如何让无线设备设计满足监管合规要求

您的任务是设计无线链接，例如Wi-Fi ®或ZigBee ®，以用于小型产品。撇开成本，电路板空间或功耗的传统设计考虑因素，您知道您还必须处理美国联邦通信委员会（以及其他地区的类似机构）的监管合规要求，这些要求会影响所有无线设备。您有三种基本方法来实现链接：

使用从许多供应商中选择的组件从“临时”构建收发器

使用使用供应商组件及其组件的参考设计建议的物料清单

使用经过认证的，经过认证的“罐装”模块，您可以将其放入设计中;它的一侧有数据接口，另一侧有天线端口。

显然，选项1是最具挑战性的，但有时候是首选;虽然实现，布局问题和交互可能会影响性能和合规性，但选项2会更容易，并且可能会出现更少的麻烦。选项＃3是最简单的，具有最高的置信度和最短的上市时间，合规性应该是“明智的”，对吧？

错误。即使所选模块完全获得批准，使用它的最终设计也不会，并且需要通过认证测试。天线类型和布局，电源轨EMI和其他因素等问题可能导致昂贵，耗时的认证过程和测试失败，即使使用经过验证的模块也是如此（图1）。

图1：即使使用完全认可的符合法规的模块，最终的电路板设计也会出现许多问题，从而导致测试“失败”。

使用预先符合性测试作为前体

在设置，工程时间，理解FCC（或其他）法规要求，如何执行测试，旅行方面，合规性测试成本高昂， 和更多。简而言之，这是一次正式的，详尽的，耗时的练习。在产品开发的这个阶段，失败的等级通常意味着昂贵的重新设计和产品引入延迟，同时找到并修复源（或源）。

而不是仅仅在完成测试后出现在测试中一些粗略的内部测量，公司越来越多地使用专业测试设备进行预合规测试，首先在他们自己或本地站点进行全套测试，以确定他们是否会通过 - 如果没有，为什么不，以及如何应对它。他们还可以聘请合规顾问，他们可以指导他们完成测试协议，并根据此预合规测试中发现的缺陷或故障提供解决方案建议。我们的目标是尽早发现潜在问题并降低合规性测试阶段失败的风险。

测试设备供应商已经认识到预先合规内部测试的价值，并开发了强大的专业仪器，让它变得实用。他们开发了“混合域”仪器，将一个GHz范围的示波器，频谱分析仪，逻辑分析仪和协议分析仪集成在一个单元中（图2，显示了基于Microchip MRF89XA模块的测试设计），可与之配合使用用户提供的PC。

图2：被测器件（此处基于Microchip收发器模块）与混合器之间的测试连接 - 域示波器。 （图片由Tektronix提供）

然而，这些混合域单元不仅仅是四个仪器安装在一个机箱中。这四种仪器通过物理连接（无需多个测试引线）和系统固件进行内部链接，因此可以采集和分析时间相关的模拟，数字和RF信号。例如，这允许工程师通过产生的RF频谱来查看设计的模拟或逻辑侧的信号，偏置设置或状态的变化的影响。

与合规性相关的测试这些仪器及其软件套件 可以设置然后执行的是发射功率，功率谱密度，占用带宽，频谱发射掩模和杂散发射测量，以及误差矢量幅度（也称为发送星座错误），每个都有合规的许多好/坏掩码。它们甚至还包括一个近场射频探头，可用于“嗅探”以定位不需要的辐射射频源，如图3所示（在调试的讽刺性挑战中，这种近场发射实际上可能导致微小的远端 - 现场排放因此不合规。）

图3：近场探头与测试仪器一起用于查明不需要的源，麻烦的射频辐射会直接导致不合规，或者产生间接的连锁反应，并将明显的问题转移到其他地方。

符合性问题需要多种解决方案

法规符合性测试和调试很难。挑战分为五个阶段：

发现您有问题及其性质。

捕获问题：探测，触发并尽可能一致地捕获它（很难做，但很重要）。

搜索并本地化您的数据记录或屏幕中的问题，以及可能提供见解或线索的任何相关性。

分析以查看可能的内容通过链和事件序列引起它。

计划，尝试并测试问题的明显来源的特定解决方案。

如果问题的根源是基于软件的（例如软件保持信号“开启”的时间超过应有的时间，或者过快地转换载波的频率，从而产生过多的带外发射），然后修改软件通常是最好的方法。但是，有时，基于软件的修复会导致其他问题，或者根本不可能。如果以硬件为中心的解决方案可以更好地处理这个缺点，那么可以选择三种类型的附加组件。

使用金属罐或外壳屏蔽RF EMI可能看起来像一个不优雅的解决方案，但它有效，低成本，可以“事后”添加，在很多情况下对布局设计的影响最小。当然，盾牌可以定制，但现货供应大量标准盾牌。

例如，Laird Technologies提供各种不同外观（实体与“开放”）以及长度，宽度和高度尺寸，以适应常用模块和PCB部分。他们的BMI-S-101（图4）是一体式表面贴装屏蔽，尺寸为0.476×0.538×0.1英寸（12.10×13.66×2.54 mm）。

图4：标准金属屏蔽“罐”，例如Laird Technologies的这种“罐”，可以成为解决RF子电路中EMI问题的技术，成本和时间有效的方法。

即使是“简单”的产品，如盾牌，在给定尺寸下也会有许多机械变化。它们具有折叠，刚性或无缝拉伸角，可实现不同的衰减等级（和成本），具有不同的安装选项（通孔或表面贴装），以及适用于不同环境（消费者，商业和Mil-）的材料/饰面规范环境）。根据频率，制造和附件选择，BMI-S-101可提供50至120 dB的RF衰减。此外，使用金属屏蔽时不会有功耗损失。

有时，合规性故障不是由RF电路本身引起的，而是由供电无线子系统的DC轨引起的。这可能是因为直流导轨从电路板上的其他地方拾取射频辐射，然后充当微型天线并重新辐射它们，或者直流导轨及其DC/DC稳压器/转换器是EMI/RFI的来源由于其开关拓扑。

对于前一种情况，无源铁氧体磁珠可能是一种极具吸引力的EMI抑制元件。这些磁珠插入辐射能量而不是传输它的线路中，不需要额外的布线，并且没有功耗或DC耗散（在这种情况下它们唯一的耗散是它们抑制的RF能量）。

铁氧体磁珠具有多种尺寸，具有不同的衰减等级和频率范围。 （片状铁氧体磁珠对几MHz到几GHz的频率有效。）它们在较低频率范围内具有微亨的电感，但在较高频率下，电感的电阻分量产生初级阻抗（图5）。当在噪声产生电路中串联插入时，电感的电阻阻抗可以防止噪声传播。

图5：等效电路模型无害的铁氧体磁珠表明它实际上是一个与电感串联的电阻器。

有许多铁氧体磁珠供应商，其中包括村田电子。他们的EMIFIL直流EMI抑制滤波器可作为组件，带有用于PC插入的整体引线，或者可以滑过现有电线的版本（图6显示了Murata BL01，Murata BL02RN1，Murata BL02RN2和Murata BL03RN2）。它们的性能曲线图（图7）显示它们的电阻阻抗（R）急剧增加到大约200 MHz，而阻抗（X）的电感部分保持相对平坦到相同的频率。

图6：Murata BL01/02/03系列中的铁氧体磁珠可作为滑动式元件或带引线的器件提供，有单串联和双串联配置可供选择附加衰减和物理布局选项。

图7：即使是看似简单的组件，例如Murata BL01/02/03中的组件，其Z = R + jX阻抗与频率图表，显示有用和所需的设计信息。

对于DC/DC开关稳压器是过度EMI的来源，一些设计人员选择使用扩频方法。在这种拓扑结构中，DC/DC稳压器不工作在固定频率;相反，频率在标称设置周围以伪随机模式故意改变（抖动）。

结果并不是它们产生较少的射频能量，而是产生的能量在很宽的范围内“扩散”，因此不会超过任何部分的规定最大值。请注意，一些工程师认为这种技术是一种不优雅的“作弊”，而另一些工程师认为这对于解决这个问题是非常合理的。

代表性器件是Linear Technology的LTC3543，一种同步降压降压稳压器具有集成PLL，可提供高达600 mA的电流，并具有用户可选的扩频功能。其2.5 V至5.5 V输入电压范围使其非常适合由单节锂离子电池供电的应用。

标称固定工作频率为2 MHz，但可以设置从1 MHz和3 MHz扩展到频段。结果是峰值RF噪声显着降低约20 dB（图8），未扩散峰值约为2.3 MHz，扩频峰值约为2.5 MHz。明显的20 dB衰减很容易使失效和通过必要的合规性要求之间产生差异。

图8：LTC3543 DC/DC降压凌力尔特公司的降压稳压器具有用户可切换的扩频功能，可降低RF频谱特定部分的噪声能量，同时不降低总噪声能量。

总之，RF和无线 - 如果使用购买的模块，链接设计可以相对容易，或者使用自己动手的设计相当具有挑战性。无论采用何种方法，满足日益严格的法规遵从要求，限制所有运行模式中的带外排放和其他不良属性，这是一项艰巨的任务，需要先进的洞察力和经验。

专业测试设备可以帮助澄清问题的性质并找到其来源。诸如基本金属屏蔽，EMI抑制铁氧体磁珠和能量扩展DC稳压器等组件是需要考虑的硬件解决方案之一。