基于Zigbee的无线传输电路的抗电磁干扰优化设计

摘要：电力设备热点温度与电流在线监测预警系统工作在大型变压器旁，极易受电磁辐射干扰，针对该预警系统的子系统；无线传输部分进行了抗电磁干扰设计，采用Ansoft Designer软件仿真分析了PCB(Printed Circuit Board)中电磁波对PCB电磁兼容性产生的影响，根据其得出的PCB的电流图及近场分布图，分析PCB的电磁兼容性，针对结果中的电磁辐射过高区域进行了重新设计，经Ansoft Designer验证，重新设计后的PCB各项指数有所下降，电磁兼容性得到提高。
关键词：Zigbee；抗电磁干扰；Ansoft Designer；优化设计

随着世界上第一个电磁兼容性规范1944年在德国诞生，电磁兼容设计在现代电子设计中变得越来越重要。普通的10 kV／630 kW“箱式”变压器低频噪音辐射处的电场辐射一般可达800 V／m，电磁辐射可达30 B／μT，对工作在此环境下的无线传输模块有非常大的影响，因此有必要对无线传输模块进行抗电磁干扰设计。

1 PCB的抗干扰设计
1．1 硬件方面的抗电磁干扰设计
1)选择集成度高，抗干扰能力强，功耗小的电子器件。
2)良好的接地设计。对于工作在2 MHz一下低频应采取共地，即一点接地；对于工作在10 MHz以上的高频应采用分地，即多点接地。同时，数字地和模拟地分开，中间用磁珠连接。对传感器信号地线采用浮空隔离，不与大地相连。将所有闲置的单片机IO端口，应该接地而不是接电源。
3)滤波处理。每个IC的电源端并联一个高频电容，减少IC对电源的影响。
4)PCB的设计：①布线时遵循3-W原则，也就是相邻两条线路间的中心距离应该大于或者等于3倍的线宽。随着线间距离的增大，同时也能减少线间的耦合串扰。②按照功能布局，不同模块接对应的电源。③电源和地线尽量的粗，电流方向和信号线方向相同。④晶振尽量靠近单片机。⑤线路尽量使用45°折线而不是90°折线。⑥多层板设计，将电源层和接地层放在中间层，这样利于各元器件的迅速接地，抑制共模干扰，有利于抗电磁干扰。
1．2 软件方面的抗电磁干扰设计
1)使用看门狗，MSP430中已经集成，遂不赘述。
2)数据冗余技术，在噪声幅度较大的环境巾传输数据，给数据增加一定的冗余位用于校验，能增加检错和纠错的能力，具有非常明显的抗干扰效果。

2 电磁干扰仿真软件介绍
电磁干扰的数值仿真过程也就是电磁场问题的数值计算过程，电磁数值计算的任务是基于麦克斯韦方程组，建立逼近实际问题的连续型数学模型，然后采用相应的数值计算方法，经离散化处理，解出模型的数值解，再经处理得出场域中任意点处的场强，能量，损耗分布，及其他参数。常见的计算法方法有时域有限元法、频域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的积分方程，计算精度较高；频域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，计算量较大，其中Ansoft Designer就是基于频域有限元方法的软件。
Ansoft Desinger集成了高频、基于物理原型的电磁建模、仿真及与电路和系统分析的无缝连接环境，为了获得S参数和电流密度J，采用了混合电位积分方程(MPIE Mixed Potential Integral Equation)法和矩量法(MoM Method of Moments)分别计算之，这样就能通过电流密度求得S参数和辐射场。
在Ansoft中，只要三维物体表面网格形成，则可利用混合点位积分方程(MPIE)进行分析：
为垂直于网格平面的单位矢量；j为虚部单位；ω为角频率(等于2f)；A表示矢量磁位；φ为标量电位；Zs为单个网格表面的电阻；J为网格上的电流密度。在混合积分后，使用矩量法(MoM)求解网格上的电流密度J，得到网格边界线上法向方向的电流，在存储网格边界线方向电流分量后，网格内部每个点的电流值可通过网格边界线法向电流分量差值得到。