基于北斗一號(hào)/GPS手持終端的電磁兼容設(shè)計(jì)

王　黎，杜宇峰

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

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基于北斗一號(hào)/GPS手持終端的電磁兼容設(shè)計(jì)

王黎1，2，3，杜宇峰1

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，石家莊 050081；3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050081）

摘要：本文基于自研的“北斗一號(hào)/GPS手持雙模型用戶機(jī)”項(xiàng)目，通過對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和電磁兼容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的電磁兼容性，通過了國軍標(biāo)GJB 151A-1997和GJB 152A-1997要求的電磁兼容試驗(yàn)，使本項(xiàng)目研制的北斗一號(hào)/GPS手持終端成為某部隊(duì)的生產(chǎn)定型產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：北斗；GPS；手持終端；電磁干擾；電磁兼容

1 引言

北斗一號(hào)/GPS手持型用戶機(jī)充分依托我國自主的北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有北斗定位、位置報(bào)告、報(bào)文通信的能力，大大增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)人員戰(zhàn)場(chǎng)偵察、態(tài)勢(shì)感知和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。該終端集成有GPS接收單元，這樣使得整機(jī)具備了北斗定位、GPS定位以及GPS差分定位三種定位功能，在北斗一號(hào)/GPS手持終端中電磁干擾的主要來源有下幾個(gè)方面：射頻模塊、基帶模塊、天線。

2 北斗一號(hào)/GPS手持終端的電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

2.1.1 金屬屏蔽罩和金屬屏蔽盒

在手持終端產(chǎn)品中PCB板上空間很小，所以采取金屬屏蔽罩來進(jìn)行電磁屏蔽。如圖1所示為某產(chǎn)品主板上的金屬屏蔽罩。

圖1　金屬屏蔽罩

使用金屬屏蔽罩時(shí)要特別注意一點(diǎn)，就是需要良好接地，金屬屏蔽罩和地之間不要有縫隙，如果有縫隙，就會(huì)形成一個(gè)縫隙天線，電磁波就會(huì)從縫隙中泄露出來，金屬屏蔽罩就起不到作用了。另外，金屬屏蔽罩必須無縫焊接在PCB板的地上，而且屏蔽罩和板上的元器件要保持一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x。

金屬屏蔽罩的制造和裝配成本都比較高，金屬屏蔽盒是一種經(jīng)濟(jì)的選擇。手持終端產(chǎn)品的射頻模塊選擇用金屬屏蔽盒，一方面，射頻模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，與其他基帶部分電路獨(dú)立成為一個(gè)模塊，方便調(diào)試；另一方面，射頻模塊采用金屬屏蔽盒的形式，電磁屏蔽性好，降低受電磁干擾的影響。射頻模塊的金屬屏蔽盒采用鋁合金制造，如圖2所示為某產(chǎn)品的射頻盒。

圖2　金屬屏蔽盒

2.1.2 導(dǎo)電屏蔽膜

北斗一號(hào)/GPS手持終端在設(shè)計(jì)時(shí)因?yàn)槭鞘殖衷O(shè)備，考慮到尺寸和空間的限制所以采用在顯示屏前面使用透明屏蔽材料，而且手持終端液晶顯示屏是觸摸屏，選用屏蔽材料時(shí)還要考慮選用柔性材料，所以綜合考慮后我們選用中電科集團(tuán)33所研制的導(dǎo)電膜屏蔽窗。該導(dǎo)電膜屏蔽窗是通過磁控濺射鍍膜設(shè)備將ITO（納米銦錫金屬氧化物）靶材濺射鍍覆在玻璃表面形成導(dǎo)電膜層，該膜具有很好的導(dǎo)電性和透光性。導(dǎo)電膜還是一種柔性材料，可以傳導(dǎo)外界壓力給觸摸屏。經(jīng)過長期的-20℃～+55℃施加溫度應(yīng)力檢驗(yàn)，屏蔽膜沒有明顯變形和褶皺，所以在手持終端設(shè)備液晶屏上使用屏蔽膜即保證了高亮度的可視性，又達(dá)到了電磁兼容的要求。

2.1.3 吸波材料

在測(cè)試北斗一號(hào)/GPS手持終端樣機(jī)性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)用戶機(jī)接收靈敏度很差，與標(biāo)準(zhǔn)要求相差了2dB左右。用排除法逐步撤去部分設(shè)備或單元（即讓部分設(shè)備不加電，退出工作），經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)試發(fā)現(xiàn)北斗手持型用戶機(jī)主要的干擾是由于操縱顯示板產(chǎn)生的電磁干擾影響到了北斗天線，從而影響性能。所以在用戶機(jī)的操縱顯示板上貼吸波材料來減少電磁干擾，這樣簡單處理效果很明顯，再次測(cè)試靈敏度能提高2dB，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 接地設(shè)計(jì)

信號(hào)接地是為系統(tǒng)內(nèi)部各種電路設(shè)置公共參考地，是信號(hào)流回源的低阻抗路徑，主要目的是抑制電磁干擾。

在實(shí)際應(yīng)用中，大部分設(shè)備既有高頻部分（如數(shù)字單元）又有低頻部分（如模擬單元），此時(shí)應(yīng)分別對(duì)待，低頻電路采用單點(diǎn)接地，高頻電路采用多點(diǎn)接地，如圖中3所示。

圖3　混合接地

2.3 濾波設(shè)計(jì)

選用濾波器時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)：濾波器不能對(duì)工作信號(hào)有影響，不能造成信號(hào)的失真；電源濾波器除了要保證滿足安全方面的要求外，還要注意當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電路中的電感不能發(fā)生飽和，從而導(dǎo)致濾波器性能下降。

2.4 PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)

2.4.1 多層板的分層設(shè)計(jì)

北斗一號(hào)/GPS手持終端的基帶處理板PCB采用多層板。北斗一號(hào)/GPS手持終端的電源有3.3V，5V，1.33V和1.8V，其中，3.3V是整個(gè)PCB板所有器件的IO電源，單獨(dú)占一層覆蓋整個(gè)PCB板，所以電源層分為2層，3.3V一層，5V，1.33V，1.8V共占一層。考慮到電源回路的問題，每層電源層需要一層地平面與其相鄰對(duì)應(yīng)。DSP和FPGA芯片采用BGA封裝，所以信號(hào)線走線層至少需要4層。所以主板采用8層板的疊層設(shè)計(jì)。

2.4.2 PCB布局、布線設(shè)計(jì)

北斗一號(hào)/GPS手持終端的主板綜合布局首先應(yīng)考慮按邏輯速度布局，高速的器件（高速邏輯、時(shí)鐘等）應(yīng)安放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi)，而低速邏輯器件和存儲(chǔ)器，應(yīng)安放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)，如圖4所示。對(duì)有信號(hào)進(jìn)出印制板的器件，應(yīng)盡量安排布設(shè)在連接器附近，這樣有利于減小共阻抗耦合、輻射和交擾。所有連接器應(yīng)安排在印制板的一側(cè)，盡量避免從印制板兩側(cè)引出電纜，這樣對(duì)共模輻射的減少是有利的。

對(duì)于PCB板上數(shù)字地和模擬地分割問題，尤其是在復(fù)雜的系統(tǒng)，存在很多潛在的問題，一旦跨越了數(shù)字地和模擬地分割間隙布線，電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_都會(huì)急劇增加。因此筆者建議采取統(tǒng)一“地”，而在PCB布局時(shí)分為數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)兩部分。模擬信號(hào)在模擬區(qū)布線，數(shù)字信號(hào)在數(shù)字區(qū)布線，數(shù)字信號(hào)回流不會(huì)影響到模擬地。只有在數(shù)字信號(hào)布線在模擬區(qū)，或者模擬信號(hào)布線在數(shù)字區(qū)，形成交叉，才會(huì)形成數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的騷擾［1］。

圖4　器件布局分布圖

3 結(jié)束語

本產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)通過良好的接地、屏蔽措施和有針對(duì)性的濾波、合理的布局布線等多項(xiàng)設(shè)計(jì)手段綜合設(shè)計(jì)，整個(gè)產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)預(yù)期符合研制要求，能夠滿足國軍標(biāo)GJB 151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》，通過了電磁兼容測(cè)試。■

參考文獻(xiàn)

［1］ 白同云，呂曉德編著.電磁兼容設(shè)計(jì).北京：北京郵電大學(xué)出版社出版，2001

［2］ 孫朋朋.手持移動(dòng)通信終端的設(shè)計(jì)與電磁兼容性分析.青島理工大學(xué)，2010

［3］ 周利利.手持導(dǎo)航設(shè)備的電磁干擾定位和整改.東南大學(xué)，2008

［4］ John W,Remarks to solution of EMC problem on printed circuit board［J］. IEEE International conference on EMC,2002

The Electromagnetic Compatibility Design Based on Beidou First Generation/GPS Handheld Terminal

Wang Li1,2,3，Du Yufeng1
（1.The 54th Reasearch Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081； 2.Satellite Navigation Technology and Equipment Engineering Technology Research Center of Hebei province, Shijiazhuang, 050081； 3. State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology, Shijiazhuang, 050081）

Abstract:The project is originated from the project ‘Beidou first generation/GPS handheld double-mode terminals’, and by the design of the real products and the optimization design of electromagnetic compatibility, then, the electromagnetic compatibility of the products is improved and passed the tests of electromagnetic compatibility of the requirements of GJB 151A-1997 and GJB 152A-1997 standards, hence, the Beidou first generation/GPS handheld terminals designed by the project have become the fnal products for some army.

Keywords:Compass； GPS； Handheld Terminal； Electromagnetic Interference； Electromagnetic Compatibility

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.06.001

中圖分類號(hào)：P228，TN97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編碼：1672-7274（2016）06-0001-03