如何讓無線設(shè)備設(shè)計滿足監(jiān)管合規(guī)要求

您的任務(wù)是設(shè)計無線鏈接，例如Wi-Fi ?或ZigBee ?，以用于小型產(chǎn)品。撇開成本，電路板空間或功耗的傳統(tǒng)設(shè)計考慮因素，您知道您還必須處理美國聯(lián)邦通信委員會（以及其他地區(qū)的類似機構(gòu)）的監(jiān)管合規(guī)要求，這些要求會影響所有無線設(shè)備。您有三種基本方法來實現(xiàn)鏈接：

使用從許多供應(yīng)商中選擇的組件從“臨時”構(gòu)建收發(fā)器

使用使用供應(yīng)商組件及其組件的參考設(shè)計建議的物料清單

使用經(jīng)過認證的，經(jīng)過認證的“罐裝”模塊，您可以將其放入設(shè)計中;它的一側(cè)有數(shù)據(jù)接口，另一側(cè)有天線端口。

顯然，選項1是最具挑戰(zhàn)性的，但有時候是首選;雖然實現(xiàn)，布局問題和交互可能會影響性能和合規(guī)性，但選項2會更容易，并且可能會出現(xiàn)更少的麻煩。選項＃3是最簡單的，具有最高的置信度和最短的上市時間，合規(guī)性應(yīng)該是“明智的”，對吧？

錯誤。即使所選模塊完全獲得批準，使用它的最終設(shè)計也不會，并且需要通過認證測試。天線類型和布局，電源軌EMI和其他因素等問題可能導(dǎo)致昂貴，耗時的認證過程和測試失敗，即使使用經(jīng)過驗證的模塊也是如此（圖1）。

圖1：即使使用完全認可的符合法規(guī)的模塊，最終的電路板設(shè)計也會出現(xiàn)許多問題，從而導(dǎo)致測試“失敗”。

使用預(yù)先符合性測試作為前體

在設(shè)置，工程時間，理解FCC（或其他）法規(guī)要求，如何執(zhí)行測試，旅行方面，合規(guī)性測試成本高昂， 和更多。簡而言之，這是一次正式的，詳盡的，耗時的練習(xí)。在產(chǎn)品開發(fā)的這個階段，失敗的等級通常意味著昂貴的重新設(shè)計和產(chǎn)品引入延遲，同時找到并修復(fù)源（或源）。

而不是僅僅在完成測試后出現(xiàn)在測試中一些粗略的內(nèi)部測量，公司越來越多地使用專業(yè)測試設(shè)備進行預(yù)合規(guī)測試，首先在他們自己或本地站點進行全套測試，以確定他們是否會通過 - 如果沒有，為什么不，以及如何應(yīng)對它。他們還可以聘請合規(guī)顧問，他們可以指導(dǎo)他們完成測試協(xié)議，并根據(jù)此預(yù)合規(guī)測試中發(fā)現(xiàn)的缺陷或故障提供解決方案建議。我們的目標是盡早發(fā)現(xiàn)潛在問題并降低合規(guī)性測試階段失敗的風(fēng)險。

測試設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)認識到預(yù)先合規(guī)內(nèi)部測試的價值，并開發(fā)了強大的專業(yè)儀器，讓它變得實用。他們開發(fā)了“混合域”儀器，將一個GHz范圍的示波器，頻譜分析儀，邏輯分析儀和協(xié)議分析儀集成在一個單元中（圖2，顯示了基于Microchip MRF89XA模塊的測試設(shè)計），可與之配合使用用戶提供的PC。

圖2：被測器件（此處基于Microchip收發(fā)器模塊）與混合器之間的測試連接 - 域示波器。 （圖片由Tektronix提供）

然而，這些混合域單元不僅僅是四個儀器安裝在一個機箱中。這四種儀器通過物理連接（無需多個測試引線）和系統(tǒng)固件進行內(nèi)部鏈接，因此可以采集和分析時間相關(guān)的模擬，數(shù)字和RF信號。例如，這允許工程師通過產(chǎn)生的RF頻譜來查看設(shè)計的模擬或邏輯側(cè)的信號，偏置設(shè)置或狀態(tài)的變化的影響。

與合規(guī)性相關(guān)的測試這些儀器及其軟件套件 可以設(shè)置然后執(zhí)行的是發(fā)射功率，功率譜密度，占用帶寬，頻譜發(fā)射掩模和雜散發(fā)射測量，以及誤差矢量幅度（也稱為發(fā)送星座錯誤），每個都有合規(guī)的許多好/壞掩碼。它們甚至還包括一個近場射頻探頭，可用于“嗅探”以定位不需要的輻射射頻源，如圖3所示（在調(diào)試的諷刺性挑戰(zhàn)中，這種近場發(fā)射實際上可能導(dǎo)致微小的遠端 - 現(xiàn)場排放因此不合規(guī)。）

圖3：近場探頭與測試儀器一起用于查明不需要的源，麻煩的射頻輻射會直接導(dǎo)致不合規(guī)，或者產(chǎn)生間接的連鎖反應(yīng)，并將明顯的問題轉(zhuǎn)移到其他地方。

符合性問題需要多種解決方案

法規(guī)符合性測試和調(diào)試很難。挑戰(zhàn)分為五個階段：

發(fā)現(xiàn)您有問題及其性質(zhì)。

捕獲問題：探測，觸發(fā)并盡可能一致地捕獲它（很難做，但很重要）。

搜索并本地化您的數(shù)據(jù)記錄或屏幕中的問題，以及可能提供見解或線索的任何相關(guān)性。

分析以查看可能的內(nèi)容通過鏈和事件序列引起它。

計劃，嘗試并測試問題的明顯來源的特定解決方案。

如果問題的根源是基于軟件的（例如軟件保持信號“開啟”的時間超過應(yīng)有的時間，或者過快地轉(zhuǎn)換載波的頻率，從而產(chǎn)生過多的帶外發(fā)射），然后修改軟件通常是最好的方法。但是，有時，基于軟件的修復(fù)會導(dǎo)致其他問題，或者根本不可能。如果以硬件為中心的解決方案可以更好地處理這個缺點，那么可以選擇三種類型的附加組件。

使用金屬罐或外殼屏蔽RF EMI可能看起來像一個不優(yōu)雅的解決方案，但它有效，低成本，可以“事后”添加，在很多情況下對布局設(shè)計的影響最小。當(dāng)然，盾牌可以定制，但現(xiàn)貨供應(yīng)大量標準盾牌。

例如，Laird Technologies提供各種不同外觀（實體與“開放”）以及長度，寬度和高度尺寸，以適應(yīng)常用模塊和PCB部分。他們的BMI-S-101（圖4）是一體式表面貼裝屏蔽，尺寸為0.476×0.538×0.1英寸（12.10×13.66×2.54 mm）。

圖4：標準金屬屏蔽“罐”，例如Laird Technologies的這種“罐”，可以成為解決RF子電路中EMI問題的技術(shù)，成本和時間有效的方法。

即使是“簡單”的產(chǎn)品，如盾牌，在給定尺寸下也會有許多機械變化。它們具有折疊，剛性或無縫拉伸角，可實現(xiàn)不同的衰減等級（和成本），具有不同的安裝選項（通孔或表面貼裝），以及適用于不同環(huán)境（消費者，商業(yè)和Mil-）的材料/飾面規(guī)范環(huán)境）。根據(jù)頻率，制造和附件選擇，BMI-S-101可提供50至120 dB的RF衰減。此外，使用金屬屏蔽時不會有功耗損失。

有時，合規(guī)性故障不是由RF電路本身引起的，而是由供電無線子系統(tǒng)的DC軌引起的。這可能是因為直流導(dǎo)軌從電路板上的其他地方拾取射頻輻射，然后充當(dāng)微型天線并重新輻射它們，或者直流導(dǎo)軌及其DC/DC穩(wěn)壓器/轉(zhuǎn)換器是EMI/RFI的來源由于其開關(guān)拓撲。

對于前一種情況，無源鐵氧體磁珠可能是一種極具吸引力的EMI抑制元件。這些磁珠插入輻射能量而不是傳輸它的線路中，不需要額外的布線，并且沒有功耗或DC耗散（在這種情況下它們唯一的耗散是它們抑制的RF能量）。

鐵氧體磁珠具有多種尺寸，具有不同的衰減等級和頻率范圍。 （片狀鐵氧體磁珠對幾MHz到幾GHz的頻率有效。）它們在較低頻率范圍內(nèi)具有微亨的電感，但在較高頻率下，電感的電阻分量產(chǎn)生初級阻抗（圖5）。當(dāng)在噪聲產(chǎn)生電路中串聯(lián)插入時，電感的電阻阻抗可以防止噪聲傳播。

圖5：等效電路模型無害的鐵氧體磁珠表明它實際上是一個與電感串聯(lián)的電阻器。

有許多鐵氧體磁珠供應(yīng)商，其中包括村田電子。他們的EMIFIL直流EMI抑制濾波器可作為組件，帶有用于PC插入的整體引線，或者可以滑過現(xiàn)有電線的版本（圖6顯示了Murata BL01，Murata BL02RN1，Murata BL02RN2和Murata BL03RN2）。它們的性能曲線圖（圖7）顯示它們的電阻阻抗（R）急劇增加到大約200 MHz，而阻抗（X）的電感部分保持相對平坦到相同的頻率。

圖6：Murata BL01/02/03系列中的鐵氧體磁珠可作為滑動式元件或帶引線的器件提供，有單串聯(lián)和雙串聯(lián)配置可供選擇附加衰減和物理布局選項。

圖7：即使是看似簡單的組件，例如Murata BL01/02/03中的組件，其Z = R + jX阻抗與頻率圖表，顯示有用和所需的設(shè)計信息。

對于DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器是過度EMI的來源，一些設(shè)計人員選擇使用擴頻方法。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，DC/DC穩(wěn)壓器不工作在固定頻率;相反，頻率在標稱設(shè)置周圍以偽隨機模式故意改變（抖動）。

結(jié)果并不是它們產(chǎn)生較少的射頻能量，而是產(chǎn)生的能量在很寬的范圍內(nèi)“擴散”，因此不會超過任何部分的規(guī)定最大值。請注意，一些工程師認為這種技術(shù)是一種不優(yōu)雅的“作弊”，而另一些工程師認為這對于解決這個問題是非常合理的。

代表性器件是Linear Technology的LTC3543，一種同步降壓降壓穩(wěn)壓器具有集成PLL，可提供高達600 mA的電流，并具有用戶可選的擴頻功能。其2.5 V至5.5 V輸入電壓范圍使其非常適合由單節(jié)鋰離子電池供電的應(yīng)用。

標稱固定工作頻率為2 MHz，但可以設(shè)置從1 MHz和3 MHz擴展到頻段。結(jié)果是峰值RF噪聲顯著降低約20 dB（圖8），未擴散峰值約為2.3 MHz，擴頻峰值約為2.5 MHz。明顯的20 dB衰減很容易使失效和通過必要的合規(guī)性要求之間產(chǎn)生差異。

圖8：LTC3543 DC/DC降壓凌力爾特公司的降壓穩(wěn)壓器具有用戶可切換的擴頻功能，可降低RF頻譜特定部分的噪聲能量，同時不降低總噪聲能量。

總之，RF和無線 - 如果使用購買的模塊，鏈接設(shè)計可以相對容易，或者使用自己動手的設(shè)計相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。無論采用何種方法，滿足日益嚴格的法規(guī)遵從要求，限制所有運行模式中的帶外排放和其他不良屬性，這是一項艱巨的任務(wù)，需要先進的洞察力和經(jīng)驗。

專業(yè)測試設(shè)備可以幫助澄清問題的性質(zhì)并找到其來源。諸如基本金屬屏蔽，EMI抑制鐵氧體磁珠和能量擴展DC穩(wěn)壓器等組件是需要考慮的硬件解決方案之一。