摘要

通过印刷电路板(PCB)之间的电缆传输中频/射频(IF / RF)信号的MOBILE系统，可能容易受到电磁干扰(EMI)的影响，这可能是由连接器本身以及连接器和电缆之间的接口引起的。在本文中，使用市售的电磁(EM)仿真工具全面分析了RF电缆和连接器的辐射物理特性。

我们重点研究了EMI对连接器物理尺寸的敏感性。在敏感性研究的基础上，提出了一种缓解方案，通过采用热压焊技术来减少从连接器和电缆接口泄漏的电流。

关键词

电磁干扰;射频连接器; EMI缓解方法，辐射物理学，柔性印刷电路，热压焊。

一、引言

支持多种通信标准的MOBILE系统需要在移动电话内的多个位置包含天线。对于长距离低信号传输来说，电缆是将天线和PCB母板连接在一起的好选择。但是，电缆和PCB之间的RF连接器可能是一个潜在的弱点，电流可能会从该泄漏点泄漏出来，并沿着电缆的外表面扩散，导致连接器本身以及电缆和母板之间的接口产生电磁辐射。

这种EMI辐射可能会产生问题，尤其是在信号频谱包含高频分量的情况下。政府和标准机构已经颁布了有关系统EMI辐射的限制。例如，美国联邦通信委员会(FCC)颁布了47 C.F.F. 15.427，其中对于高于960 MHz的频率的无用发射、无意发射的发射限制为500 uV / m。

随着使用RF连接器传输的信号频率增加，此类连接器发出的意外辐射通常会增加。因此，需要减少由RF连接器发出的意外辐射，特别是对于传输高频信号的设备。

图1示出了MOBILE系统的总体框图。该系统包括一条柔性印刷电缆(FPC)，该电缆通过RF连接器连接到左侧和右侧PCB。通信芯片安装在每个PCB上，并通过传输线连接到连接器。

图1：RF互连框图。

连接器之间的非理想过渡可能是潜在的EMI源，例如，有效辐射到FPC外表面的电流。本文讨论了这种辐射物理原理，并显示了EMI对连接器物理尺寸的敏感性。最后，提出了一种缓解解决方案，并使用EMI仿真进行了验证。

二、 辐射物理

A.共模电流

图2示出了具有两个信号导体和一个接地导体的多导体系统。共模电流或天线模式电流的定义如(1)所示。此定义用于辐射发射的测量和EM建模。由于共模电流的发射被叠加的事实，其幅度远低于差模电流的共模电流会产生很大的辐射电场。

图2：多导体系统中的电流。

高速数字串行接口采用差分信号，可以减少返回路径不连续性对EMI的影响。这样的接口使用传输线模式(TL模式)作为主要的传播模式。在这种TL模式下，流过信号导体和参考导体的电流之和为零。如果差分信号导体之间的时间偏差显著，或者两个导体上的信号沿显着不同，则可以产生共模电流，从而产生EMI问题。比差模电流小得多的共模电流或天线模电流可以产生相同水平的辐射电场。

可以通过考虑天线模式电流来解释单端RF信号的辐射。天线模式信号通常在两个结构的接口处从TL模式信号转换而来。可以通过不平衡因子的差异来量化，而接口上的TL模式信号如下：

这里VAM是天线模式电压，并且：

其中h1和h2分别是两个结构的不平衡因子。可以从自电容或电感值中计算出这两个因素。

图3(a)描绘了一个简单的RF互连，该互连在我们的研究中用作测试用例。它由两个测试板、，两个RF连接器、两个SMA连接器和一条50Ω同轴电缆组成。在其他情况下，可以用FPC代替同轴电缆。左侧SMA连接器连接到信号源。

图3：带有RF连接器和同轴电缆的RF通道方案。

右侧SMA连接器的负载为50Ω。为了消除SMA连接器的影响，假设SMA连接器与PCB之间没有间隙，因此不会泄漏任何电流。图3(b)描绘了测试用例的概念框图，其中同轴电缆的内导体和外导体分开显示。

图4是图3(b)的等效电路图，其中连接器被信号过渡缺陷所引起的阻抗不连续所代替 (时域反射仪(TDR)的结果将在下一节说明这种不连续性)。Iin是流过同轴电缆内部导体的电流。回路电缆是沿同轴电缆外部导体的内侧和外侧流动的电流。注意，由于流经阻抗Z辐射的电流Ireturn-displacement，Iin不一定等于Ireturn-cable。

图4：具有阻抗不连续性的RF互连的示意图。

阻抗不连续性越大，Ireturn位移的值越大。可以使用以下公式计算此等效电路中的共模电流Icm：

即使沿着同轴电缆或FPC的极少量天线模式电流也会产生大量辐射，从而无法达到EMI规范。图5显示了在消声室内典型的3米EMI测试设置。被测设备(DUT)具有几微安的等效天线模式电流将产生足够大的辐射，从而无法通过EMI测试。

图5：天线模型电流引起的辐射测量示意图。

基于图6所示的简单赫兹偶极子或无穷小电流元素的场，可以重复使用的模型来预测或快速计算天线模式的发射。

赫兹偶极子模型是一种极端的简化方法，如果其他导线型互连线的波长较长，并且导线型互连线的横截面非常薄，则需要将多个偶极子模型级联以形成更准确的模型。尽管如此，赫兹偶极子模型仍可用于显示天线模式电流如何产生辐射。辐射电场由下式给出：

其中，自由空间的本征阻抗由η0==120π给出，并且相位常数β0为β0==。

为此，最大电场强度可以写成：

然后可以通过公式(9)重新排列来计算天线模式电流：

电缆上的天线模式电流可能是造成辐射辐射的重要因素，而这些电流根本很难预测。在电缆上产生天线模式电流是一件简单的事情，并且这些辐射的辐射很容易超过EMC法规限制或系统内EMI规范。

图6：赫兹偶极子的简单模型。

B.天线实现的增益

为了评估IF / RF互连的EMI性能，可以将这些互连视为具有足够电气范围的有效EMI天线。 共模或天线模式电流是沿互连线流动的驱动电流。为了确保这些互连在各个方向上都不会产生足够强的磁场来降低其他RF组件的视线或引起系统内EMI故障，应计算并调整所形成天线的实际增益。天线的实际增益是通过考虑天线的总效率及其方向性来计算的。天线的总效率考虑了由于输入端子反射引起的损耗以及天线结构内的损耗。

总效率e0可以写成：

其中er是反射效率，ed是介电效率，ec是传导效率。 介电和传导效率通常被分组并称为ecd。 总效率将变为：

其中，Γ是反射系数。使用总效率和方向性来计算已实现的增益，如下所示：

如果IF / RF互连的最大实现增益小于一定水平，则可以确保系统内EMI无风险。

三、模拟和测量结果

本节讨论了上一节中描述的测试用例的模拟结果与测量结果之间的相关性，以建立对分析方法的信心。它还讨论了阻抗不平衡对共模电流的影响以及由此产生的辐射。

图7：HFSS中带有RF连接器和同轴电缆的RF通道。

图8：带有RF连接器和同轴电缆的RF通道的TDR。

远场EMI仿真是使用商用EM分析工具完成的。图7示出了建模结构的细节。测量是在消声室中进行的3 m远场发射测量。RG58电缆用于将左侧SMA连接器连接到信号发生器。右侧SMA连接器使用50欧姆端接终止。除发射测量外，还执行TDR测量以量化DUT的阻抗不连续性。射频连接器和PCB之间的过渡在电气上并不完美，因此存在寄生电容或电感。

图8中的TDR图说明，相对于同轴电缆的50欧姆阻抗，RF连接器的阻抗低45欧姆。这种阻抗不连续性会导致非TEM模式的电磁场和随之而来的共模电流。一部分电流沿着连接器的外表面流到电缆的外导体和PCB的顶层。

即使同轴电缆本身具有良好的屏蔽效果，该电流也可以在外导体的外表面上流动。如果该电流没有良好的返回路径，则它将成为位移电流并引起辐射。

同轴电缆的长度相当于10 GHz时的几个波长，带有RF连接器的电缆可以成为有效的辐射器。如图9所示，表面电流密度绘制在PCB的顶部以及沿着连接器和同轴电缆的表面。

图9：带有RF连接器和同轴电缆的RF通道的电流分布。

表I：总体相关性。

表I列出了模拟和测量的辐射结果的相关性。在感兴趣的频率处观察到良好的相关性。数据显示，仿真结果和测量结果在3 m处均未通过54 dBuV / m的规范。因此，需要一种有效的解决方案来抑制来自连接器和电缆的辐射，这将在下一节中介绍。

四、EMI灵敏度研究和辐射缓解技术

如第3节所述，如果RF通道的各部分之间存在阻抗差异，并且连接器的接地屏蔽层存在间隙，则将产生共模电流，并泄漏到同轴电缆的外表面或FPC。

现在的问题是：“如何在具有RF连接器和电缆的通道中减轻由共模电流引起的辐射?”本文分析了EMI对RF连接器物理尺寸的敏感性，并提出了一种使用热压焊技术的EMI缓解方法。关键概念是减少泄漏到同轴电缆或FPC外导体外表面的电流。如果同轴电缆或FPC足够长，则泄漏电流会导致大量辐射。

A.EMI对连接器接地间隙的敏感性

图10显示了IF / RF互连的侧视图，该IF / RF互连包括PCB、FPC和板对板连接器(B2B连接器)。当信号通过此互连传输时，沿互连流动的三种电流即功能电流、返回电流和共模电流。连接器接地屏蔽的侧壁在PCB接地层和FPC的外部导体之间应具有良好的连接。为什么这样的防护罩起作用?

图10：电流流动和泄漏的示意图

之所以起作用，是因为它为返回电流提供了一条路径，使其在屏蔽内部流动，而不是泄漏到PCB上。即使存在很大的阻抗不连续性，沿着电缆的共模电流也会变得非常小，因为返回电流被限制在屏蔽层内部和FPC外部导体的内部。

然而，由于机械限制，沿屏蔽层的接地间隙是不可避免的，因此有必要对连接器的物理尺寸的EMI敏感性进行研究。如图11所示，在连接器的接地屏蔽板的正面和背面有两个宽度为a的孔，在连接器的接地屏蔽板的左右两侧都有一个宽度为b的接地孔。在这项研究中，宽度a在200 um至1000 um之间变化，步长为200 um。宽度b从50 um扫描到200 um(步长为50 um)。

图11：B2B连接器的接地屏蔽

图12显示了在10 GHz时实现的增益的二维图，其中宽度b固定为50 um，而宽度a从200 um变为1000 um。表II列出了在不同频率点上实现的增益结果，比较了宽度a变化而宽度b固定为50 um的情况。它清楚地表明，实现的增益对可变宽度a敏感。最大实现增益随着宽度a的增大而增加。

图12：EMI对宽度a的灵敏度

表II：EMI对宽度a的灵敏度。

图13示出了在具有不同宽度a和宽度b的接地平面的顶面上在5GHz处的表面电流密度。 图片中显示的黄色迹线是IF信号迹线。

比较图13(a)和图13(b)，宽度a是固定的，宽度b在50 um至100 um之间变化，从左接地间隙和右接地间隙的电流泄漏非常小。图13(c)和图13(d)显示了相同的趋势。 图13(a)(b)(c)(d)表示电流沿接地屏蔽的底边泄漏最多，该底边位于IF信号网的同一侧。 这意味着EMI对功能电流流入和流出的接地屏蔽的底边缘最敏感。

图13：不同宽度a和宽度b的电流分布

B.使用热棒技术减轻EMI

脉冲热电极(Hot Bar)焊接是一种连接技术，其中将两个预镀锡的零件加热到锡的熔点。连接技术可实现永久性的机电连接。热棒技术可用于在FPC和PCB之间建立良好的连接，并消除了板对板(B2B)连接器的使用。如图14所示，FPC和PCB直接焊接在一起。

图14：堆叠卡PCB配置的3D视图

IF / RF走线通过短通路在PCB的内层和FPC上布线。在不使用B2B连接器的情况下，此配置可以提供平滑的信号转换以及更好的EMI性能 图15显示了FPC-via-PCB互连的插入损耗和回波损耗。

图15：IF / RF互连的插入损耗和回波损耗

经过优化后，该互连的回波损耗在10 GHz直至10 GHz以下均小于-25 dB，这意味着信号过渡很平稳。图16所示的已实现增益结果证明，通过热棒焊接构造的互连具有较小的辐射。

图16：FPC和PCB接地平面的表面电流密度(a);10 GHz时的已实现增益图(b)

五、结论

本文提出的结果表明，在具有RF连接器和同轴电缆的移动系统的仿真和测量之间，远场辐射具有良好的相关性。测量和仿真结果均表明，带有连接器的足够长的RF同轴电缆可以成为潜在的EMI天线。可以得出结论，现实的阻抗不平衡会产生共模电流，并且这些电流沿着同轴电缆外导体的外表面流动。由该共模电流引起的辐射可能会违反远场规范，因此有必要采取有效的缓解措施。我们已经提出并证明了一种使用热棒技术的缓解方案。