關(guān)于雜散輻射產(chǎn)生原因及解決方法的研究*

黃樹(shù)文，符 超，熊仕文

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

雜散輻射作為無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品一項(xiàng)必測(cè)的射頻指標(biāo)，倘若不合格不僅會(huì)影響智能產(chǎn)品其他的射頻指標(biāo)，而且會(huì)影響通信質(zhì)量、干擾設(shè)備的運(yùn)行。筆者在測(cè)試一款帶有藍(lán)牙模塊的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品輻射雜散過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，它的輻射雜散超標(biāo)，導(dǎo)致通信連接不穩(wěn)定。本文通過(guò)此案例分析雜散產(chǎn)生的原因，以提供正確的解決思路，以期日后遇到類(lèi)似問(wèn)題可以迅速得以解決。

1 雜散輻射的產(chǎn)生

雜散輻射是指在發(fā)射信道和相鄰信道以外的所有離散頻點(diǎn)上的騷擾輻射，事實(shí)上就是考察發(fā)射機(jī)對(duì)遠(yuǎn)離載波頻點(diǎn)處的干擾水平。按照來(lái)源的不同，雜散輻射分為輻射型雜散（以下簡(jiǎn)稱(chēng)輻射雜散）和傳導(dǎo)型雜散（以下簡(jiǎn)稱(chēng)傳導(dǎo)雜散）兩種。傳導(dǎo)雜散是用RF Cable 連接天線(xiàn)插頭與50 Ω 負(fù)載進(jìn)行纜測(cè)；輻射雜散則是在天線(xiàn)暗室中進(jìn)行耦合測(cè)試。

1.1 輻射雜散簡(jiǎn)介

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)連接到非輻射純電阻負(fù)載或處于接收狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)以所述移動(dòng)臺(tái)外殼和電源、控制和音頻電纜輻射的指定信道以外的頻率產(chǎn)生或放大的傳輸，則稱(chēng)為輻射雜散。輻射雜散是CE/FCC/MIC認(rèn)證中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。任何無(wú)線(xiàn)傳輸產(chǎn)品在申請(qǐng)CE/FCC/MIC 認(rèn)證時(shí)都必須進(jìn)行測(cè)試，且該測(cè)試項(xiàng)目的通過(guò)率較低。很多產(chǎn)品在此會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，特別是大功率發(fā)射的產(chǎn)品。

輻射雜散有多種測(cè)試方法，常見(jiàn)的是在全電波暗室運(yùn)用替代法測(cè)試，如圖1 所示。

圖1 全電波暗室替代法

替代法的基本思想是先預(yù)掃描被測(cè)設(shè)備在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生的輻射功率，再用信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)替代被測(cè)設(shè)備在接收天線(xiàn)處產(chǎn)生相同的輻射功率，由此得到的標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)發(fā)射功率即為被測(cè)設(shè)備在該頻點(diǎn)的輻射功率。

1.2 傳導(dǎo)雜散簡(jiǎn)介

傳導(dǎo)雜散發(fā)射指的是在天線(xiàn)連接處的、不同于載波和調(diào)制相關(guān)的邊帶的各個(gè)頻點(diǎn)的雜散值。一般都是指測(cè)試TX 的指標(biāo)，分析發(fā)射最大功率時(shí)對(duì)整個(gè)頻帶的影響。傳導(dǎo)雜散分為帶內(nèi)雜散和帶外雜散兩種。帶內(nèi)雜散是指信號(hào)發(fā)射時(shí)落在各頻段接收帶內(nèi)的干擾。帶外雜散主要是衡量發(fā)射信號(hào)的諧波分量。

傳導(dǎo)雜散測(cè)試不同于輻射雜散測(cè)試，是直接通過(guò)射頻線(xiàn)連接模塊傳輸信號(hào)而非通過(guò)空間傳輸信號(hào)，受外界干擾可能性比輻射雜散小，如圖2 所示。

2 實(shí)測(cè)案例

筆者在對(duì)一款使用5 V 電池供電的藍(lán)牙產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，它的通信不穩(wěn)定，響應(yīng)速度慢，甚至有時(shí)無(wú)響應(yīng)。將它放入全電波暗室進(jìn)行輻射雜散測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，它的輻射雜散值超標(biāo)。圖3 為輻射雜散測(cè)試結(jié)論。

如圖3 所示，可以清晰看到輻射雜散在939 MHz 有一個(gè)超標(biāo)點(diǎn)，距限值差11 dB，輻射雜散不合格。

圖2 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

圖3 輻射雜散結(jié)論

2.1 輻射雜散理論分析

輻射雜散的干擾源一般由3 個(gè)部分產(chǎn)生：射頻模塊的傳導(dǎo)雜散輻射、機(jī)箱及設(shè)備結(jié)構(gòu)引起的輻射型雜散輻射和傳導(dǎo)雜散與電源線(xiàn)串?dāng)_產(chǎn)生的雜散輻射。由于輻射雜散通過(guò)無(wú)線(xiàn)空間傳播，因此可能輻射干擾的點(diǎn)是多種多樣的，如圖4 所示。

圖4 輻射雜散干擾因素

筆者將輻射雜散不合格的因素歸類(lèi)為內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)因素。如果傳導(dǎo)雜散合格，意味著內(nèi)部因素合格，此時(shí)需從外部因素找尋輻射雜散不合格原因；如果傳導(dǎo)雜散不合格，不僅需從內(nèi)部因素找尋輻射雜散不合格原因，還需排查外部因素。

2.2 傳導(dǎo)雜散驗(yàn)證排查

通過(guò)對(duì)2.1 章節(jié)中輻射雜散理論的分析，先進(jìn)行傳導(dǎo)雜散的驗(yàn)證。對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行傳導(dǎo)雜散測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，30 MHz～1 GHz 低頻部分存在大量雜散超標(biāo)，且高頻部分存在3 次、4 次諧波同時(shí)超標(biāo)，傳導(dǎo)雜散超標(biāo)則輻射雜散也超標(biāo)。傳導(dǎo)雜散測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

2.3 傳導(dǎo)雜散理論分析

根據(jù)圖5 數(shù)據(jù)顯示，藍(lán)牙模塊的傳導(dǎo)雜散超標(biāo)。因?yàn)閭鲗?dǎo)雜散是用射頻線(xiàn)連接天線(xiàn)插頭進(jìn)行纜測(cè)，所以產(chǎn)生雜散的原因多種多樣。但是，它可以主要?dú)w納為屏蔽效果、匹配電路、天線(xiàn)端口、射頻線(xiàn)、電源以及模塊走線(xiàn)布局等，如圖6 所示。

（1）屏蔽效果：屏蔽罩將元器件、電路、組件或整個(gè)系統(tǒng)包圍在干擾源之外，防止干擾電磁場(chǎng)擴(kuò)散。如果屏蔽效果不好，會(huì)對(duì)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生雜散干擾。

（2）射頻端口：由于射頻端口裸露在外，其可能受到外界其他信號(hào)的干擾。

圖6 輻射雜散分析

（3）天線(xiàn)匹配：RF 線(xiàn)路的匹配對(duì)信號(hào)傳輸尤為重要，若匹配不合適，會(huì)影響天線(xiàn)性能。

（4）PA 功率放大器：PA 的作用是將射頻信號(hào)放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)由天線(xiàn)發(fā)射出去，起到一個(gè)放大器的功能。但是，功率得到放大，其噪聲也會(huì)得到放大，產(chǎn)生的干擾也會(huì)增加。

（5）RF 走線(xiàn)布局：天線(xiàn)要盡量遠(yuǎn)離干擾元器件，因?yàn)檫@些元器件的非線(xiàn)性可能會(huì)對(duì)天線(xiàn)產(chǎn)生串?dāng)_，生成諧波而帶來(lái)干擾。

（6）電源串?dāng)_：如果PA 的電源穩(wěn)壓不好或其電源走線(xiàn)載有高頻噪聲，都會(huì)使發(fā)射端性能劣化，必然影響傳導(dǎo)雜散。

3 方案設(shè)計(jì)排查

根據(jù)2.2 章節(jié)中的傳導(dǎo)雜散不合格結(jié)論，結(jié)合2.1章節(jié)輻射雜散干擾因素（如圖4 所示），可以確定輻射雜散超標(biāo)和模塊內(nèi)部因素的有關(guān)，但是否受外部因素影響還需驗(yàn)證。因此，筆者開(kāi)展了如下試驗(yàn)。

首先，去掉藍(lán)牙產(chǎn)品外殼，其輻射雜散未發(fā)生變化，表明外殼對(duì)輻射雜散值沒(méi)有影響。其次，由于藍(lán)牙產(chǎn)品使用5 V 電池供電而非通過(guò)電源線(xiàn)接電，電池包裝完好無(wú)泄漏。筆者使用直流電源代替電池供電，其輻射雜散值未發(fā)生變化，因此可以排除電源因素。最后，結(jié)合傳導(dǎo)雜散超標(biāo)嚴(yán)重的情況，基本可以確認(rèn)輻射雜散超標(biāo)是因?yàn)閭鲗?dǎo)雜散超標(biāo)導(dǎo)致。結(jié)合2.3 章節(jié)中傳導(dǎo)雜散理論分析，筆者針對(duì)傳導(dǎo)雜散制定了以下最合適的方案。

3.1 降低功率方案。

由于諧波來(lái)自于元器件的非線(xiàn)性效應(yīng)，此外PA 最有可能。通過(guò)降低主頻功率，諧波功率會(huì)下降。降低發(fā)射功率雖然有一定的改善，但是相應(yīng)會(huì)減少通信距離，不能作為主要的解決措施。本案例中將藍(lán)牙從原先6 dBm 的發(fā)射功率降到3 dBm，對(duì)比圖5 和圖6 可以看到，高頻部分3 次諧波功率從-27.9 dBm 降到-33 dBm、4 次諧波-27.4 dBm 降到了-37 dBm，高頻部分雜散已經(jīng)合格，但低頻部分60 MHz 處傳導(dǎo)雜散超標(biāo)仍然存在。

3.2 更改匹配方案

一般而言，傳導(dǎo)雜散超標(biāo)可以通過(guò)更改匹配、加強(qiáng)濾波處理來(lái)解決，但要注意對(duì)發(fā)射信號(hào)的衰減。本案例發(fā)現(xiàn)低頻部分超標(biāo)仍存在后更改了匹配，將1.2 pF 電容變?yōu)?.6 pF 電容，結(jié)果非常明顯，如圖7 所示，低頻雜散雜波大大減少，但還存在少量超標(biāo)情況。

圖7 傳導(dǎo)雜散結(jié)論

3.3 天線(xiàn)布局方案

對(duì)天線(xiàn)最好的方式是壓縮其他區(qū)域，保持凈空區(qū)。案例中PCB 電路去掉了多余無(wú)用的線(xiàn)路和無(wú)用的匹配點(diǎn)，增加了天線(xiàn)凈空區(qū)域，減少了對(duì)天線(xiàn)干擾的可能。對(duì)比圖8 與圖9 可以清楚看出，天線(xiàn)區(qū)域空曠了一部分，也縮短了從射頻端到板載天線(xiàn)的距離。

圖8 整改前布局

圖9 整改后布局

3.4 RF 走線(xiàn)方案

RF 線(xiàn)是指IC RFIO 引腳到天線(xiàn)間的連線(xiàn)，必須小心控制。如果RF 阻抗不在50 Ω±10%內(nèi)，RF 性能將會(huì)受到很大影響。為了保證射頻信號(hào)從RFIO 到天線(xiàn)端的傳輸效率，添加一個(gè)阻抗匹配電路。當(dāng)回波損耗大于10 dB 時(shí)，能使90%的能量傳輸?shù)教炀€(xiàn)端。

圖10 中，芯片端的阻抗匹配電路由3 個(gè)元件構(gòu)成，天線(xiàn)端的阻抗匹配電路由另外3 個(gè)元件構(gòu)成，從而使得在輸入阻抗1 和輸入阻抗2 端的阻抗為50 Ω。只有使用PCB 天線(xiàn)或芯片天線(xiàn)時(shí)，22 pF 的隔直電容才允許省略。芯片端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)同樣用于諧波抑制，以保證RF 性能。

圖10 阻抗匹配電路

案例中該P(yáng)CB 涉及RF 電路，對(duì)阻抗要求較嚴(yán)，具體參數(shù)要求按下列要求進(jìn)行控制。整改前（如圖11 所示）RF 線(xiàn)路阻抗未控制在50 Ω 左右，造成了信號(hào)的大量反射。整改后圖12 左圖箭頭路線(xiàn)阻抗控制在50 Ω±5 Ω 內(nèi)，圖12 右圖阻抗線(xiàn)末端為IC 夾線(xiàn)不做阻抗控制。

圖11 整改前RF 線(xiàn)路

圖12 整改后RF 線(xiàn)路

3.5 電源電路走線(xiàn)方案

電源的Bypass 電容擺放必須靠近IC，走線(xiàn)必須先經(jīng)過(guò)電容再進(jìn)入IC 或輸出給其他分支電源，如圖13 所示。

圖13 電源電路走線(xiàn)

圖14 中整改前只是經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻，并不能起到很好的降噪作用。實(shí)測(cè)案例中，電源電路的走線(xiàn)先經(jīng)過(guò)電容再到芯片供電，如圖15 所示，能夠減少由于線(xiàn)路阻抗引起的壓降和高頻電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換而引起的噪聲，降低產(chǎn)生雜波的風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)影響到低頻段。

圖14 整改前電源走線(xiàn)

圖15 整改后電源走線(xiàn)

4 最終整改結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述幾種設(shè)計(jì)方案的整改，藍(lán)牙模塊傳導(dǎo)雜散全部合格，低頻部分雜波消失，高頻部分3 次和4 次諧波消失，符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，且裕量充足，超過(guò)6 dBm，如圖16 所示。復(fù)測(cè)輻射雜散，圖17 輻射雜散超標(biāo)點(diǎn)消失，輻射雜散測(cè)試合格，證明上述方案是可行的。

圖16 傳導(dǎo)雜散測(cè)試

圖17 輻射雜散測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)雜散輻射的測(cè)試原理、產(chǎn)生原因及整改方法進(jìn)行詳細(xì)講解，不管是輻射雜散還是傳導(dǎo)雜散超標(biāo)，總體可以分為外部對(duì)射頻模塊產(chǎn)生的干擾引起和內(nèi)部模塊自身問(wèn)題產(chǎn)生的雜散超標(biāo)。外部需逐步排除外部環(huán)境帶來(lái)的影響，內(nèi)部則促?gòu)钠骷?、布局等方面進(jìn)行整改。分部分進(jìn)行仔細(xì)排查，最終找到最佳的解決之道。