理和高階諧波影響方面仍有效用。

第二個關注的地方是微帶線附近的場線，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和地平面間的距離，則增加的屏蔽的效用就微乎其微。線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，預期其場線會有變化。圖3顯示的是3D模擬的E場分布。

圖3顯示的是不帶屏蔽的輸出匹配的電磁模擬，其電場以伏/米表征。深紅色意味著強場線，而深藍色表示電場實質不存在。如所預料，表貼電感和綁定線附近的場線不那么穩(wěn)固，所以，若在包注模上增加屏蔽則更可能對其產生影響。下一步是勾畫并檢測雙口S參數模擬在帶和不帶屏蔽條件下相對于高階諧波的任何變化。

輸出匹配的3D EM模擬(圖4)揭示出在更高頻率下共振的改變。在TxM內，電路遠比簡單的輸出匹配復雜。另外，如在模擬中看到的，為規(guī)避高階諧波所實現的高Q槽路所受到的影響將明顯大于給單一共振帶來的簡單變化。

最后的任務是對不帶屏蔽的TxM進行輻射測量并將結果與采用MicroShield集成RF屏蔽技術的TxM進行對比。為實施準確測量，必須避免待測PCB上從連接器和其它板上電路造成的RF功率泄漏;因此，為進行這些測量所設計的測試板包含若干獨立屏蔽容器。

全部輻射測量都是在丹麥哥本哈根的Delta Technologies進行的。被測設備放在不吸收和不反射材料的表面(圖5)。在該測試中，RFMD的另一款TxM產品(RF3282)用作測試載體。

圖中顯示的是發(fā)自RF3282 TxM的輻射功率。紅色圖表示沒有屏蔽的TxM，藍色圖表示的是采用MicroShield屏蔽的TxM。注意：為更清楚地顯示兩種被測器件的差異，藍色圖被稍微右移。如圖所示，MicroShield集成RF屏蔽顯著降低了輻射功率。在10.5GHz僅有一個示警。它昭示著這兩種情況：或是存在另一種模式(腔模式)，或是結果也許與流經屏蔽表面的地電流相關。但無論如何，對輻射功率的平均衰減可達15dB或更高。

我們討論了MicroShield屏蔽技術在抑制EMI和RFI方面的優(yōu)勢，該技術提升了滿足規(guī)約要求的能力。另外，MicroShield集成RF屏蔽還同時把外部EMI/RFI干擾的影響降至最低，從而弱化了手機設計中存在的性能漂移問題。

因手機設計師和制造商越來越依賴手機平臺來滿足其時間和成本要求，所以器件對PCB布局的敏感性是個關鍵因素。過去，當這些平臺被用于不同手機設計時，性能會被打折，具體表現在EMI和RFI輻射通常成為性能不一致的主要誘因。