乘風破浪的5G，與隱藏在深海的EMC暗礁

圖片來源@視覺中國

文丨腦極體

我們幾乎生活在一個被電磁波環繞的星球上。

雲層中的雷鳴閃電會發射電磁波，城市中星羅棋佈的移動基站和通信天線也在不停地放射着電磁波。

日常生活中不可缺少的家電產品，比如手機、微波爐、電磁爐、電腦、電視、車載電台，甚至電熱毯、電吹風、電飯鍋、加濕器……更讓人置身電磁波的天羅地網。

這些電磁波有強有弱，有高有低，有遠有近，早已不是什麼新鮮事。

而5G高頻率的引入、IoT設備數量暴漲，以及各種智能硬件的功能升級，都在讓我們習以為常的電磁環境，變得愈加複雜。

在這樣的大背景下，如何設計出依然能夠滿足電磁兼容性EMC認證要求的產品，對硬件工程師來説，就是一件極具挑戰性的事情了。

首先需要澄清的是，電磁波種類雖多，卻並不一定都有害健康。

只有當電磁強度達到一定程度，才會產生電磁污染。像是多年來許多國家長期跟蹤的移動手機電磁波問題，事實就證明對人體健康並不會產生危害性。

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界提上日常。

簡單來説，就是要求電子設備既能夠在電磁環境中保證整個系統的穩定工作，不會受到一點干擾就罷工；也要具備良好的“外交能力”，不對外部環境中的其他環境造成過大的干擾，比如充電玩手機時屏幕不聽使喚，出現亂跳、翻頁等詭異現象，就是劣質充電頭產生了電磁波干擾的鍋。

為了讓用户家裏的電子設備都能夠和平共處，相關的EMC電磁兼容性就成為產品順利進入市場的前提條件，各個行業也都有着對應的EMC認證標準。

那麼，5G的規模化商用又造成了哪些新問題呢？

我們不妨順着可能變化的“干擾源”來梳理。

首先，由於5G網絡頻段較高的特性，決定了其覆蓋範圍小於3G/4G網絡，也就需要大規模部署小基站，電磁兼容挑戰也就應運而生。

最新出現的電磁干擾源“微基站”，由於毫米波穿透力差，衰減大，就需要配備大量的電磁屏蔽器件，來達到更高的抗干擾能力。

繼續向前，會發現伴隨着5G的部署升級，聯網設備及大眾身邊的天線數量也在指數級地增加，各個頻率、設備之間也有可能會互相干擾。

智能手機有個測試項目叫單音靈敏度，就是在距離通道一定頻率間隔處施加一個強幹擾單音信號，觀察手機靈敏度會惡化多少。如果電磁波干擾的是心臟起搏器、人工肺泵、汽車行駛，或者是賽博朋克們植入體內的腦機呢？

拋開這些極端情況，即使電機工程師來將電磁屏蔽控制在安全範圍內，但越來越多的電子設備集體散熱，也夠大眾受的。

電磁波輻射後引起機體升温，由此產生的熱效應，儘管目前傷害不明顯，但長期接觸下來到底會不會影響健康，科學界至今沒有確切答案，5G的到來自然又增加了新的不確定性。

既然“攻方”出了牌，那“守方”自然也得有後招。

可是5G也讓不少老招失靈了。

一般情況下，工業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不來，比如濾波法（增加電抗器和 EMI濾波器，從電路層面減少傳導騷擾）、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（動力線與其他弱電信號線分開走線）等等。

二靠增強“體質”，在電子設備中加入更多的電磁屏蔽和導熱器件，解決產品間電磁屏蔽和散熱問題。比如儘量選用自身發射小的芯片，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。

而5G時代的“防擾”困局在於，新的技術挑戰實在太多了。

挑戰一：電磁干擾後期除錯與產品落地的訴求錯位。

在5G網絡中，需要大規模的天線陣列來保證傳輸，這就使得天線的單元個數大大增加，不同單元之間的相互干擾也就隨之增加了。而傳統方式如濾波法隔離，就會導致通信系統的整體尺寸過於龐大，不利於現實中的部署。

同樣的困擾也可能發生在終端。比如用户早已習慣了輕薄的智能手機，5G手機要在性能、頻率、信號等各個方面提升的同時，保持從芯片到射頻器件等元件尺寸不增反降，這也對手機廠商及供應鏈提出了新的要求。

挑戰二：新電磁環境與配套工程科學的產業鏈發展錯位。

顯然，抗電磁干擾的挑戰是針對電子產業的集體考驗。除了硬件設計廠商的自我迭代之外，材料、製造等配套企業也要跟上，如何讓他們積極配合產業鏈升級，值得思索。

舉個例子，不能使用更大尺寸的元器件，所以5G智能手機就對電磁屏蔽吸波材料和散熱材料提出了更高的要求。目前行業內廣泛應用的導熱石墨材料，在消費電子領域的市場規模就達近百億元人民幣。

而隨着車聯網、家聯網甚至體聯網在5G網絡下的逐漸應用，這些常規場景下電磁屏蔽的效率和性能，也將進入增長期。BCCResearch預測，全球EMI/RFI屏蔽材料市場規模將於2021年達78億美元，界面導熱材料將於2020年達11億美元規模。

但要開發新一代光子晶體、超導材料等，從創新底層更新電磁調控方式，所面臨的研發費用、實驗成本、商業化推廣等，都是極大的限制，等待解題人的出現。

除了材料，代工廠的升級改造也需要針對新的電磁環境做出調整。比如全雙工技術(CCFD)，就可以在資源不變的情況下，支持2倍數量的設備，保證WiFi傳輸中的實時性與自動控制，也被看做是5G的關鍵技術之一。但這需要手機等終端設備的發射機和接收機能夠在同一頻率同時工作。然而在全雙工模式下，如果發射信號和接收信號不正交，發射端產生的干擾比接收到的有用信號要強數十億倍。如何保證手機在同步收發時不會產生自干擾，就需要極高的干擾消除能力，來解決基站間干擾和終端間干擾，目前仍然沒有破解的思路。

再比如5G芯片的封裝，隨着通信芯片速率不斷上升，傳統的封裝結構在高頻率時會出現輻射超標的情況，天線封裝一體化等新模式已經在研發當中。

挑戰三：新產品開發流程與傳統EMC設計的理念錯位。

即使上游供應商都準備妥當，到了終端硬件廠商這裏，如果在前期產品開發時沒有考慮到整體的EMC問題，會出現什麼情況？

小則測試時出現問題，需要重新整改或設計，費時費力又費錢；重則不被EMC認證通過，讓產品無法順利問世或走向國際市場。總之，一個“慘”字就對了。

都説凡事預則立不預則廢，為什麼如此重要的抗電磁干擾性能就不能規劃在前頭呢？有業內人士爆料，全國90%以上的電子企業都沒有一套EMC設計、驗證流程。

一方面是受“拿來主義”思想，將符合標準的供應鏈元器件進行技術性結合，而對於如何將電磁兼容在產品研發流程中融合並形成規範，沒有走心。

更重要的原因是EMC設計是一個系統工程，小到芯片、封裝、PCB等終端，大到基站、數據中心、智慧城市等外界電磁環境，任何一方面因素考慮不周就有可能導致產品電磁兼容不佳。

如系統屏蔽如何設計、濾波怎樣實現、接地如何系統考慮等等，充滿了大大小小的不確定性，也就讓EMC設計成為一個十分“工程師個人主義”的工作。不同的硬件設計人員的產品認知、軟件操作能力、設計工具、對EMC的理解，都可能指向不同的方案。

比如同樣是整機輻射超標，有人可能會改變機身的通風孔設計來加大分流；也有人會從內部着手優化輻射源，二者殊途同歸，都能提升整機的EMC性能。既然很難得出“最優解”，自然也就見仁見智地“哲學”起來了。

而比“缺乏意識”更可怕的現實問題是——缺乏工具。確切的説，是缺少國產化的EDA設計工具。

美國實體清單一出，大家都將“EDA工具”與“芯片設計”等同了起來，其實，EMC設計所必不可少的仿真軟件，同樣是EDA的一種。

它的價值也不可小覷，用模擬電路EMC設計，代替實驗，分析電磁場、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週期和成本。

然而，目前主流的EMC仿真軟件和芯片EDA一樣，由國外廠商主導。

比如由德國Simlab軟件公司設計的PCBMOd、CableMod、RaidaSim等產品；由Ansoft CorporaTIon公司設計的Ansoft High-Frequency and High-Speed Designers；由SONNET軟件公司設計的SONNET High Frequency Electromagnetic So ftware……等等。

如果這些工具隨着5G為焦點的全球市場爭奪而被禁用，由此帶來的設計風險與產品風險，將給中國硬件廠商和消費者帶來何種影響，我們不得而知，但肯定不怎麼愉快。

在乘風破浪的5G面前，對這些潛藏在水底的技術暗礁保持警惕，或許關乎生死。