我們幾乎生活在一個(gè)被電磁波環(huán)繞的星球上。
云層中的雷鳴閃電會(huì)發(fā)射電磁波，城市中星羅棋布的移動(dòng)基站和通信天線也在不停地放射著電磁波。
日常生活中不可缺少的家電產(chǎn)品，比如手機(jī)、微波爐、電磁爐、電腦、電視、車(chē)載電臺(tái)，甚至電熱毯、電吹風(fēng)、電飯鍋、加濕器……更讓人置身電磁波的天羅地網(wǎng)。
這些電磁波有強(qiáng)有弱，有高有低，有遠(yuǎn)有近，早已不是什么新鮮事。
而5G高頻率的引入、IoT設(shè)備數(shù)量暴漲，以及各種智能硬件的功能升級(jí)，都在讓我們習(xí)以為常的電磁環(huán)境，變得愈加復(fù)雜。
在這樣的大背景下，如何設(shè)計(jì)出依然能夠滿(mǎn)足電磁兼容性EMC認(rèn)證要求的產(chǎn)品，對(duì)硬件工程師來(lái)說(shuō)，就是一件極具挑戰(zhàn)性的事情了。
既能安內(nèi)，也要攘外：不可或缺的EMC
首先需要澄清的是，電磁波種類(lèi)雖多，卻并不一定都有害健康。
只有當(dāng)電磁強(qiáng)度達(dá)到一定程度，才會(huì)產(chǎn)生電磁污染。像是多年來(lái)許多國(guó)家長(zhǎng)期跟蹤的移動(dòng)手機(jī)電磁波問(wèn)題，事實(shí)就證明對(duì)人體健康并不會(huì)產(chǎn)生危害性。
而為了最大程度地保證電磁波的安全性，EMC電磁兼容性就普遍被工業(yè)界提上日常。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是要求電子設(shè)備既能夠在電磁環(huán)境中保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，不會(huì)受到一點(diǎn)干擾就罷工；也要具備良好的“外交能力”，不對(duì)外部環(huán)境中的其他環(huán)境造成過(guò)大的干擾，比如充電玩手機(jī)時(shí)屏幕不聽(tīng)使喚，出現(xiàn)亂跳、翻頁(yè)等詭異現(xiàn)象，就是劣質(zhì)充電頭產(chǎn)生了電磁波干擾的鍋。
為了讓用戶(hù)家里的電子設(shè)備都能夠和平共處，相關(guān)的EMC電磁兼容性就成為產(chǎn)品順利進(jìn)入市場(chǎng)的前提條件，各個(gè)行業(yè)也都有著對(duì)應(yīng)的EMC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
那么，5G的規(guī)?；逃糜衷斐闪四男┬聠?wèn)題呢？
我們不妨順著可能變化的“干擾源”來(lái)梳理。
首先，由于5G網(wǎng)絡(luò)頻段較高的特性，決定了其覆蓋范圍小于3G/4G網(wǎng)絡(luò)，也就需要大規(guī)模部署小基站，電磁兼容挑戰(zhàn)也就應(yīng)運(yùn)而生。
最新出現(xiàn)的電磁干擾源“微基站”，由于毫米波穿透力差，衰減大，就需要配備大量的電磁屏蔽器件，來(lái)達(dá)到更高的抗干擾能力。
繼續(xù)向前，會(huì)發(fā)現(xiàn)伴隨著5G的部署升級(jí)，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及大眾身邊的天線數(shù)量也在指數(shù)級(jí)地增加，各個(gè)頻率、設(shè)備之間也有可能會(huì)互相干擾。
智能手機(jī)有個(gè)測(cè)試項(xiàng)目叫單音靈敏度，就是在距離通道一定頻率間隔處施加一個(gè)強(qiáng)干擾單音信號(hào)，觀察手機(jī)靈敏度會(huì)惡化多少。如果電磁波干擾的是心臟起搏器、人工肺泵、汽車(chē)行駛，或者是賽博朋克們植入體內(nèi)的腦機(jī)呢？
拋開(kāi)這些極端情況，即使電機(jī)工程師來(lái)將電磁屏蔽控制在安全范圍內(nèi)，但越來(lái)越多的電子設(shè)備集體散熱，也夠大眾受的。
電磁波輻射后引起機(jī)體升溫，由此產(chǎn)生的熱效應(yīng)，盡管目前傷害不明顯，但長(zhǎng)期接觸下來(lái)到底會(huì)不會(huì)影響健康，科學(xué)界至今沒(méi)有確切答案，5G的到來(lái)自然又增加了新的不確定性。
攻守之間：電磁兼容的5G式挑戰(zhàn)
既然“攻方”出了牌，那“守方”自然也得有后招。
可是5G也讓不少老招失靈了。
一般情況下，工業(yè)界降低電磁干擾的方法就跟“新冠抗疫”一樣：
一靠阻斷傳播，把通路切斷直接讓可能干擾的電磁波過(guò)不來(lái)，比如濾波法（增加電抗器和EMI濾波器，從電路層面減少傳導(dǎo)騷擾）、屏蔽法（使用帶有屏蔽的雙絞線，抑制電磁波的輻射）、接地法（地層的增加可以有效提高PCB的電磁兼容性）、隔離法（動(dòng)力線與其他弱電信號(hào)線分開(kāi)走線）等等。
二靠增強(qiáng)“體質(zhì)”，在電子設(shè)備中加入更多的電磁屏蔽和導(dǎo)熱器件，解決產(chǎn)品間電磁屏蔽和散熱問(wèn)題。比如盡量選用自身發(fā)射小的芯片，避免使用大功率、高損耗器件等等，都能將輻射控制在安全水平內(nèi)。
而5G時(shí)代的“防擾”困局在于，新的技術(shù)挑戰(zhàn)實(shí)在太多了。
挑戰(zhàn)一：電磁干擾后期除錯(cuò)與產(chǎn)品落地的訴求錯(cuò)位。
在5G網(wǎng)絡(luò)中，需要大規(guī)模的天線陣列來(lái)保證傳輸，這就使得天線的單元個(gè)數(shù)大大增加，不同單元之間的相互干擾也就隨之增加了。而傳統(tǒng)方式如濾波法隔離，就會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)的整體尺寸過(guò)于龐大，不利于現(xiàn)實(shí)中的部署。
同樣的困擾也可能發(fā)生在終端。比如用戶(hù)早已習(xí)慣了輕薄的智能手機(jī)，5G手機(jī)要在性能、頻率、信號(hào)等各個(gè)方面提升的同時(shí)，保持從芯片到射頻器件等元件尺寸不增反降，這也對(duì)手機(jī)廠商及供應(yīng)鏈提出了新的要求。
挑戰(zhàn)二：新電磁環(huán)境與配套工程科學(xué)的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展錯(cuò)位。
顯然，抗電磁干擾的挑戰(zhàn)是針對(duì)電子產(chǎn)業(yè)的集體考驗(yàn)。除了硬件設(shè)計(jì)廠商的自我迭代之外，材料、制造等配套企業(yè)也要跟上，如何讓他們積極配合產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)，值得思索。
舉個(gè)例子，不能使用更大尺寸的元器件，所以5G智能手機(jī)就對(duì)電磁屏蔽吸波材料和散熱材料提出了更高的要求。目前行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的導(dǎo)熱石墨材料，在消費(fèi)電子領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)近百億元人民幣。而隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)、家聯(lián)網(wǎng)甚至體聯(lián)網(wǎng)在5G網(wǎng)絡(luò)下的逐漸應(yīng)用，這些常規(guī)場(chǎng)景下電磁屏蔽的效率和性能，也將進(jìn)入增長(zhǎng)期。BCCResearch預(yù)測(cè)，全球EMI/RFI屏蔽材料市場(chǎng)規(guī)模將于2021年達(dá)78億美元，界面導(dǎo)熱材料將于2020年達(dá)11億美元規(guī)模。
但要開(kāi)發(fā)新一代光子晶體、超導(dǎo)材料等，從創(chuàng)新底層更新電磁調(diào)控方式，所面臨的研發(fā)費(fèi)用、實(shí)驗(yàn)成本、商業(yè)化推廣等，都是極大的限制，等待解題人的出現(xiàn)。
除了材料，代工廠的升級(jí)改造也需要針對(duì)新的電磁環(huán)境做出調(diào)整。比如全雙工技術(shù)(CCFD)，就可以在資源不變的情況下，支持2倍數(shù)量的設(shè)備，保證WiFi傳輸中的實(shí)時(shí)性與自動(dòng)控制，也被看做是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。但這需要手機(jī)等終端設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)能夠在同一頻率同時(shí)工作。然而在全雙工模式下，如果發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)不正交，發(fā)射端產(chǎn)生的干擾比接收到的有用信號(hào)要強(qiáng)數(shù)十億倍。如何保證手機(jī)在同步收發(fā)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生自干擾，就需要極高的干擾消除能力，來(lái)解決基站間干擾和終端間干擾，目前仍然沒(méi)有破解的思路。
再比如5G芯片的封裝，隨著通信芯片速率不斷上升，傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)在高頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)輻射超標(biāo)的情況，天線封裝一體化等新模式已經(jīng)在研發(fā)當(dāng)中。
挑戰(zhàn)三：新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程與傳統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)的理念錯(cuò)位。
即使上游供應(yīng)商都準(zhǔn)備妥當(dāng)，到了終端硬件廠商這里，如果在前期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)沒(méi)有考慮到整體的EMC問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)什么情況？
小則測(cè)試時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，需要重新整改或設(shè)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力又費(fèi)錢(qián)；重則不被EMC認(rèn)證通過(guò)，讓產(chǎn)品無(wú)法順利問(wèn)世或走向國(guó)際市場(chǎng)?？傊粋€(gè)“慘”字就對(duì)了。
都說(shuō)凡事預(yù)則立不預(yù)則廢，為什么如此重要的抗電磁干擾性能就不能規(guī)劃在前頭呢？有業(yè)內(nèi)人士爆料，全國(guó)90%以上的電子企業(yè)都沒(méi)有一套EMC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證流程。
一方面是受“拿來(lái)主義”思想，將符合標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)鏈元器件進(jìn)行技術(shù)性結(jié)合，而對(duì)于如何將電磁兼容在產(chǎn)品研發(fā)流程中融合并形成規(guī)范，沒(méi)有走心。
更重要的原因是EMC設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，小到芯片、封裝、PCB等終端，大到基站、數(shù)據(jù)中心、智慧城市等外界電磁環(huán)境，任何一方面因素考慮不周就有可能導(dǎo)致產(chǎn)品電磁兼容不佳。
如系統(tǒng)屏蔽如何設(shè)計(jì)、濾波怎樣實(shí)現(xiàn)、接地如何系統(tǒng)考慮等等，充滿(mǎn)了大大小小的不確定性，也就讓EMC設(shè)計(jì)成為一個(gè)十分“工程師個(gè)人主義”的工作。不同的硬件設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品認(rèn)知、軟件操作能力、設(shè)計(jì)工具、對(duì)EMC的理解，都可能指向不同的方案。
比如同樣是整機(jī)輻射超標(biāo)，有人可能會(huì)改變機(jī)身的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)來(lái)加大分流；也有人會(huì)從內(nèi)部著手優(yōu)化輻射源，二者殊途同歸，都能提升整機(jī)的EMC性能。既然很難得出“最優(yōu)解”，自然也就見(jiàn)仁見(jiàn)智地“哲學(xué)”起來(lái)了。
而比“缺乏意識(shí)”更可怕的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是——缺乏工具。確切的說(shuō)，是缺少?lài)?guó)產(chǎn)化的EDA設(shè)計(jì)工具。
美國(guó)實(shí)體清單一出，大家都將“EDA工具”與“芯片設(shè)計(jì)”等同了起來(lái)，其實(shí)，EMC設(shè)計(jì)所必不可少的仿真軟件，同樣是EDA的一種。
它的價(jià)值也不可小覷，用模擬電路EMC設(shè)計(jì)，代替實(shí)驗(yàn)，分析電磁場(chǎng)、元件配置、電線建模、屏蔽效能等等，可以有效地減少終端硬件的研發(fā)周期和成本。
然而，目前主流的EMC仿真軟件和芯片EDA一樣，由國(guó)外廠商主導(dǎo)。
比如由德國(guó)Simlab軟件公司設(shè)計(jì)的PCBMOd、CableMod、RaidaSim等產(chǎn)品；由Ansoft CorporaTIon公司設(shè)計(jì)的Ansoft High-Frequency and High-Speed Designers；由SONNET軟件公司設(shè)計(jì)的SONNET High Frequency Electromagnetic So ftware……等等。
如果這些工具隨著5G為焦點(diǎn)的全球市場(chǎng)爭(zhēng)奪而被禁用，由此帶來(lái)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)，將給中國(guó)硬件廠商和消費(fèi)者帶來(lái)何種影響，我們不得而知，但肯定不怎么愉快。
在乘風(fēng)破浪的5G面前，對(duì)這些潛藏在水底的技術(shù)暗礁保持警惕，或許關(guān)乎生死。
