GNSS接收机印制板的电磁兼容设计要求

本文主要是针对GNSS接收机印制板的电磁兼容设计要求，提出了有效的解决方案，并在实际设计中应用，供广大设计者参考。

1 引言

低功耗、小型化设计已经成为GNSS接收机的设计发展方向。由于GNSS接收机是一个复杂的系统，集成了天线、射频、A/D、信号处理、数据处理、显示控制等功能模块，既有数字电路也有射频电路。这样一个复杂系统的小型化设计，对整机的电磁兼容性能提出了更高的要求。

在GNSS接收机的电磁兼容设计中，印制板的电磁兼容设计是整机电磁兼容设计的核心，直接影响着设备的整体性能，特别是信号接收能力、抗干扰能力。本文主要介绍在GNSS接收机印制板(PCB)的电磁兼容设计过程中需要注意和掌握的技巧。

2 PCB的干扰模式

任何干扰的发生都需要有干扰源、干扰途径、敏感设备这三个要素。任何电磁兼容设计都是围绕这些要素展开的。针对PCB的电磁干扰，主要有以下4种干扰模式：

2.1 传导耦合

包括直接传导耦合和公共阻抗耦合。直接传导耦合指噪声通过实际元件耦合到被干扰电路。公共阻抗耦合主要是公共地阻抗和公共电源阻抗引起的耦合干扰。由于电源线、接地线和印制线都有一定的阻抗，并且阻抗是频率、线长、线粗、以及印制线的宽度、厚度的函数，所以频率越高、线越长、越细，则阻抗越大，发生干扰的可能性越大。

2.2 串音干扰

串音干扰是由于一个信号线路干扰另一个邻近的信号路径而引起的。它通常发生在邻近的电路和导体上。由于互连线、印制线之间的分布电容而产生串扰。用电路和导体的互容和互感来表征。由于串音可以由电场通过互容，磁场通过互感引起，所以考虑PCB带状线上的串音问题时，最主要是确定电场(互容)、磁场(互感)耦合哪个是主要的。

2.3 辐射耦合

辐射耦合主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰。当信号回路尺寸可与信号基波或谐波的波长进行比拟时，信号可通过回路向外辐射能量。当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题，沿线引起的分布小电压源可分解为共模和差模分量。共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的电流。差模辐射通过减小设计中信号回路面积可较易得到控制，而共模辐射由于同向电流的叠加自激而较难有效地控制，共模辐射往往决定了系统的总体辐射性能。

2.4 不匹配线的辐射

当传输信号线的阻抗与负载阻抗不匹配时，会导致反射和阻尼振荡。反射会在稳态信号上下产生电压过冲和下冲现象，影响信号的完整性而造成干扰。为了将电压的过冲、下冲限制在合理的范围内(不超出稳态值的10%―15%)，应该遵循下面这样一个原则：信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延，即：

tr≤2* lp/tppd

式中： tr――信号的上升时间;lp――信号线的长度;tppd―― 信号线单位长度引起的时延。

3 GNSS接收机印制板的特点

根据功能不同，可以将GNSS接收机印制板分解成以下几种功能模块：射频模块、ADC模块、信号处理模块、数据处理模块、显控处理模块。组成框图如图1所示。

接收机天线将接收到的GNSS卫星信号，滤波处理后经低噪声放大器放大送到射频模块。射频模块通过下变频将射频信号变换成中频信号，再经A/D变换后送给基带信号处理模块进行信号解调。

信号处理模块，完成对设定导航信号的捕获、跟踪、导航电文解调译码、原始观测量提取等功能，并通过数据总线接口将这些信息输送给数据处理模块。

数据处理模块利用基带信号处理模块输出的观测量和导航电文等信息，完成卫星位置的计算、用户位置速度时间(PVT)等信息的解算，并将结果送给显控处理模块。

显控处理模块主要是利用数据处理模块上报的位置、速度和时间等信息进行各种应用设计，包括位置告知、车辆导航、面积计算等。

从上可见，GNSS接收机的印制板功能复杂，集成了射频信号处理、基带信号处理、数据处理和显示控制，为印制板设计带来了极大的挑战。下面简单介绍GNSS接收机印制板的一些典型特点。

3.1 体积小、集成度高

为了降低设计成本，提高产品的应用能力，GNSS接收机的小型化是一种必然趋势，往往需要在狭窄的印制板上放置FPGA、DSP、ARM、电源、射频等多种器件。体积小、集成度高，为PCB的电磁兼容设计提出了更高的挑战。

3.2 模数混合

GNSS接收机的印制板上往往要实现微弱信号放大、射频信号的下变频，中频信号的模数转换，数字信号处理。处理的信号有射频信号(比如GPS L1频点1.575GHz)、中频信号(小于20MHz)、以及数字电路。各种电路集成在一个印制板上，为印制板电磁兼容设计提出了极大的挑战。

3.3 射频信号易干扰

GNSS接收机的灵敏度一般在-130dBm左右，甚至更低，这就对带内信号具有很高的要求，要求在设计过程中，接收机不能产生同频带的干扰，并要求尽量降低印制板辐射。

4 GNSS接收机印制板的电磁兼容设计

GNSS接收机印制板的电磁兼容设计，除了经常必用的降低电磁干扰的技术外，还需要特别注意以下两点：(1)射频电路的电磁兼容设计;(2)整个印制板的屏蔽设计。

4.1 射频电路的电磁兼容设计

射频电路易受其他电路，特别是数字电路的干扰。在设计过程中，一定要对部分的电路加以保护，主要采用以下几种措施：

4.1.1 射频电路与数字电路采用统一地

在设计兼有数字电路和模拟电路特别是射频电路的印制板时，必须了解电磁兼容的两个基本原则：尽量减小电流环路的面积、系统只采用一个参考面。

如果将数字电路的数字地和射频电路的模拟地分隔开，这就要求不能在分割间隙布线，一旦跨越了分割间隔布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。

由于GNSS接收机的射频电路与数字电路之间的信号较多。如果采用分割地方案，则不能避免要在分割间隙布线，从而造成不可避免的电磁兼容问题。

最好的解决办法就是采用统一。将统一的地分为射频部分和数字部分。将各部分电路分区布局，这样既满足了IC器件厂上对模拟地和数字地引脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生的EMC问题。

4.1.2 射频电路进行屏蔽保护

由于射频电路易受外部电磁场的干扰，对射频电路部分要采用屏蔽保护，防止数字电路部分的干扰。

4.2 整个PCB电磁辐射的控制

对GNSS接收机而言，整机的对外辐射强度往往决定了设备的应用性，一方面可能造成设备自身的不正常工作，另一方面造成其他电子产品的不正常工作。如要控制好整机的电磁兼容，根本上要控制住PCB的电磁辐射。

4.2.1 对整个PCB采用金属屏蔽

金属屏蔽，对一个PCB而言，是最有效的降低EMC辐射的办法。可用屏蔽效能(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为：

SEdB=AdB+RdB+BdB

式中：A――吸收损耗，单位为dB;R――反射损耗，单位为dB;B――校正因子，单位为dB(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)。一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一。

4.2.2 接口滤波

如果PCB板存在电源与信号和控制线等外部接口，均要进行滤波处理。这样有效的提高PCB抗共模干扰能力。

 结语

本文主要是针对GNSS接收机中的PCB电磁兼容设计，提出了有效的解决方案方法。这些方法在实际应用中，起到了重要作用。