射频模块天线端的ESD该如何设计?

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  硬件工程师在设计产品时,ESD抗扰度是一个重要的考虑指标。静电对于大部分电子产品来说都存在危害,射频模块对静电更加敏感。那么针对射频模块类产品,ESD抗扰度应当如何考虑和设计呢?

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  关于ESD抗扰度等级,不同产品不同行业对应着不同的标准,国际电工委员会所颁布的IEC61000-4-2标准适合于各种电气与电子设备做电磁兼容性的测试。在进行产品设计前需要先规定好产品的ESD抗扰度的等级,要么根据标准来定义要么根据产品实际需要来定义。这样才可以有依据的进行产品设计及测试。

  关于ESD抗扰度等级的实现方法,主要有外壳设计、硬件设计及PCB布局、元器件选型、软件修复等。其中在硬件设计方面,一个重要的方法是在输入或输出的关键电路节点处加入ESD保护器件。ESD保护器件一般使用瞬变电压抑制器,也就是硬件工程师常说的TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管,TVS管的关键特性是它在正常工作电压下具有高阻抗,而在电压超出正常工作电压的时候变成了低阻抗,此时将电流直接从敏感部件引导至系统地或者大地(外壳地),抑制TVS管两极间受到的反向瞬态高电压,对于静电,适合选用双向TVS,而不是单向TVS。

  对于IOT行业,无线产品是其重要的组成部分,而无线模块又是无线产品的重要一环,本文主要对无线模块天线端及射频接口的ESD设计进行说明,无线模块产品在设计上可以加上ESD保护器件,而应用无线模块的底板在设计时则需要在天线接口处考虑可靠有效的静电泄放路径,保证静电泄放路径不经过敏感器件及敏感线路。

  在使用无线模块的时候,从无线模块产品手册上有时会看到天线端需避免静电直接打到天线的射频接口,甚至用手去拿模块最好都要带上防静电手套。这就说明无线模块的射频输出端是对静电敏感的,超过一定的静电等级可能会使得无线模块受到永久性的损坏。此处推荐一种无线模块射频输出端的ESD设计电路结构,如图3所示。

  对于外接天线版本的无线模块,一般需要在应用无线模块的底板上放置天线接口(比如SMA接口),以便安装所需的天线。这时候需要充分考虑静电在底板的泄放路径,保证静电不要通过射频转接线进入到无线模块产品本身,保证即使有静电导入天线接口,静电也可以快速的通过我们所设计的泄放路径泄放到大地,这样可以有效提高产品的可靠性。一般情况下,推荐使用如图4所示的阻容网络来传导静电,注意在PCB布局时保证静电泄放路径最短且不经过静电敏感器件、射频电路以及敏感线路(比如数据线、时钟线等),此处的电容需是耐高压的器件。

  如图5所示,J12是4G无线模块的SMA天线接口,且裸露在空气中,所以静电就有可能从SMA引入到PCB的地。为了避免静电导入4G无线模块,使得模块损坏,就需要在PCB上设计静电泄放阻容网络,设计原则是该静电泄放路径最短且不经过静电敏感网络,必要时可以挖槽增加隔离,或者在静电泄放路径上打过孔来减小电阻使得静电可以更多、更快的从设计的路径上泄放。

  下图中PCB的螺丝孔通过螺丝固定在外壳上,外壳是泄放静电的主要载体,所以此处的做法就是在SMA与螺丝孔(即外壳)之间增加静电泄放阻容网络R36并联C82,SMA、静电泄放网络与螺丝孔在一条直线上,保证路径最短,且路径上没有任何走线,在静电泄放路径上特意增加一些过孔来减小阻抗。最终做出来的样机也通过了ESD抗扰度实验。

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