解決系統內部干擾問題　GSM/GPRS模組效能大躍進

天線周邊電路的設計，與天線的埠阻抗有關。主要可分為兩種情況：天線埠阻抗為50歐姆以及天線埠阻抗非50歐姆時。

‧	當天線埠阻抗為50歐姆時
	圖1　天線阻抗為50歐姆時的天線周邊電路設計 當天線埠阻抗為50歐姆(Ω)時，天線周邊電路設計比較簡單(圖1)。在圖1中，全球行動通訊系統(GSM)/整體封包無線電服務(GPRS)模組的射頻訊號介面直接通過一段特性阻抗為50歐姆的傳輸線，與埠阻抗同樣為50歐姆的天線或天線連接器相連。

圖2　天線阻抗非50歐姆時的天線周邊電路設計

在圖2中，阻抗匹配元件值確定後，可以通過測量天線埠的阻抗，按照設計流程將能計算得到。此外，由於天線一般是訂製品，天線的調試通常由天線設計公司來完成，因此上述天線匹配電路元件值，也可以由天線設計公司在調試天線的過程中確定。

在天線未經調試前，上述電路中元件的預設值分別為：L₁為0歐姆電阻，C₁、C₂不貼。

電源電路應抑制電磁干擾

在開關電源電路的輸出訊號中，包含許多雜訊訊號頻譜，因此當GSM/GPRS模組由開關電源供電時，就必須採取必要的電磁干擾(EMI)抑制措施，以減小開關電源雜訊對GSM/GPRS模組射頻性能的影響。推薦的開關電源雜訊抑制電路如圖3所示。

圖3　推薦的開關電源雜訊抑制電路

在上述電路中，FB1為鐵氧體磁珠，其主要目的是用來濾除開關電源訊號線上所攜帶的干擾訊號。在選擇合適的型號時，必須注意磁珠的工作電流、直流阻抗等參數，能夠滿足電路工作的需要。其中，C₁、C₂、C₃為旁路電容，其主要目的為濾除干擾訊號和去耦的作用。上述電路中，磁珠和電容的常見取值如表1所示。

在圖3所示的電路中，鐵氧體磁珠是電源濾波的關鍵元件，在選擇時須要考慮以下因素：鐵氧體磁珠應至少具有能夠承受2.0安培(A)大電流的能力；鐵氧體磁珠的直流阻抗應盡量低，以50毫歐姆以下為宜，否則當GSM/GPRS模組以最大功率發射時，將會在模組的電源輸入端產生較大的電壓跌落，影響模組的正常工作；在須要濾波的干擾訊號頻率範圍內，鐵氧體磁珠的阻抗應足夠大，以便能夠有效的濾除干擾。

說明過GSM/GPRS無線通訊模組射頻部分硬體的相關電路設計後，接著講解電路板的設計方式。

良好布局設計可提升產品性能

在電子產品中，良好的元件布局將有助於提升產品的性能。在進行元件布局時，以下是一些須要考慮的地方：

圖4　印刷電路板整體布局示例

‧	讓GSM/GPRS模組的射頻輸出埠盡量靠近天線
	圖5　GSM/GPRS模組與天線的正確位置 這種做法可以讓射頻走線的長度盡量短，從而使得射頻線阻抗失配時產生的影響降低到最小。正確的模組擺放位置如圖5所示。

‧	電源濾波元件盡量靠近GSM/GPRS模組的電源輸入介面
	圖6　電源濾波元件的布局示意 由於較長的電源線會帶來較大的電感效應，因此電源濾波元件應該盡量靠近GSM/GPRS模組的電源輸入腳位，如圖6所示。

圖7　GSM/GPRS模組及天線與干擾源的相對位置關係

印刷電路板疊層設計攸關成敗

在產品設計中，印刷電路板的疊層設計對產品的整體性能提高有著很大的影響。通常，印刷電路板的疊層設計一般有兩層板、四層板以及六層或以上的印刷電路板等幾種疊層類型。以下針對這些不同疊層設計做簡單的介紹。

兩層板應用上有局限

兩層板疊層結構的應用有著極大的局限性，通常只能應用於低速產品的設計。這是因為兩層板的兩個銅箔層，既是布線層，同時也是電源層和地線層，地線的等電位特性較難保證，地線干擾往往很大。

此外，兩層板設計中，訊號線間較難有很好的隔離，相互之間的串擾較大；訊號線的環路面積一般也較大，讓電路的抗干擾能力降低，同時也較容易對外輻射干擾訊號。對於高速數位電路設計，較不適合採用兩層板的設計方案。

對於採用兩層板疊層結構的產品，在進行印刷電路板設計時，須要特別注意以下幾點：印刷電路板的布局應盡量讓干擾源遠離敏感電路，這樣可以降低干擾源對敏感電路形成的干擾；應盡量保證足夠多的地線面積，如此就能盡量保證地線的等電位特性不被破壞；訊號線的環路面積應盡量小，這樣可以盡量減小訊號回路的天線效應，以降低干擾訊號的發射/接收能力；干擾源訊號線應盡量遠離敏感訊號線。

四層板具有較好電磁相容性

相對於兩層板，四層板設計具有更好的電磁相容性。在四層板設計中，可以設置專門的地線層和電源層，並讓地線層和電源層緊密相鄰，因而電源訊號的去耦效果較好。在四層板設計中，訊號走線設計可以更合理，使得訊號線的環路面積足夠小，因而具有更好的干擾抑制能力。

六層以上的印刷電路板性能優異

六層以上的印刷電路板，具有極好的電磁相容特性。這主要是因為，在六層以上的印刷電路板設計中，可以有更多的地線層，訊號線的環路面積可以更小，訊號線間的相互隔離也可以更好，因而能夠更好地對電路內的干擾訊號進行抑制。

在印刷電路板的疊層設計中，採用多層板設計(四層及以上)的產品，具有更好的電磁相容性能，有助於GSM/GPRS終端輻射靈敏度性能的提高。如果設計得當，兩層板的疊層設計也是一個非常經濟的選擇。但是，當客戶產品的周邊電路非常複雜，且同時包含許多高速數位電路，那麼四層或以上的多層板設計，將會是一個更好的選擇。

在工程上，一般來說，如果數位電路的工作頻率超過5MHz，或者數位訊號的上升/下降時間小於5奈秒(ns)，就必須採用多層板的設計方案。

謹慎處理關鍵元件

就關鍵元件的處理來說，可從GSM/GPRS模組、射頻連接器、射頻線焊盤、天線饋點等四方面來探討。

圖8(左)　GSM/GPRS模組射頻測試點處理　圖9(右)　GSM/GPRS模組射頻介面的處理

‧	射頻線焊盤
	圖10　推薦的射頻線焊盤及尺寸 當客戶出於成本考量，省略掉射頻連接器，將射頻線直接以焊接的方式固定在印刷電路板上時，對於射頻線焊盤的處理，須要注意以下兩件事。第一，射頻線的焊盤尺寸不宜太大；過大的焊盤尺寸，將會因寄生電容的存在，導致射頻訊號的較大損失。如圖10所示，推薦的射頻線焊盤尺寸為1.5毫米×1.5毫米。第二，焊接射頻線時，建議的出線方向如圖11所示。射頻線的出線方向，應與印刷電路板上的射頻走線在同一條直線上，這樣可以減少射頻訊號的反射損耗。

圖11　射頻線的焊接方式

‧	天線饋點
	圖12　天線饋點的處理 當客戶採用內置天線時，天線的饋點設計將因天線形式的不同而存在一定的差異，其設計的總體原則為：天線饋點尺寸應適當。天線饋點的尺寸不應太大，以滿足生產工藝要求即可；天線饋點周圍及下方所有層的銅箔，應鏤空處理(圖12)；天線饋點的個數及其他要求，須參考天線供應商的建議。

印刷電路板走線遵守處理原則

在印刷電路板設計時，射頻線、電源線及地線的處理，對產品的射頻性能也有著極大的影響。以下說明這些訊號線的處理原則。

射頻線盡量採用微帶線結構

射頻線應盡量採用微帶線結構，保證特徵阻抗為50歐姆。微帶線特性阻抗的計算，可以按照公式選擇合適的阻抗線寬度、介質厚度來實現。此外，還可以利用一些小巧的工具軟體來計算，如Polar(http://www.polarinstruments.com/)的CITS25、SI8000m等。

此外，射頻線應有明確的參考層，且參考層應保持完整(圖13)；射頻線的長度應盡量短，這一點必須在元件布局時即予以考慮；射頻線下方除參考層外，應避免其他任何訊號線穿過。

圖13　微帶線的參考層

射頻訊號線也應遠離其他高速數位或時鐘訊號線。這些訊號線會產生強烈的電磁干擾訊號，對射頻接收性能產生較大的影響(圖14)。另外，射頻線兩側應多打地孔。這樣可以使得射頻訊號具有最小的回流路徑(圖15)。

圖14　射頻線應遠離強干擾訊號線

圖15　射頻線兩側的地處理

電源線應保持足夠的寬度

就印刷電路板走線來說，電源線應保持足夠的寬度。由於GSM/GPRS模組工作時的峰值最大電流可達到2安培以上，因此，電源線的寬度應具有能夠承受如此高電流的能力。根據經驗，電源線的寬度應不低於1.6毫米。此外，電源線也應與地線緊密相鄰。這樣可以減小訊號電流的環路面積，以降低干擾訊號的輻射。

如果電源線給多個功能電路供電，應採用星形連接方式。這樣可以減少其他功能電路產生的干擾訊號與GSM/GPRS模組間的產生影響；同時，也可以降低GSM/GPRS模組對其他功能電路的影響。

地線面積須足夠

在地線處理上，印刷電路板應有足夠多的地線面積，以保證地線的等電位特性。地線也應與高速數位訊號線、時鐘線等緊密相鄰，以減小這些強干擾訊號電流的回路面積，降低干擾訊號的輻射。

除此之外，射頻線周圍的地線應保持完整和連續。這樣可以保證射頻線特徵阻抗的連續性，降低射頻訊號的損耗。而對於多層板，印刷電路板上應盡量設置至少一個專門的地平面。這樣可以減少干擾訊號的輻射，提升產品的電磁相容性。

其他印刷電路板設計注意事項

在產品印刷電路板設計中，除了上述與GSM/GPRS模組射頻性能密切相關的印刷電路板設計注意事項外，還有一些重要的印刷電路板設計技術必須採用，且這些技術的運用與否，對客戶產品最終的射頻性能，尤其是輻射靈敏度性能，有著非常重要的影響。這些技術，主要包括如下幾個方面：

圖16　外部I/O電纜的遮罩

實踐證明，在上述這些印刷電路板設計技術中，遮罩及干擾濾波技術，是解決內部干擾輻射問題的重要解決方案。這些措施的正確運用，可非常顯著地提高產品的電磁相容性能，讓產品的GSM/GPRS無線通訊功能發揮最大的作用。

(本文作者為芯訊通射頻經理)