CN106053982A - 一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，建立预测方程判断背板干扰端口和敏感端口之间的电磁干扰，将源函数和传输函数结合起来，得到在背板敏感端口处的有效功率，然后对比得到的有效功率与敏感度阈值，从而判断是否存在潜在的电磁干扰；如果干扰端口在敏感端口处产生的有效功率小于该装置的敏感度阈值，即存在电磁兼容状态，反之则存在干扰问题；然后再通过设计仿真背板上各个端口间的S参数来构建交互关联矩阵，分析背板端口‑端口间的交互关联即关系耦合度，确定背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况，以便后续进行针对性的电磁兼容性设计。本发明具有针对性，缩短了设计周期，提高了电磁兼容性设计效率，大大节省了时间成本。

Description

一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法

技术领域

本发明研究了一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，即通过分析背板端口-端口间的交互关联关系，构建模块间交互关联矩阵，据此来研究射频模块背板上针对振铃和正弦波两种基本干扰信号的传导发射的电磁兼容性。

背景技术

目前电子系统越来越趋向于标准化、模块化与小型化，尤其在射频综合系统中，标准化与小型化尤为突出，各个具有特定功能的设备器件都集成在模块中，这些功能模块都统一插在一个标准的机箱里，共用一套电源系统，并通过机箱内的背板进行互连实现数据通信，完成既定任务。射频模块背板总图如图1所示，背板由三个频率源模块和一个调制解调模块组成。

在复杂的电子系统中，背板互连系统由于具有优秀的数据交换能力和卓越的稳定性而得到了广泛的运用。但是随着射频综合机架内的功能模块的复杂化与多样化，导致模块端口密度和背板承受的模块数量增加，这就要求背板上走线的密度与长度也必须随之增加来实现多模块之间的通信功能，这就不可避免的导致背板产生电源完整性和信号完整性问题，同时背板也会产生电磁兼容性问题，从而影响整个射频综合机架的正常工作。

射频模块背板互连系统内，功能模块的供电统一由背板提供，必须保证背板的供电系统完整可靠，即需要背板满足电源完整性要求；功能模块通过背板进行信号交换与传输，传输线的密度与长度的增加会导致信号的反射、衰减和串扰等问题，因此需要对射频综合机架内背板进行信号完整性的分析研究并做出相应的整改设计，从而保证整个系统的正常工作。

因此，对射频综合机架背板互联系统进行电磁兼容性分析研究具有重要意义。

电磁兼容性研究是在有限空间、时间和频谱的条件下，各种设备如何共同正常工作。目前电子设备的复杂化，干扰源的种类复杂多样，电磁干扰的耦合形式也是多种多样，很难做到非常全面的分析。对于传统的电磁兼容设计方法，常见的设计法则是屏蔽、接地和滤波，但是这种方法需要工程人员对设备的各个组成部分有详细的了解，而且寻找干扰源和耦合路径会产生大量时间成本，延长设计周期，因此，需要选择一种新的电磁兼容性设计方法来对射频模块背板进行设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术中电磁兼容设计方法的设计周期长，时间成本大等问题，提供一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，分析背板端口-端口间的交互关联关系，基于干扰信号对模块的输出提出电磁兼容性要求，具有针对性，缩短了设计周期，提高了电磁兼容性设计效率，大大节省了时间成本。

本发明技术解决方案：一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，实现步骤如下：

(1)建立预测方程判断背板干扰端口和敏感端口之间的电磁干扰，实现为：将源函数和传输函数结合起来，得到在背板敏感端口处的有效功率，然后对比得到的有效功率与敏感度阈值，从而判断是否存在潜在的电磁干扰；如果干扰端口在敏感端口处产生的有效功率小于射频模块背板的敏感度阈值，即存在电磁兼容状态，反之则存在干扰问题；

(2)背板作为模块互联通道的无源背板，各个模块端口间既可以作为干扰发射也可以作为敏感端口,在步骤(1)判断背板存在潜在的电磁干扰的基础上，通过设计仿真背板上各个端口间的S参数来构建交互关联矩阵，分析背板端口-端口间的交互关联，即关系耦合度，确定背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况，以便后续进行针对性的电磁兼容性设计。

所述构建交互关联矩阵为多端口网络的交互关联矩阵，使用SIwave提取多端口网络的交互关联矩阵，在仿真软件ADS中构建多端口网络输入输出端口和关联端口的等效电路，关联端口是指背板上的所有端口都是与输入输出端口相关联的端口，根据输入输出端口的接收波形和频谱，分析端口间的耦合度，确定背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过构建背板端口的交互关联矩阵，分析端口间的耦合度，给背板上各模块对应端口的输出提电磁兼容性要求，这样从源头上解决背板互联系统的电磁兼容性问题，为整个射频模块背板互连系统的电磁兼容性设计提供依据。

(2)本发明的分析方法具有针对性，缩短了设计周期，提高了电磁兼容性设计效率，大大节省了时间成本。

附图说明

图1为射频模块背板总图；

图2为本发明中为关联矩阵构建方法配图；

图3为六端口网络在ADS中的仿真模型；

图4为端口频谱图；a、b分别为端口1、2的时域波形，c、d分别为端口1、2的频谱；

图5为关联端口的时域波形；

图6为背板上射频模块的之间的连接关系图；a为模块在背板上的布局，b为背板上模块间的交互关联关系；

图7为背板上模块间的交互关联关系矩阵(截取其中一部分)；

图8分别为10MHz、100MHz、2.4GHz背板上模块间交互关联关系示意图

图9为本频率源模块配图；

图10为调制解调模块配图；

图11为开关模块配图。

具体实施方式

本发明的一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，实现步骤如下：

(1)预测方程：为了计算干扰端口和敏感端口之间的电磁干扰，应将源函数和传输函数结合起来，从而得到在敏感端口处的有效功率，然后对比得到的有效功率与敏感度阈值，从而判断是否存在潜在的电磁干扰。

(2)交互关联矩阵：可以通过S参数来对端口间的耦合度进行描述，为此可以通过设计算仿真背板上各个端口间的S参数来构建交互关联矩阵，定量描述背板上各个模块间在不同频率下的干扰情况。

选取图2网络为例，基于基本干扰信号形式进行电磁兼容性研究。图2为一六端口网络，其中端口1作为输入端口，端口2作为输出端口，端口3、端口4、端口5和端口6作为关联端口。

使用SIwave(ANSYS公司的全波电磁场仿真分析软件给出SIwave的含义)提取六端口网络的交互关联矩阵，在仿真软件ADS中构建六端口网络输入输出端口和关联端口的等效电路如图3所示，模拟馈入幅度1V、频率100MHz的方波信号源激励。

观察输入输出端口的接收波形和频谱，结果如图4所示。

观察耦合到关联端口的接收波形和频谱，结果如图5所示。

从仿真结果可以看出得到如下表1所示的数据：

表1基于振铃的各个端口频谱数据

从上述数据中可知，对于六端口网络，基本干扰信号为振铃时，耦合到网络关联端口的干扰信号基频最高为-56.7dBm,谐波最高为-37.9dBm。

基于这种分析方法，对整个背板上的信号传输进行电磁兼容性分析，构建背板端口间的交互关联矩阵，分析端口间的耦合度，给模块对应端口的输出提供电磁兼容性要求。

背板上射频模块的之间的连接关系如图6所示。

其交互关联矩阵构建过程为：

(1)预测方程

将源函数和传输函数结合起来，得到敏感端口处的有效功率，对比敏感度阈值，从而判断是否存在潜在的电磁干扰。如果干扰端口在敏感端口处产生的有效功率小于该装置的敏感度阈值，即存在电磁兼容状态，反之则存在干扰问题。

(2)交互关联矩阵

由于该发明设计的背板作为模块互联通道的无源背板，因此各个模块端口间既可以作为干扰发射也可以作为敏感端口。

通过设计仿真背板上各个端口间的S参数来构建交互关联矩阵，定量的描述背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况。

本发明的背板上具有连接关系的端口总共有200个，因此每个工作频率所对应的关联矩阵有200*200＝40000个值，矩阵的数据量很大。下面截取100MHz时的部分交互关联矩阵作为示意如图7。

通过上图7数值型的关联矩阵可以方便的查看各个端口之间的耦合度的具体数值。根据一般工程经验，当耦合度低于-50dB时,认为干扰端口与敏感端口之间满足电磁兼容性状态。但是，由于，矩阵数据庞大，直观上可能无法马上定位不满足电磁兼容状态的端口，此时可以通过关联矩阵的图像化显示，更加直观快速的定位到超标的端口。

图8分别为背板工作频率在10MHz,100MHz,2.4GHz时端口间图像化交互关联矩阵。

从上图8可以看出，随着频率的升高，端口间的耦合度增强。将显示范围设为-50dB～0dB，每个图像中对角线表示的是端口自身的反射，浅色的零散的点表示的是具有连接关系的端口。当工作频率为10MHz时，交互关联矩阵整体呈现黑色，背板端口间的耦合度基本全部低于-50dB；当工作频率为100MHz时，可观察到出现了耦合度大于-50dB的零散的端口；当工作频率为2.4GHz时，耦合度大于-50dB的端口的数量明显增多。

通过对背板端口间交互关联矩阵的定量分析，基于各个端口之间的耦合度，可以定性的描述背板上模块之间的干扰程度，以便后续进行针对性的电磁兼容性设计。

构建的背板模块间干扰程度矩阵如下表2所示：

表2背板模块间干扰程度矩阵

注：○微弱干扰，△一般干扰，●较强干扰

从上表中可以清晰的看出背板上模块间的干扰程度，模块6与模块1、3、4、5、7存在较强的干扰，与其他模块间的干扰较弱；从而能够为整个射频模块背板互连系统的电磁兼容性设计提供依据，并且具有针对性，缩短了设计周期，提高了电磁兼容性设计效率，大大节省了时间成本。

Claims (2)

1.一种射频模块背板的电磁兼容性分析方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)建立预测方程判断背板干扰端口和敏感端口之间的电磁干扰，实现为：将源函数和传输函数结合起来，得到在背板敏感端口处的有效功率，然后对比得到的有效功率与敏感度阈值，从而判断是否存在潜在的电磁干扰；如果干扰端口在敏感端口处产生的有效功率小于该射频模块背板的敏感度阈值，即存在电磁兼容状态，反之则存在干扰问题；

(2)背板作为模块互联通道的无源背板，各个模块端口间既可以作为干扰发射也可以作为敏感端口,在步骤(1)判断背板存在潜在的电磁干扰的基础上，通过设计仿真背板上各个端口间的S参数来构建交互关联矩阵，分析背板端口-端口间的交互关联，即关系耦合度，确定背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况，以便后续进行针对性的电磁兼容性设计。

2.根据权利要求1所述的射频模块背板的电磁兼容性分析方法，其特征在于：所述构建交互关联矩阵为多端口网络的交互关联矩阵，使用SIwave提取多端口网络的交互关联矩阵，在仿真软件ADS中构建多端口网络输入输出端口和关联端口的等效电路，关联端口是指背板上的所有端口都是与输入输出端口相关联的端口，根据输入输出端口的接收波形和频谱，分析端口间的耦合度，确定背板上各个模块间在不同工作频率下的干扰情况。