5G正乘风破浪,EMC遭遇挑战

我们的星球完完全全被电磁波环绕,工作的电脑,手边的手机,上下班途中的车载电台,家中厨房里的微波炉、电磁炉......都在无时无刻地释放着电磁波。


5G高频率的引入、IoT设备数量暴涨,以及各种智能硬件的功能升级,都在让我们习以为常的电磁环境,变得愈加复杂。在这样的大背景下,如何设计出依然能够满足电磁兼容性EMC认证要求的产品,对硬件工程师来说,就是一件极具挑战性的事情了。为了最大程度地保证电磁波的安全性,EMC电磁兼容性就显得愈发重要了。电子设备既要能在电磁环境中保证整个系统的稳定工作,也不能对其他环境产生过大干扰,影响其他系统的稳定。


一般工业界降低电磁干扰的方法如同“新冠抗疫”:


一靠阻断传播,直接切断通路,阻断可能产生干扰的电磁波,如:滤波法(增加电抗器和 EMI滤波器,从电路层面减少传导骚扰)、屏蔽法(使用带有屏蔽的双绞线,抑制电磁波的辐射)、接地法(地层的增加可以有效提高PCB的电磁兼容性)、隔离法(动力线与其他弱电信号线分开走线)等等。


二靠增强“体质”,加入更多的电磁屏蔽和导热器件在电子设备中。尽量选用自身发射小的芯片,避免使用大功率、高损耗器件等,对把辐射控制在安全范围内都很有效果。

5G正乘风破浪,EMC遭遇挑战

以上方法对一般的电磁干扰还有效,但对于5G,就捉襟见肘了。


EMC遭遇的挑战主要有以下三类:




挑战一:




电磁干扰后期除错与产品落地的诉求错位




大规模的天线阵列来保证5G网络的传输,天线单元数量暴增,各单元之间的干扰随即增加。这时以往的滤波法隔离,就会导致通信系统的整体尺寸过于庞大,在现实中不易部署。拿手机来举例,当今市场上的智能手机为了迎合消费者的喜爱偏好,款式越来越单薄,大众对5G手机的期待也很高,希望性能和信号都要比以往有所提升。这就要求手机厂商在增强使用感的同时得做到从芯片到射频器件等元件尺寸不增反降,研发时间与生产成本都大大增加。




挑战二:




新电磁环境与配套工程科学的产业链发展错位




降低电磁干扰是对电子产业的集体考验与挑战。硬件厂商产业内部要升级,更新材料的同时引进一些新技术,这里要介绍同时同频全双工技术(CCFD):无线通信设备使用相同的时间、相同的频率,同时发射和接收无线信号,使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。即在资源不变的情况下,支持2倍数量的设备,保证WiFi传输中的实时性与自动控制。CCFD被看做是5G的关键技术之一。但是这一技术的实现,需要手机等终端设备的发射机和接收机能够在同一频率同时工作。然而在CCFD模式下,如果发射信号和接收信号不正交,发射端产生的干扰比接收到的有用信号要强数十亿倍。只有极高的干扰消除能力才能保证手机在同步收发时不会产生自干扰,才能解决基站间干扰和终端间干扰。还有传统5G芯片的封装结构在高频率时也会辐射超标,据悉天线封装一体化等新结构已经在研发当中。


挑战三:




产品开发流程与传统EMC设计的理念错位




如果在前期产品开发时没有考虑到整体的EMC问题,会出现什么情况?小则费时费力费钱地进行EMC测试整改,甚至重新设计;大则无法通过EMC认证,以致产品无法问世,造成巨额损失。

5G正乘风破浪,EMC遭遇挑战

EMC设计充满大大小小的不确定性,小到芯片封装结构,大到基站、数据中心等外界电磁环境,任何一方面因素没有兼顾到就有可能导致产品电磁性兼容不达要求。EMC设计也带有一定主观性,不同设计工程师,对EMC有不同的理解,对产品的认知也不尽相同、再使用了不同的设计工具都会做出不同的设计方案。比如同样是整改整机的辐射超标,有的工程师会改变机身的通风孔来加大分流;而有的工程师会从内部着手,优化辐射源。二者殊途同归,但都能提升整机的EMC性能,达到整改目的。


相比设计意识的错位,目前缺少的是国产化的EDA设计工具。




美国实体清单的出台,使“EDA工具”与“芯片设计”等同了起来。EMC仿真软件的作用不可小觑:用模拟电路EMC设计,来代替实验,分析元件配置、电线建模、电磁场、屏蔽效能等,可以有效地减少终端硬件的研发周期和成本。然而,目前主流的EMC仿真软件和芯片EDA一样,由国外厂商主导,有由德国Simlab软件公司设计的PCBMod、CableMod、RaidaSim;由SONNET软件公司设计的SONNET High Frequency Electromagnetic Software;由Ansoft CorporaTIon公司设计的Ansoft High-Frequency and High-Speed Designers等。如果这些工具随着5G的热门而被全球市场争夺,掌握这些工具的少数国外厂商提高使用门槛或对部分国家禁用。由此而带来的风险,将给我国硬件厂商带来一定冲击,也会加大消费者的担忧。


在乘风破浪的5G面前,我们应对这些潜藏在水底的EMC技术暗礁保持警惕,与时俱进,才能在市场浪潮中立于不败之地。










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