基于北斗一号/GPS手持终端的电磁兼容设计

王　黎，杜宇峰

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）



基于北斗一号/GPS手持终端的电磁兼容设计

王黎1，2，3，杜宇峰1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，石家庄 050081；3.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，石家庄 050081）

摘要：本文基于自研的“北斗一号/GPS手持双模型用户机”项目，通过对实际产品的设计和电磁兼容的优化设计，提高了产品的电磁兼容性，通过了国军标GJB 151A-1997和GJB 152A-1997要求的电磁兼容试验，使本项目研制的北斗一号/GPS手持终端成为某部队的生产定型产品。

关键词：北斗；GPS；手持终端；电磁干扰；电磁兼容

1 引言

北斗一号/GPS手持型用户机充分依托我国自主的北斗一号卫星导航定位系统，具有北斗定位、位置报告、报文通信的能力，大大增强单兵作战人员战场侦察、态势感知和战场生存能力。该终端集成有GPS接收单元，这样使得整机具备了北斗定位、GPS定位以及GPS差分定位三种定位功能，在北斗一号/GPS手持终端中电磁干扰的主要来源有下几个方面：射频模块、基带模块、天线。

2 北斗一号/GPS手持终端的电磁兼容设计

2.1 电磁屏蔽设计

2.1.1 金属屏蔽罩和金属屏蔽盒

在手持终端产品中PCB板上空间很小，所以采取金属屏蔽罩来进行电磁屏蔽。如图1所示为某产品主板上的金属屏蔽罩。

图1　金属屏蔽罩

使用金属屏蔽罩时要特别注意一点，就是需要良好接地，金属屏蔽罩和地之间不要有缝隙，如果有缝隙，就会形成一个缝隙天线，电磁波就会从缝隙中泄露出来，金属屏蔽罩就起不到作用了。另外，金属屏蔽罩必须无缝焊接在PCB板的地上，而且屏蔽罩和板上的元器件要保持一个适当的距离。

金属屏蔽罩的制造和装配成本都比较高，金属屏蔽盒是一种经济的选择。手持终端产品的射频模块选择用金属屏蔽盒，一方面，射频模块采用模块化设计，与其他基带部分电路独立成为一个模块，方便调试；另一方面，射频模块采用金属屏蔽盒的形式，电磁屏蔽性好，降低受电磁干扰的影响。射频模块的金属屏蔽盒采用铝合金制造，如图2所示为某产品的射频盒。

图2　金属屏蔽盒

2.1.2 导电屏蔽膜

北斗一号/GPS手持终端在设计时因为是手持设备，考虑到尺寸和空间的限制所以采用在显示屏前面使用透明屏蔽材料，而且手持终端液晶显示屏是触摸屏，选用屏蔽材料时还要考虑选用柔性材料，所以综合考虑后我们选用中电科集团33所研制的导电膜屏蔽窗。该导电膜屏蔽窗是通过磁控溅射镀膜设备将ITO（纳米铟锡金属氧化物）靶材溅射镀覆在玻璃表面形成导电膜层，该膜具有很好的导电性和透光性。导电膜还是一种柔性材料，可以传导外界压力给触摸屏。经过长期的-20℃～+55℃施加温度应力检验，屏蔽膜没有明显变形和褶皱，所以在手持终端设备液晶屏上使用屏蔽膜即保证了高亮度的可视性，又达到了电磁兼容的要求。

2.1.3 吸波材料

在测试北斗一号/GPS手持终端样机性能时，发现用户机接收灵敏度很差，与标准要求相差了2dB左右。用排除法逐步撤去部分设备或单元（即让部分设备不加电，退出工作），经大量实验和测试发现北斗手持型用户机主要的干扰是由于操纵显示板产生的电磁干扰影响到了北斗天线，从而影响性能。所以在用户机的操纵显示板上贴吸波材料来减少电磁干扰，这样简单处理效果很明显，再次测试灵敏度能提高2dB，达到标准要求。

2.2 接地设计

信号接地是为系统内部各种电路设置公共参考地，是信号流回源的低阻抗路径，主要目的是抑制电磁干扰。

在实际应用中，大部分设备既有高频部分（如数字单元）又有低频部分（如模拟单元），此时应分别对待，低频电路采用单点接地，高频电路采用多点接地，如图中3所示。

图3　混合接地

2.3 滤波设计

选用滤波器时要考虑以下几点：滤波器不能对工作信号有影响，不能造成信号的失真；电源滤波器除了要保证满足安全方面的要求外，还要注意当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和，从而导致滤波器性能下降。

2.4 PCB板的电磁兼容设计

2.4.1 多层板的分层设计

北斗一号/GPS手持终端的基带处理板PCB采用多层板。北斗一号/GPS手持终端的电源有3.3V，5V，1.33V和1.8V，其中，3.3V是整个PCB板所有器件的IO电源，单独占一层覆盖整个PCB板，所以电源层分为2层，3.3V一层，5V，1.33V，1.8V共占一层。考虑到电源回路的问题，每层电源层需要一层地平面与其相邻对应。DSP和FPGA芯片采用BGA封装，所以信号线走线层至少需要4层。所以主板采用8层板的叠层设计。

2.4.2 PCB布局、布线设计

北斗一号/GPS手持终端的主板综合布局首先应考虑按逻辑速度布局，高速的器件（高速逻辑、时钟等）应安放在紧靠边缘连接器范围内，而低速逻辑器件和存储器，应安放在远离连接器范围内，如图4所示。对有信号进出印制板的器件，应尽量安排布设在连接器附近，这样有利于减小共阻抗耦合、辐射和交扰。所有连接器应安排在印制板的一侧，尽量避免从印制板两侧引出电缆，这样对共模辐射的减少是有利的。

对于PCB板上数字地和模拟地分割问题，尤其是在复杂的系统，存在很多潜在的问题，一旦跨越了数字地和模拟地分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。因此笔者建议采取统一“地”，而在PCB布局时分为数字区和模拟区两部分。模拟信号在模拟区布线，数字信号在数字区布线，数字信号回流不会影响到模拟地。只有在数字信号布线在模拟区，或者模拟信号布线在数字区，形成交叉，才会形成数字信号对模拟信号的骚扰［1］。

图4　器件布局分布图

3 结束语

本产品的EMC设计通过良好的接地、屏蔽措施和有针对性的滤波、合理的布局布线等多项设计手段综合设计，整个产品的EMC设计预期符合研制要求，能够满足国军标GJB 151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》，通过了电磁兼容测试。■

参考文献

［1］ 白同云，吕晓德编著.电磁兼容设计.北京：北京邮电大学出版社出版，2001

［2］ 孙朋朋.手持移动通信终端的设计与电磁兼容性分析.青岛理工大学，2010

［3］ 周利利.手持导航设备的电磁干扰定位和整改.东南大学，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

中图分类号：P228，TN97

文献标识码：A 文章编码：1672-7274（2016）06-0001-03